GPS动态定位原理PPT课件

星站距离 = 光速 × 码元宽度tu × 移位数
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原理：
利用同步发出的信号达到接收机的时间延迟推算 距离。
星站距离 = 光速 × GPS信号时间延迟量
信号源：GPS卫星，接收机自身同步复制 接收器：接收机自身。
复制信号快速到达(自身复制，无延迟)， GPS信号延迟到达(光速）。
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一个福尔摩斯探案的故事
本故事纯属虚构， 如有雷同，实属巧合
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整点报时， 每4秒1响
Big Ben，伦敦， 1859年建立
广播电台同 步向全英国 播报钟声
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一天，一个富家女孩被一伙 劫匪绑架，送往某处藏匿……
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木制楼梯吱吱 响，可能是个 旧听楼听。收音机， 该缓到解1一0楼下了紧吧？ 张~~~
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根据福尔摩斯的推断，警察如 神兵天降，将女孩解你 让救我们出死怎来个么明找！白到！这的？
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福尔摩斯的破案逻辑
从奇怪的13响出发推断。
广播信号：光速传播，约300,000,000m/s。 钟声：音速传播，约340m/s。
13响的构成：
• 第1响： 来自收音机 • 第2-12响：来自Big Ben和收音机 • 第13响：来自Big Ben
得到了星站距离后 如何定位？
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如果距Big Ben约1360m的10层以上旧楼很多……
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如果有两个Big Ben ……
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如果有三个Big Ben ……
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没有三个Big Ben，
但有很多
卫星！
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p)


(Nip


p i
)
含有待定点 坐标三个未 知数
整周模糊度，每 观测一个卫星就 有一个未知数
在一个历元，未知数多于方程数，无法求解，需通过多个历元观 测值求解
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1 基本原理
2 测码伪距 3 载波相位测量 4 卫星坐标
3.2 载波相位测量的观测值
由接收机 瞬间测得 的不足一 周的部分
mT 0 qTT 0TDOP
TDOP qTT
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1 基本原理
2 测码伪距 3 载波相位测量 4 卫星坐标
2.4 伪距绝对定位精度评价（续）
3、几何精度因子GDOP 综合考虑空间位置及钟差对定位结果的影响，可用几何精度因子
GDOP
GDOP qXX qYY qZZ qTT PDOP2 TDOP2
第四章 GPS定位的基本原理
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1 基本原理 2 测码伪距
3 载波测相伪距 4 卫星坐标
GPS工作的基本原理 – 距离后方交会
已知点：GPS卫星 待定点：接收机（天线）
2
1 基本原理 2 测码伪距
3 载波测相伪距 4 卫星坐标
卫星的位置
卫星至测站的距离 信号的捕获及定位计算
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1 基本原理 2 测码伪距
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1 基本原理
2 测码伪距 3 载波相位测量 4 卫星坐标
2.3 伪距绝对定位原理（续）
在测站点的近似值Xi0、 Yi0、 Zi0处泰勒级数展开，取一阶项
/ip0＋vip0

p i0

aip
Xi
bipYi

cip Zi

c ti

周跳修复的必要性
➢相位观测值中存在周跳，相当于观测值中存在粗 差，将会严重影响GPS基线解算过程中的最小二 乘估计，使基线解算失败或严重歪曲基线解算的 结果。在GPS动态定位中，如数值为1周的周跳不 修复，将会导致数十厘米的误差。这对于高精度 的GPS测量是无法接受的。
➢周跳的探测与修复是GPS载波相位数据处理中不
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5.1 概述
空 间 距 离 交 会 原 理 图
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5.1 概述
GPS卫星定位的基本原理
观测方程
P点的三维坐标（X，Y，Z）
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5.1 概述
GPS卫星定位方法分类
❖ 依据测距的原理划分： 1）伪距法定位 2）载波相位测量定位 3）差分GPS定位
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• 动态解算整周未知数的方法，其应用尚有一定的局限
5.5 GPS绝对定位与相对定位
GPS绝对定位的精度
▪ 受卫星轨道误差、钟差以及信号传 播误差等影响，定位精度较低
- 静态绝对定位精度约为米级 - 动态绝对定位精度为10-40m
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5.5 GPS绝对定位与相对定位
6
5.1 概述
GPS卫星定位方法分类（续）
❖ 根据待定点的运动状态划分：
1）静态定位：对于固定不动的待定点，将
GPS接收机安置于其上，观测数分钟乃至更长的时 间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。
2）动态定位：若以两台GPS接收机分别置于
两个待定点上，则通过一定时间的观测，可以确定 两个待定点之间的相对位置，又叫相对定位。
为单位)后即可得到λN0 。 •将整周未知数当作平差中的待定参数——经典方法

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2 GPS动态相对定位原理
虽然动态绝对定位作业简单，易于快速的实现实时定位， 但是，由于定位过程中受到卫星星历误差，钟差，及信号 传播误差等诸多因素的影响，其定位精度不高，难以满足 高精度动态定位的要求，因此，限制了其应用范围。
由于GPS测量误差具有较强的相关性，因此，可以在 GPS动态定位中引入相对定位作业的方法，即GPS动态相 对定位。该方法实际上是用两台GPS接收机，将一台接收 机安置在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的 载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值 之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位精度。而 运动点的位置是通过确定该点相对基准站的位置实现的， 这种定位方法也叫差分GPS定位。
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2 GPS动态相对定位原理
动态相对定位分为以测距码伪距为观测量的动态相对定 位和以载波相位伪距为观测量的动态相对定位。
测距码伪距相对动态定位，由安置在点位坐标精确已知 的基准站接收机测量出该点到GPS卫星的伪距D~ij ，该伪距 包含了卫星星历误差，钟差，大气折射误差等各种误差的
影响。此时，由于基准接收机位置已知，利用卫星星历数 据可计算出基准站到卫星的距离Dij ，该距离中仍包含有相
GPS
(单位：m) 3.0 2.4 24 24 4.0 0.4
1.0 34.4 103.2
DGPS(单位：m) 间距（km）
0 100 300 500 0000 0 0.04 0.13 0.22 0.25 0.25 0.25 0.25 0 0.43 1.30 2.16 0 0.73 1.25 1.60 0 0.40 0.40 0.40 0.50 0.50 0.50 0.50 0.20 0.20 0.20 0.20 0.59 1.11 1.94 2.79 1.0 1.0 1.0 1.0 1.16 1.49 2.19 2.96 3.5 4.5 6.6 8.9

来适应车队管理的需要。
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最近，越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出 现了。随着技术的进步，这些设备的功能越来越完 善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌， 尺寸也越来越小了。
消费类GPS手持机的价格从几百元到几千元不等， 它们基本上都有12个并行通道和数据功能。有些甚 至能与便携电脑相连，可以上传/下载GPS信息，并 且使用精确到街道级的地图软件，可以在PC的屏幕 上实时跟踪你的位置或自动导航。
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6．信号干扰
要给予你一个很好的定位，GPS接收器需要至少 3～5颗卫星是可见的。如果你在峡谷中或者两边高 楼林立的街道上，或者在茂密的丛林里，你可能不 能与足够的卫星联系，从而无法定位或者只能得到 二维坐标。同样，如果你在一个建筑里面，你可能 无法更新你的位置，一些GPS接收器有单独的天线可 以贴在挡风玻璃上，或者一个外置天线可以放在车 顶上，这有助于你的接收器得到更多的卫星信号。
Colorado springs
5 5
Hawaii
Ascencion
Diego Garcia
kwajalein
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3．GPS信号接收机 GPS 信号接收机的任务是：能够捕获到按
一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号， 并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号 进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从 卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星 所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位 置，甚至三维速度和时间。
在商业领域，消费类GPS主要用在勘测制图， 航空、航海导航，车辆追踪系统，移动计算机 和蜂窝电话平台等方面。
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勘测制图由一系列的定位系统组成，一般都要求 特殊的GPS设备。
在勘测方面的应用 有：结构和工程勘测、道路测 量和地质研究。收集到的数据可以以后再估算， 也可以在 野外实时使用。制图过程中使用大量的 GIS数据库的数据，还有纸质地图的数据。 许多 商业和政府机构使用GPS设备来跟踪他们的车辆 位置，这一般需要借助无线通信技术。一 些GPS 接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端

p1(Tp1 ) i (T i ) f (Tp1 T i )
于是由式（）可得
i p1
(T
)
p1(Tp1) i (T i )
f
(Tp1
Ti)
f
•
i p1
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(4.2.11)
第四章 GPS定位的基本原理
式（）中的τ是在卫星钟和接收机钟同步的情况 下，卫星信号的传播时间。由于卫星信号的发射 历元是未知的，因此需要根据已知的观测历元tp1 （顾及对流层和电离层延迟改正）按下式计算信 号的传播时间：
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第四章 GPS定位的基本原理
◆相对定位。确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台 接收机之间的相对位置的方法。可以消除许多相同或 相近的误差，定位精度较高。但其缺点是外业组织实 施较为困难，数据处理更为烦琐。在大地测量、工程 测量、地壳形变监测等精密定位领域内得到广泛的应 用。
在绝对定位和相对定位中，又都包含静 态定位和动态定位两种方式。为缩短观测时 间，提供作业效率，近年来发展了一些快速 定位方法，如准动态相对定位法和快速静态 相对定位法等。
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第四章 GPS定位的基本原理
◆根据载波相位观测观测得出的伪距 载波相位观测值：测量接收机接收到的、具有多
普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号 之间的相位差。
载波的波长远小于码的波 长，在分辨率相同(1%)的情况 下，载波相位的观测精度远较 码相位的观测精度为高。对于 L1和L2载波，其波长分别为 0.19m和0.24m，则相应的观测 精度为1.9mm和2.4mm。
i p1
c(
i p1
trop
ion )
由式（）、（）和式（）可得

差分的数据类型有伪距差分、坐标差分和相位差分三 类，前两类定位误差的相关性会随基准站与流动站的空间 距离的增加其定位精度迅速降低。故RTK采用第三种方法。
GPS测量定位技术
一、RTK的工作原理
RTK的观测模型为：
c (dT dt ) N dtrop dion dral () （8-2）
③测区附近有三个已知控制 点的情况（必须为整体平差结 果）。如下图所示，定位测量 时，仅三已知控制点和三角形 内部的精度最高，远离此三角 形则精度越低。
图8-4 三个已知点的工作范围
GPS测量定位技术
第三节 RTK流动站的组成和作用
④测区附近有四个已知点的
情况（必须为整体平差结果）。
如右图所示，定位测量时，若
（含TSC1））一套，12V60A电源（含充电器），数据链 电台一套，手机或对讲机（每台GPS接收机上配一个）， 每台GPS接收机配观测记录手簿一本；
6. 运输工具：自备汽车或租车。
GPS测量定位技术
第五节 RTK的作业方法
一、架设基准站
将基准站GPS接收机安置在开阔的地方，电台和天线架设好，连 上电缆后开机，先启动基准站，在TSC1控制器中进行：
GPS测量定位技术
一、RTK的工作原理
精密GPS定位都采用相对技术。无论是在几点间进行 同步观测的后处理(RTK)，还是从基准站将改正值及时地 传输给流动站(DGPS)都称为相对技术。以采用值的类型 为依据可分为4类：
1.实时差分GPS，精度为1 : 3m； 2.广域实时差分GPS，精度为1 : 2m； 3.精密差分GPS，精度为1 : 5cm； 4.实时精密差分GPS，精度为1 : 3cm。
①测区内仅有一个已知控制点的情况。定位测量时，仅 已知点上的精度最高,以本点为圆心，离此点越远，精度越 低，理论上讲，在半径为10km的范围内，可达到2～5cm左 右精度。其坐标转换的方法是WGS—84和BJ54的坐标相减 而得ΔX、ΔY、ΔZ。

地面监控
包括主控站、监控站和注入站，负责跟踪卫星 、计算轨道和提供时间同步信息。
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用户设备
GPS接收机，用于接收卫星信号并计算位置、 速度等信息。
GPS系统的特点
全球覆盖
GPS系统可实现全球范围内的定位 和导航。
高精度定位
利用差分技术，GPS系统可提供米 级甚至厘米级的定位精度。
实时性
GPS系统能够实时提供位置、速度 和时间等信息。
接收机的硬件和软件故障、多路径效应等， 导致接收机获取的位置信息存在误差。
地球自转和极移的影响，导致接收机获取的 位置信息存在误差。
GPS误差的处理方法
双频接收
采用双频接收技术，提高接收机的 测量精度。
差分技术
利用多个接收机同时观测同一组卫 星，通过差分算法消除公共误差， 提高测量精度。
载波相位观测
多频观测
利用多个不同频率的GPS信号进行观测，可以消除电离层误差，提高定位精度。
GPS与其他传感器的融合
惯性传感器
将GPS与惯性传感器(陀螺仪和加速度计)进行融合，可以提高定 位精度和可靠性。
地形图匹配
将GPS与地形图匹配技术进行融合，可以利用地形信息对GPS定 位结果进行修正，提高定位精度。
无线通信技术
角度计算
通过测量多个卫星信号的 相位角，可以计算出接收 机相对于卫星的方位角和 姿态角。
授时原理
时间同步
01
GPS卫星上装有原子钟，可以提供高精度的时间同步信号。
同步误差
02
由于卫星和接收机之间的时间同步存在误差，需要进行修正。
时间计算
03
通过接收机接收到卫星信号，使用修正算法对时间同步误差进
行修正，得到高精度的时间信息。

对流层延迟
由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，
使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化
称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影
响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有
关。
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多路径效应
由于接收机周围环境的影响，使得接收机 所接收到的卫星信号中还包含有各种反射 和折射信号的影响，这就是所谓的多路径 效应。
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SA (Selective availability)
美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历 精 度 技 术 、 在 GPS 基 准 信 号 中 加 入 高 频 抖 动 （ 技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS 进行导航定位时的精度。 （C/A码定位精度从 20m降100m）
卫星星历误差
在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置
所需的卫星轨道参数是通过各种类所计算出的
卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所
谓的星历误差。
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卫星钟差
卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟 的钟面时与GPS标准时间之间的误差。
卫星信号发射天线相位中心偏差
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GPS控制部分人为或计算机造成的影响
由于GPS控制部分的问题或用户在进行数 据处理时引入的误差等。
数据处理软件的影响
数据处理软件的算法不完善对定位结果的 影响。
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GPS定位方法
➢根据定位所采用的观测值 ➢根据定位的模式 ➢根据获取定位结果的时间 ➢根据定位时接收机的运动状态
建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初 期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况， 建立起了全国统一的1954年北京坐标系。该坐标系采 用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球并未依据 当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏 联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过 来的，该坐标系的高程异常是以前苏联1955年大地水 准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线 推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海 平均海水面为基准。

GPS接收机、天线、电源、数据处理软件 等
精选ppt
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§6.1 GPS卫星定位基础
2、GPS相对于经典测量技术的特点 ➢ 观测站间无需通视。大大减少测量工作的经费和时间，
也使点位的选择变得更灵活。
➢ 定位精度高。在长距离上的相对精度。
➢ 观测时间短。短基线（20Km）快速相对定位法，观测
时间几分钟。
(N0 )ipj
二者求差：
~ijpq
pq ij
(d
I
) pq ij
(dT
)
pq ij
(
N
0
) pq ij
在双差观测值中消去了接收机钟差改正数，有利于测 站坐标的求解。许多商业软件采用了双差模型。
精选ppt
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§6.1 GPS卫星定位基础
➢ 在历元间求三次差（三差）
三差模型中消去整周未知数
几种模型的对比：单差模型中观测值是不相关的，双差及 三差模型观测值是相关的。
GPS系统定位的 基本原理
测量工程与装备系: 范 百 兴
2020年12月20日
本次课程主要内容 ➢ GPS的组成 ➢ GPS的定位原理 ➢ GPS的定位误差分析 ➢ GPS误差的减弱措施 ➢ GPS接收机(GPS Receiver) ➢ GPS平差处理软件
精选ppt
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§6.1 GPS卫星定位基础
接收机噪声 其它 合计
P码
4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4
2.3 2.0 1.2 0.5 3.3
1.0 0.5 1.1 精6.4选ppt
C/A码
4.2 3.0
1.0
0.5
0.9 5.4
5.0-10.0
2.0