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1、2022年7月26日1测绘工程专业2022年7月26日2授课目的和要求授课目的和要求:明确伪距测量和载波相位明确伪距测量和载波相位测量的基本原理测量的基本原理,并掌握并掌握GPS绝对定位和相绝对定位和相对定位的基本原理和基本方法。对定位的基本原理和基本方法。重点重点 : 掌握掌握 GPS绝对定位和相对定位的基绝对定位和相对定位的基本原理和基本方法！本原理和基本方法！难点难点 : 载波相位测量的基本原理！载波相位测量的基本原理！2022年7月26日3 一、导航定位系统的发展过程一、导航定位系统的发展过程 地面导航系统地面导航系统 卫星激光测距导航系统卫星激光测距导航系统 卫星导航定位系统卫星导航
2、定位系统 (NNSS或或GPS).各导航系统优缺点比较各导航系统优缺点比较 : 1) 受气候影响的大小受气候影响的大小 (阴天、下雨、下雾等阴天、下雨、下雾等 ) 。 2) 主动定位或被动定位主动定位或被动定位(在军事上尤为重要在军事上尤为重要 ) 。 3) 所能容纳用户的数量所能容纳用户的数量(区域性和全球性区域性和全球性 ) 。1 概概 述述2022年7月26日4二、二、GPS卫星测量定卫星测量定位方法简介位方法简介1.绝对定位绝对定位(静态或动态静态或动态) (X Y Z) 或或 (B L H) ; 均属于均属于WGS-84坐标系统坐标系统的坐标。的坐标。2022年7月26日52.相对定
3、位相对定位(静态或动态静态或动态) (XAB , YAB ,ZAB ) 或或 (BAB , LAB ,HAB ) 可以获得可以获得 GPS点之间点之间的相对坐标的相对坐标 !A测站测站B测站测站2022年7月26日6 2 伪伪 距距 测测 量量概念概念 : 伪距伪距 !伪距定位的基本原理伪距定位的基本原理 !伪距定位的分类伪距定位的分类 : 对对P码进行测量码进行测量(一次一次导航定位的精度一般为导航定位的精度一般为10m左右左右 ) 。 对对C/A码进行测量码进行测量( 一一次导航定位的精度一般次导航定位的精度一般为为20m至至30m ) 。 在某一点上利用在某一点上利用 GPS 接接收机收
4、机同时同时测得接收机天线到测得接收机天线到至少四颗至少四颗GPS卫星的伪距卫星的伪距 ，然后利用然后利用已知的卫星位置坐已知的卫星位置坐标标和所测得的伪距观测值采和所测得的伪距观测值采用用距离交会距离交会的方法求出该点的方法求出该点的三维坐标和接收机时间改的三维坐标和接收机时间改正数。正数。2022年7月26日73.伪距法定位的特点伪距法定位的特点1 ).精度不高。精度不高。2 ).定位速度快。定位速度快。3).无多值解。无多值解。4).可获得可获得WGS-84坐标坐标 系统的绝对坐标。系统的绝对坐标。2022年7月26日8一、伪距测量方法一、伪距测量方法卫星信号传播到接收机为：卫星信号传播到
5、接收机为： 接收机产生的复制码为：接收机产生的复制码为： 现求两码的相关系数现求两码的相关系数: 必然有必然有: ta ta tatta 0tRtatta dtttataTtRT12022年7月26日9现将复制码依次延迟现将复制码依次延迟 ：的时间，则其变为：的时间，则其变为： 再求两码的相关系数再求两码的相关系数 : 仍有仍有:ni,21 dtttataTtRiT1itta 0iR2022年7月26日10其中其中 : 为为 伪距观测值伪距观测值； 为为 星站间实际距离星站间实际距离。nttt max11dtttataTtRnTnttc 直到直到 :此时即有：此时即有：两边同乘两边同乘 c 可
6、有：可有：2022年7月26日11 而而 c t 为由于星、机钟误差造成的距离差，为由于星、机钟误差造成的距离差， 则有则有: 若同时考虑若同时考虑 对流层对流层 和和 电离层电离层 对卫星信号的折对卫星信号的折射影响射影响 ( ) 即有：即有： 此式即为此式即为伪距伪距 ( )与与实际距离实际距离( )的关系式的关系式 !jkTItctcTI,jktctctc2022年7月26日12二、伪距定位观测方程二、伪距定位观测方程因为因为: 其中其中: 为卫星为卫星 j 的已知坐标的已知坐标, j = 1 2 n。 为所要求的观测站坐标。为所要求的观测站坐标。若将若将 亦视为未知数亦视为未知数 ,则
7、则 伪距定位观测方程伪距定位观测方程 :jjTjIjkjsjsjstctcZZYYXX2122221222ZZYYXXjsjsjsjZYXZYXjsjsjs,返回返回kt2022年7月26日13 对于对于伪距定位观测方程伪距定位观测方程 :说明说明: 1)、伪距方程式的解算、伪距方程式的解算 : j =1、2 n 2)、设、设 为未知数的意义为未知数的意义? 3)、可设接收机时钟误差为、可设接收机时钟误差为 :jjTjIjkjsjsjstctcZZYYXX21222202010ttattaatkt2022年7月26日144)、为什么、为什么R(相关系数相关系数 )的最大值接近的最大值接近 1
8、?5)、已知高程的三星导航法、已知高程的三星导航法 ! (在海上测定海上钻井平台位置时在海上测定海上钻井平台位置时 )。6)、已知时间的三星导航法、已知时间的三星导航法!(外接原子钟外接原子钟 )。7)、已知高程和时间的二星导航法、已知高程和时间的二星导航法 !2022年7月26日15 3 载载 波波 相相 位位 测测 量量为什么要进行载波相位测量为什么要进行载波相位测量? 对于对于P码码 : = 29.3 m ; 对于对于C/A码码 : = 293 m ; 而而 L1载波载波 : 1 = 19 Cm ; L2载波载波 : 2 = 24 Cm ; 80年代末期年代末期,Trimble首先首先推
9、出对载波相位进行测量的推出对载波相位进行测量的大地型大地型GPS接收机。接收机。 L2P2 D (t) L1C/A P1 2022年7月26日16载波相位测量的特点载波相位测量的特点 ：1) 、精度高。、精度高。( 对载波进行测量对载波进行测量,其精度可其精度可达达1 mm 2 mm ) 。 2) 、解算麻烦。、解算麻烦。( 整周模糊度整周模糊度 N0 的确定的确定 ) L2P2 D (t) L1C/A P1 2022年7月26日17)cos()()()()sin()()()cos()()()(22211111LLiiPLLLiiCLLiiPLttDtPBtSttDtCAttDtPAtS接收机
10、接收到的载波信号接收机接收到的载波信号2022年7月26日18 接收机接收到的载波信号接收机接收到的载波信号: tAtXcos tAtXcos调制调制2022年7月26日19重建载波重建载波 :设法将调制在载波上的测距码和导设法将调制在载波上的测距码和导航电文去掉航电文去掉 ,重新获得载波的过程。重新获得载波的过程。 tAtXcos tAtXcos解解 调调2022年7月26日20 重建载波的方法重建载波的方法 1)、码相关法、码相关法 (三因素法三因素法 ) tAtXcos tAtXcos tAtXcos tAtXcos再调制再调制调制调制2022年7月26日21码相关法码相关法(三因素法三
11、因素法 )如图所示：如图所示：2022年7月26日22码相关法的特点码相关法的特点 : v1)、必须要掌握测距码的结构。、必须要掌握测距码的结构。v2)、可以获得导航电文。、可以获得导航电文。v3)、可以获得全波长的载波。、可以获得全波长的载波。v4)、获得观测值的信噪比最好。、获得观测值的信噪比最好。2022年7月26日232)平方法平方法 (白噪声法白噪声法 ) 所谓平方法即是将所谓平方法即是将接收机接收到的卫星信接收机接收到的卫星信号进行自乘。号进行自乘。公式如下：公式如下： ;2cos22cos2222tAAtAtX 图 1. 平方法 2022年7月26日24平方法的特点平方法的特点
12、: 1）不必知道测距码的结构。）不必知道测距码的结构。 2）去掉测距码的同时亦失去了导航电文。）去掉测距码的同时亦失去了导航电文。 3）获得的载波频率是原来的两倍大获得的载波频率是原来的两倍大 , ,所所以波长减小到原来的以波长减小到原来的1/21/2，使整周模糊度，使整周模糊度( ( N0 ) )的确定产生困难。的确定产生困难。4) 4) 获得载波的信噪比较差。获得载波的信噪比较差。5)5) 无法获得伪距观测值。无法获得伪距观测值。2022年7月26日253) 、互相关法（双频接收机）、互相关法（双频接收机） 对于对于L L1 1载波的重建方法仍然采用载波的重建方法仍然采用C/AC/A码的码
13、相关码的码相关处理技术重建处理技术重建L L1 1载波。载波。 L L2 2载波上的载波上的P P（Y)Y)码结构保密，但是它同码结构保密，但是它同L L1 1载波载波上的上的P P（Y Y）码结构是相同的。）码结构是相同的。 电离层对两种频率的影响不同，造成的到达接收电离层对两种频率的影响不同，造成的到达接收机天线的时差机天线的时差，距离差（，距离差（ 1 1- - 2 2 = c = c ) )。 接收机只有先对接收机只有先对P P1 1码调整一个时间延迟码调整一个时间延迟，与，与 L L2 2上上P P2 2 码相关处理，当相关系数取得最大时码相关处理，当相关系数取得最大时=。 获取两个
14、频率间的伪距差和相位差获取两个频率间的伪距差和相位差 , ,从而获得从而获得P P2 2码伪距观测值差和码伪距观测值差和L L2 2 载波。载波。2022年7月26日26互相关法的特点：互相关法的特点：1)1)、无需了解、无需了解P P（Y Y）码的结构。）码的结构。2)2)、可获得导航电文。、可获得导航电文。3)3)、可获得双频伪距观测值。、可获得双频伪距观测值。4)4)、可获得全波波长的双频载波。、可获得全波波长的双频载波。5)5)、所获得的信号质量较平方法好。、所获得的信号质量较平方法好。注注: :另外还有另外还有Z Z跟踪法跟踪法(Z-Tracking)(Z-Tracking)等等,
15、,此处略。此处略。2022年7月26日27一、测量原理一、测量原理载波相位测量的载波相位测量的 观测量观测量 ？ 在在 t 0 时：时：)()()(kjkkkkjkttt jjkkjkNttt0000)()( jjkjkNtt000N0Fr0N0Int( )iFrit0ti2022年7月26日28N0F r0N0In t()iF rit0ti载波相位测量观测值载波相位测量观测值2022年7月26日29在在 t i时：时： Int()表示表示整波长的变化量整波长的变化量 ,在信号跟踪过程中如果没有发在信号跟踪过程中如果没有发生信号失锁时生信号失锁时 , Int()是可以计是可以计录下来录下来 。
16、在这里只有。在这里只有 N0j 为未为未知数知数 , 所以称之为所以称之为 : 初始整周模糊度初始整周模糊度 或或 ( 初始整周未知数初始整周未知数 )。 )()()(0IntNtttjijkikijk )(0IntNttjijkijkN0F r0N0In t( )iF rit0ti2022年7月26日30二、观测方程二、观测方程)(aatT)(bbtTjk)()(ajbkjktt因为有：因为有：;,bbbaaaVtTVtT则有：则有：);()(aajbbkjkVTVT又因为：又因为：;)()(tfttt;abTT所以有：所以有：;)()(fTTajbk又因为：又因为：);(1TIjkc代入整
17、理最后有：代入整理最后有：;jkTIabjkjkNcfcfVfVfcf2022年7月26日31 现顾及载波相位的整周数现顾及载波相位的整周数 : 则测站则测站 k对卫星对卫星 j 的的 载波相位测量的观载波相位测量的观测方程式测方程式为为 :式中各符号的意义式中各符号的意义 !);(0IntNVfVfjTcfIcfbacfjk)(0IntNNjjk返回返回2022年7月26日32三、初始整周未知数三、初始整周未知数N0的确定方法的确定方法的值的值: 实数实数 凑整凑整 整数整数 | | | | 实数解实数解 整数解整数解凑整方法凑整方法 : 1)四舍五入法。四舍五入法。2)取取N03mN内的整
18、数。内的整数。实数解和整数解的不同使用实数解和整数解的不同使用!1、伪距法、伪距法: 00N2、将设为未知数法。将设为未知数法。0N3、多普勒法、多普勒法(三差法三差法 ) 。4、快速确定整周未知数法。、快速确定整周未知数法。(以数理统计理论中以数理统计理论中参数估计参数估计和和假设检验假设检验为基础为基础)2022年7月26日33四、整周跳变及其产生的原因四、整周跳变及其产生的原因1、有关概念、有关概念 信号失锁信号失锁; 整周跳变整周跳变(周跳周跳 ) Int()有误差有误差 ; 整周跳变的修复整周跳变的修复;2、整周跳变产生的若干原因、整周跳变产生的若干原因1).卫星信号发生失锁。卫星信
19、号发生失锁。2).接收机故障，使差频信号无法产生。接收机故障，使差频信号无法产生。3).卫星信号信噪比过低卫星信号信噪比过低(外界信号的干扰外界信号的干扰) ,导致整周导致整周 计数产生错误。计数产生错误。4).接收机在高速动态环境下接收机在高速动态环境下,无法正确跟踪卫星信号。无法正确跟踪卫星信号。2022年7月26日343、整周跳变修复的方法、整周跳变修复的方法2)、用高次差或多项式拟合法、用高次差或多项式拟合法 (见表格见表格 ) 。3)、卫星间求差法。、卫星间求差法。1)、屏幕扫描法、屏幕扫描法(即：即： Int()的变化率应该呈现的变化率应该呈现 连续性连续性 ) 。2022年7月2
20、6日354)、利用双频观测值修复周跳、利用双频观测值修复周跳 (又称电离层残差法又称电离层残差法 ) (当两个观测值都有周跳时当两个观测值都有周跳时,不能使用该法不能使用该法)5)、根据平差后的残差发现和修复周跳。、根据平差后的残差发现和修复周跳。;/122122112211fcfAcfANffNff2fAf电离层误差可示为：电离层误差可示为： 所以有：所以有：11111111NcfcfVfVfcfTfba22222222NcfcfVfVfcfTfba2022年7月26日362022年7月26日37 4 GPS绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位一、静态绝对定位一、静态绝对定位1、伪距观测方程
21、式的线性化、伪距观测方程式的线性化: 现令现令: 为卫星为卫星 j 的已知坐标的已知坐标, j = 1 2 n。 和和 为测站的近似坐标及其改为测站的近似坐标及其改正数正数 , 原伪距观测方程式为原伪距观测方程式为: ;21222jjTjIjkjjjtctcZZYYXXjjjZYX,000,ZYXZYX,2022年7月26日38现用现用台劳公式台劳公式将上式展开有将上式展开有:其中其中 :;0jjTjIjKjjjjtctcZnYmXl;00jjjXXl;212020200ZZYYXXjjjj;00jjjYYm;00jjjZZn2022年7月26日39; 0jjjjLZnYmXl;0jjjTjI
22、jjtcLktc现令：现令： 并整理并整理 ,可得下式可得下式:其中其中 :2022年7月26日401111444333222111nmlnmlnmlnmlAZYXX4321LLLLL0LXA现取现取 j = 1 , 2 , 3 , 4 并用矩阵表示为：并用矩阵表示为：其中：其中：2022年7月26日41LAAAXTT11AAQTX现利用现利用参数平差原理参数平差原理可解得未知数矩阵可解得未知数矩阵 :并可解得并可解得 伪距测量中误差伪距测量中误差 (亦称亦称单位权中误差单位权中误差 )和未知数的和未知数的协因数阵协因数阵 :XXQ02022年7月26日42iiiqM0202010ttatta
23、at说明说明 :1、上式为观测一个历元解算的结果、上式为观测一个历元解算的结果,当观测当观测n个历元个历元时则共有时则共有 4n个方程式，解之即可。个方程式，解之即可。2、机钟改正数亦可设成多项式、机钟改正数亦可设成多项式 :3、利用、利用单位权中误差单位权中误差 和和未知数的协因数阵未知数的协因数阵 中的主对角线元素便可算得各中的主对角线元素便可算得各未知数的中误差未知数的中误差。0XQ2022年7月26日432、绝对定位的精度评价、绝对定位的精度评价: 利用下式可计算各利用下式可计算各未知数中误差未知数中误差 :ZYXX44434241343332312423222114131211qqq
24、qqqqqqqqqqqqqQXiiiqM02022年7月26日44),(HLB333231232221131211qqqqqqqqqQX333231232221131211qqqqqqqqqQBZYX,yx,hZYX,XQ BQTXBAQAQXQBQ),(HLB一般有：一般有：现设：现设： 的协因数阵为的协因数阵为 ; 的协因数阵为的协因数阵为 ;且有且有: ； ( 注注 : 此处此处A为系数矩阵为系数矩阵 ,其计算公式可见教材其计算公式可见教材66页页 )其中其中: 和和 的表达式分别为的表达式分别为 :2022年7月26日45 现引入现引入 精度因子精度因子 的概念（的概念（DOP值）值）
25、!例如：可称例如：可称 为影响为影响 X精度的因子精度的因子 即称即称 X方向精度因子方向精度因子。1、平面位置精度因子、平面位置精度因子HDOP : ( B L ) ( x y );110qMX11q;221122110qqHDOPqqMHiiiqM02022年7月26日462、高程精度因子、高程精度因子VDOP: 3、空间位置精度因子、空间位置精度因子PDOP:4、钟误差精度因子、钟误差精度因子TDOP:;33330qVDOPqMV;3322113322110qqqPDOPqqqMP44440qTDOPqMT2022年7月26日475、几何精度因子、几何精度因子GDOP:;44332211
26、443322110qqqqGDOPqqqqMG注注: 1).DOP值值 1/V , V为星站六面体的体积。为星站六面体的体积。 2).亦要考虑大气层对亦要考虑大气层对GPS卫星信号传播的卫星信号传播的 影响因素影响因素 (0 的大小的大小) 。2022年7月26日48GPS相对定位相对定位2022年7月26日49二、静态相对定位二、静态相对定位为什么要进行相对定位为什么要进行相对定位?测站测站 1: 测站测站 2:两坐标的精度都不太高两坐标的精度都不太高 !现求两站的坐标差现求两站的坐标差 :两站坐标差的精度却两站坐标差的精度却非常高！非常高！( 为什么为什么 ? ) 测站测站1测站测站211
27、1,ZYX222,ZYX;121212121212ZZZYYYXXX2022年7月26日50);(0IntNVfVfTcfIcfbacfAB);()()(1212ijijijtttSD卫星卫星 k卫星卫星 j测站测站1测站测站2 其消除了与卫星有关的误其消除了与卫星有关的误差差(星钟误差等星钟误差等 )影响影响,削弱了大削弱了大气传播误差气传播误差 (电离层和对流层电离层和对流层折射误差折射误差)的影响的影响 。);()()(1212ikikiktttSD载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程 :1、一次差分观测值、一次差分观测值1)、站际一次差分观测值、站际一次差分观测值2022年7月
28、26日512).星际一次差分观测值星际一次差分观测值);()(111ikijkjttSD);()(222ikijkjttSD 其消除了与接收机有关的其消除了与接收机有关的误差误差 (机钟误差等机钟误差等) 影响，削弱影响，削弱了大气传播误差了大气传播误差 (电离层和对电离层和对流层折射误差流层折射误差 ) 的影响。的影响。卫星卫星k卫星卫星 j测站测站1测站测站22022年7月26日523).历元间一次差分观测值历元间一次差分观测值);()(),(11111ijijiijttttSD 其削弱了大部分误差的其削弱了大部分误差的影响影响 , 同时消去了同时消去了N0 (初始整初始整周模糊度周模糊度
29、 )。卫星卫星 卫星卫星 测站测站1测站测站2);()(),(21212ijijiijttttSD)(it j)(1it j2022年7月26日532、二次差分观测值、二次差分观测值1).站际与星际二次差分观测值站际与星际二次差分观测值部分误差的影响得到了消除或削弱部分误差的影响得到了消除或削弱。)()()(121212ikijikjtSDtSDtDD)()()(1212ikjikjikjtSDtSDtDD2022年7月26日542).星际与历元间二次差分观测值星际与历元间二次差分观测值);()(),(11111ikjikjiikjtSDtSDttDD);,(),(),(111111iikii
30、jiikjttSDttSDttDD部分误差的影响得到了消除或削弱。同时部分误差的影响得到了消除或削弱。同时消去了消去了N0 (初始整周模糊度初始整周模糊度 )。2022年7月26日553).站际与历元间二次差分观测值站际与历元间二次差分观测值部分误差的影响得到了消除或削弱。同时部分误差的影响得到了消除或削弱。同时消去了消去了N0 (初始整周模糊度初始整周模糊度 )。);,(),(),(1112112iikiikiikttSDttSDttDD);()(),(12112112ikikiiktSDtSDttDD2022年7月26日563、三次差分观测值、三次差分观测值在三次差分观测值中已消除或削弱了
31、在三次差分观测值中已消除或削弱了GPS观观测中绝大部分误差的影响测中绝大部分误差的影响,同时消去了同时消去了N0 (初始初始整周模糊度整周模糊度 )。);()(),(12112112ikjikjiikjtDDtDDttTD);,(),(),(112112112iikiijiikjttDDttDDttTD);,(),(),(1112112iikjiikjiikjttDDttDDttTD2022年7月26日57可以利用差分观测值求解基线向量：可以利用差分观测值求解基线向量： 121212,ZYX121212,ZYX121212,ZYX1、二次差分观测值、二次差分观测值 此时称为：此时称为：双差解双
32、差解(包括实数解和整数解包括实数解和整数解 ) 。2、三次差分观测值三次差分观测值 此时称为：此时称为：三差解三差解。其公式推导可见书其公式推导可见书 , 此处略此处略 !2022年7月26日58对观测值求差分方法的缺点：对观测值求差分方法的缺点：1.数据利用率低数据利用率低(只有同步观测值才可求差只有同步观测值才可求差)。2.引入基线矢量替代了位置矢量。引入基线矢量替代了位置矢量。3.观测值间具有了相关性，使问题复杂化。观测值间具有了相关性，使问题复杂化。 (进行参数估计时，权阵复杂了！进行参数估计时，权阵复杂了！)4 .某些参数无法求出。某些参数无法求出。 (某些参数在差分观测值中被消除！
33、某些参数在差分观测值中被消除！)2022年7月26日59 5 美国的美国的GPS政策政策一、美国的一、美国的SA和和AS政策政策美国提供的美国提供的GPS服务有服务有:1、精密定位服务、精密定位服务 ( PPS ) 使用使用P码进行测量定位码进行测量定位,单点定位精度优于单点定位精度优于10m。2、标准定位服务、标准定位服务 ( SPS )使用使用C/A码进行测量定位码进行测量定位,单点定位精度单点定位精度:2030m。2022年7月26日60美国的美国的SA和和AS政策政策1、SA技术技术(有选择可用性技术有选择可用性技术 )(1)、人为地将误差引入卫星钟和卫星星历数据中、人为地将误差引入卫
34、星钟和卫星星历数据中,使使SPS服务服务(C/A码码)的定位精度从的定位精度从20m降到降到100m左右。左右。(2)、在卫星钟频信号中加高频抖动、在卫星钟频信号中加高频抖动 (即即 技术技术 )。2、AS技术技术(反电子欺骗技术反电子欺骗技术) P P码码 + W+ W码码 Y Y码；码； 3、美国于、美国于1991年年7月实施月实施SA技术技术 ，并已于，并已于2000年年 5月月1日关闭日关闭 。2022年7月26日61 美国军方已掌握了美国军方已掌握了GPSGPS施加施加SASA的一种技术的一种技术, ,即即GPSGPS可以在局部区域内增加可以在局部区域内增加SASA信号强度信号强度
35、, ,使敌对方使敌对方利用利用GPSGPS卫星信号进行导航定位时严重降低实时定卫星信号进行导航定位时严重降低实时定位的精度位的精度 , ,无法用于军事行动。无法用于军事行动。 SASA和和ASAS技术对定位的影响技术对定位的影响 : :(1)(1)、降低单点定位的精度。、降低单点定位的精度。(2)(2)、降低长距离相对定位的精度。、降低长距离相对定位的精度。(3)(3)、使整周未知数的确定产生不便。、使整周未知数的确定产生不便。2022年7月26日62二、针对二、针对SA和和AS政策可采取的对策政策可采取的对策1.利用能同时接收双系统利用能同时接收双系统(GPS和和GLONASS)卫星信卫星信
36、号的接收机号的接收机(1996年年 , Ashtech公司生产的公司生产的GG24型和型和GGRTK型接收机型接收机 )，双系统接收机的优点！，双系统接收机的优点！2.发展发展DGPS和和WADGPS差分差分GPS系统。系统。3.建立独立的建立独立的GPS卫星测轨系统卫星测轨系统,提供精密星历服务。提供精密星历服务。4.建立独立的卫星导航和定位系统。建立独立的卫星导航和定位系统。2022年7月26日63三、三、GPS现代化现代化 1、在、在L2载波载波 ( f2=1227.60MHZ )上加载上加载C/A码。码。2、开播第三民用信号、开播第三民用信号L5(f5 = 1176.45MHZ) .改
37、改善接受善接受SPS服务用户的定位精度服务用户的定位精度 (有利于提高有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性民用实时定位的精度和导航的安全性 )。3、对于、对于PPS服务中提供新的军用码服务中提供新的军用码 ( M码码 ),其比现有的其比现有的P码码(或或Y码码 )功率大。功率大。 在在L2载波载波 上加载上加载C/A码的好处码的好处:1 1、民间用户可精确而实时的进行伪距电离层延迟改正。、民间用户可精确而实时的进行伪距电离层延迟改正。2 2、有效地消除了多路径误差的影响。（对、有效地消除了多路径误差的影响。（对GPSGPS在城市中、在城市中、山区、河流和海洋中进行精密测量和导航开创了有利
38、条件山区、河流和海洋中进行精密测量和导航开创了有利条件) )3 3、大大降低了双频载波相位观测值的周跳发生率。用来求、大大降低了双频载波相位观测值的周跳发生率。用来求解模糊度的时间将至少减少到原来的一半解模糊度的时间将至少减少到原来的一半, ,提高了工作效率。提高了工作效率。 ( (对于静态测量、快速静态测量、准动态测量、对于静态测量、快速静态测量、准动态测量、RTKRTK测量和测量和放样等测量模式带来了高质量、高精度和高效率放样等测量模式带来了高质量、高精度和高效率) )4 4、有效观测到低信噪比的微弱信号。、有效观测到低信噪比的微弱信号。2022年7月26日644、于、于2000年年5月月
39、1日取消日取消SA措施。措施。5、开发最新一代的、开发最新一代的 GPS卫星卫星 ,即即:BLOCK 型卫星型卫星 ，构成，构成GPS 第三代系统。第三代系统。6、改善地面控制设备、改善地面控制设备,提高对提高对GPS卫星的监控卫星的监控能力能力,使控制网络更加稳定使控制网络更加稳定,提高定位精度。提提高定位精度。提高针对高针对伽利略伽利略(GalileoGalileo)系统的竞争力。系统的竞争力。注：计划在注：计划在2008 2008 年要发射年要发射GPS III GPS III 的第一颗试验的第一颗试验卫星。计划用近卫星。计划用近20 20 年时间完成年时间完成GPS IIIGPS II
40、I计划计划, , 取代取代目前的目前的GPS GPS 。2022年7月26日65 6 差分差分GPS定位原理定位原理基本思想基本思想 (与前面差分方法不一样与前面差分方法不一样 ) ！在在GPS测量定位中的测量定位中的三大误差源三大误差源 :(1)、与卫星有关的误差、与卫星有关的误差 (如卫星钟误差、卫星星历如卫星钟误差、卫星星历误差等误差等 )。(2)、与信号传播有关的误差、与信号传播有关的误差 (电离层折射误差、对电离层折射误差、对流层折射误差等流层折射误差等 )。(3)、与接收机有关的误差、与接收机有关的误差 (内部噪声误差、多路径内部噪声误差、多路径效应误差等效应误差等 )。2022年
41、7月26日66 差分差分GPS定位原理定位原理2022年7月26日67一、单站一、单站GPS差分差分 (SRDGPS)1、位置差分原理、位置差分原理 ZYX,000,ZYX;000ZZZYYYXXXkkkZYX,;ZZZYYYXXXkkkkkk现设基准站的精密坐标为现设基准站的精密坐标为 : 而基准站的施测坐标为而基准站的施测坐标为 :则其坐标改正数为则其坐标改正数为 : 基准站将坐标改正数传给用户站基准站将坐标改正数传给用户站 ,而用户站的施测而用户站的施测坐标为坐标为: 则用户站改正后坐标为则用户站改正后坐标为 : 2022年7月26日68若顾及用户位置的瞬时变化可利用下式：若顾及用户位置
42、的瞬时变化可利用下式： 位置差分的特点：位置差分的特点：(1)、计算简单，适用于各种型号、计算简单，适用于各种型号GPS接收机。接收机。(2)、基准站和用户站必须观测同一组卫星，而且基、基准站和用户站必须观测同一组卫星，而且基准站和用户站间的距离应小于准站和用户站间的距离应小于100 Km。;000ttdtZdZZZttdtYdYYYttdtXdXXXkkkkkk2022年7月26日692、伪距差分原理、伪距差分原理21202020ZZYYXXRjjjjjjjZYX,000,ZYX 现设基准站的精密坐标为现设基准站的精密坐标为 ,所观测卫星所观测卫星的坐标为的坐标为 ;其中其中 : j = 1
43、 2 n 。则卫星至基准站的真正距离为：则卫星至基准站的真正距离为：基准站的伪距观测值为基准站的伪距观测值为:则其伪距改正数：则其伪距改正数： 及其变化率：及其变化率：j0;0jjjR;/tdjj2022年7月26日70 基准站将基准站将 传给用户站传给用户站 , 用户利用用户利用 对其伪距观测值对其伪距观测值 进行改正进行改正 ：121222VtcZZYYXXpjpjpjjp);()()()(0ttdtttjjjjp),(pppZYX用户站的坐标用户站的坐标 利用下式进行计算利用下式进行计算:其中其中 : t为接收机钟差，为接收机钟差， V1为接收机噪声。为接收机噪声。jjd;jjd;j20
44、22年7月26日71伪距差分的特点：伪距差分的特点：(1)、基准站提供所有卫星的伪距改正数及其、基准站提供所有卫星的伪距改正数及其变化率，用户站可任选四颗卫星进行观测。变化率，用户站可任选四颗卫星进行观测。(2)、差分精度随距离的增加而降低。、差分精度随距离的增加而降低。 2022年7月26日723、载波相位差分原理、载波相位差分原理 载波相位差分技术亦称载波相位差分技术亦称RTK技术技术,其方法共分两类其方法共分两类: (1)、修正法、修正法 ; (2)、差分法、差分法载波相位差分的方程式载波相位差分的方程式 :上式中各符号的意义上式中各符号的意义! 载波相位差分的方法比前两种方法的精度要高
45、载波相位差分的方法比前两种方法的精度要高(可达可达 Cm级级 )。但其精度也受基准站至用户站的距。但其精度也受基准站至用户站的距离限制。离限制。dZZYYXXNNNNRpjpjpjjjpjjpjjpj212220000)()(（2022年7月26日73二、局部区域二、局部区域 GPS差分系统差分系统 ( LADGPS )基准站基准站 1基准站基准站 2基准站基准站 3基准站基准站 4用户用户3v1v4v2v用户：用户：);,(4321vvvvfv 改正信息处理方法改正信息处理方法 ：f1、加权平均值法；加权平均值法；2、最小方差法；最小方差法； 注：基准站和用户站的注：基准站和用户站的距离在距
46、离在 500Km以内可以获得以内可以获得较好的效果。较好的效果。2022年7月26日74三、广域差分系统三、广域差分系统(WADGPS)1、广域差分系统基本思想：、广域差分系统基本思想： 对对 GPS 测量中的误差源加以区分测量中的误差源加以区分 , 分别对每分别对每一中误差源予以一中误差源予以 “ 模型化模型化 ”(卫星星历误差卫星星历误差,大气延大气延时误差时误差 ,卫星钟误差卫星钟误差 ) , 然后将计算出的每一项误然后将计算出的每一项误差源的数值利用数据链传输给用户差源的数值利用数据链传输给用户 , 利用它对利用它对GPS测量定位的观测值进行改正测量定位的观测值进行改正 , 达到提高达
47、到提高 GPS 测量定位精度的目的。测量定位精度的目的。2022年7月26日752、广域差分系统工作流程：、广域差分系统工作流程： 坐标已知的监测站（若干）坐标已知的监测站（若干） 中心站中心站 数据通讯链数据通讯链 用户站。用户站。3、广域差分系统特点：、广域差分系统特点：（1）、定位精度对空间距离的敏感程度较低，一般）、定位精度对空间距离的敏感程度较低，一般距离在距离在2000Km范围内时定位精度不会明显下降。范围内时定位精度不会明显下降。（2）、在大区域内建立）、在大区域内建立WADGPS网比建立网比建立LADGPS网所需要的监测站的数目要少得多。网所需要的监测站的数目要少得多。2022
48、年7月26日76（3）、在）、在WADGPS网的覆盖区域内定位精度均匀网的覆盖区域内定位精度均匀,而且其定位精度比而且其定位精度比LADGPS要高。要高。（4）、）、 WADGPS网的覆盖区域可以扩展到不易作网的覆盖区域可以扩展到不易作用的区域用的区域,如沙漠、森林、海洋等。如沙漠、森林、海洋等。（5）、）、WADGPS所使用的硬件设备和通讯工具价所使用的硬件设备和通讯工具价格昂贵，软件技术复杂格昂贵，软件技术复杂,运行和维持费用比运行和维持费用比LADGPS要高得多。且其可靠性和安全性不如要高得多。且其可靠性和安全性不如LADGPS。2022年7月26日77 多基准站多基准站RTK的组成及功
49、能的组成及功能 :（1）GPS基准站基准站(若干个若干个):连续运行对卫星进行观测连续运行对卫星进行观测,并将观测值传输给计算中心。并将观测值传输给计算中心。（2）计算中心）计算中心:据各基准站的观测值计算区域内各误据各基准站的观测值计算区域内各误差模型差模型,并将有关数据实时地传给数据发布中心。并将有关数据实时地传给数据发布中心。（3）数据发布中心）数据发布中心:实时地将接收到的差分改正信息实时地将接收到的差分改正信息向外发布。向外发布。（4）移动站）移动站(用户用户):实时地接收数据发布中心发布的实时地接收数据发布中心发布的差分改正信息差分改正信息,结合自身的结合自身的GPS观测值观测值,
50、组成双差相位组成双差相位观测值并快速确定整周未知数和位置信息观测值并快速确定整周未知数和位置信息,完成实时完成实时定位。定位。2022年7月26日78基准站基准站1基准站基准站2 基准站基准站n计算中心计算中心数据发布中心数据发布中心移动站移动站(用户用户)多基准站多基准站RTK的原理示意图的原理示意图2022年7月26日79 本本 章章 小小 结结 1、介绍了伪距测量和载波相位测量的基本原、介绍了伪距测量和载波相位测量的基本原理。理。2、介绍了、介绍了GPS绝对定位和相对定位的基本方绝对定位和相对定位的基本方法法 (GPS相对定位、差分相对定位、差分GPS定位原理定位原理 )。3、介绍了精度