第三章 GPS 静态定位原理
一、 GPS 定位方法分类
1、根据定位模式:
单点定位 (绝对定位 :绝对定位是以地球质心为参考点, 测定接收机天线在 协议地球坐标系中的绝对位置。
相对定位:确定测站与某一地面参考点之间的相对位置。
差分定位:用两台 GPS 接收机,将一台接收机安设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。而运动点位置 是通过确定该点相对基准站的相对位置实现的。
2、根据定位时接收机天线的运动状态:
静态定位:如果在定位过程中, 用户接收机天线处于静止状态, 或者更明确 地说, 待定点在协议地球坐标系中的位置, 被认为是固定不动的, 那么确定这些 待定点位置的定位测量就称为静态
定位。
动态定位:如果在定位过程中, 用户接收机天线处在运动状态, 这时待定点 位置将随时间变化。确定这些运动着的待定点的位置,称为动态定位。
3、根据定位时效:
实时定位:在用户站接收到 GPS 卫星信号的同时计算出定位结果。
事后定位:在测后进行有关的数据处理,求得用户站的定位结果。
4、根据观测值类型:
伪距测量:利用 C/A码伪距或 P 码伪距作为观测量进行定位测量。
载波相位测量:利用 L1载波或 L2载波测得的载波相位伪距作为观测量进行 定位测量。
二、 GPS 静态定位原理
1、概述
GPS 测量定位的分类
A :依定位时的状态
动态定位
静态定位
B :依定位模式
绝对定位(单点定位
相对定位
差分定位
C :依定位采用的观测值
伪距测量(伪距法定位
载波相位测量
D :依时效
实时定位
事后定位
E :依确定整周模糊度的方法及观测时段的长短
常规静态定位
快速静态定位
2、静态绝对定位原理(测码伪距定位
• 静态绝对定位是在接收机天线处于静止状态下,确定测站的三维地心坐
标。
• 定位所依据的观测量,是根据码相关测距原理测定的卫星至测站间的伪 距。
• 由于定位仅需使用一台接收机,速度快,灵活方便,且无多值性问题等 优点,广泛用于低精度测量和导航。
伪距法单点定位
▪DOP 值 – Dilusion Of Precision(几何精度因子
▪PDOP (三维位置精度因子
▪HDOP (水平分量精度因子
▪VDOP (垂直分量精度因子
▪GDOP (反映卫星空间几何分布对接收机钟差和位置综合影响的精 度因子
▪TDOP (钟差精度因子
3、静态相对定位原理(测相伪距定位
静态绝对定位, 由于受到卫星轨道误差、 接收机钟不同步误差, 以及信号传 播误差等多种
因素的干扰,其定位精度较低, 2~3h C/A码伪距绝对定位精度约 为±20m ,远不能满足大地测量精密定位的要求。而静态相对定位,由于采用载 波相位观测量以及相位观测量的线性组合技术, 极大地削弱了上述各类定位误差 的影响,其定位相对精度高达 10-6~10-7,是目前 GPS 定位测量中精度最高的 一种方法,广泛应用于大地测量、精密工程测量以及地球动力学研究。
(1静态相对定位的一般概念
用两台接收机分别安置在基线的两端点, 其位置静止不动, 同步观测相同的 4颗以上 GPS 卫星, 确定基线两端点的相对位置, 这种定位模式称为静态相对定 位。
在实际工作中,常常将接收机数目扩展到 3台以上,同时测定若干条基线。 这样做不仅提高了工作效率,而且增加了观测量,提高了观测成果的可靠性。 (2载波相位观测方程及其线性化
载波相位测量(一
▪伪距测量的局限性 – 观测值的精度低
▪载波相位 (Carrier Pha – L1、 L2
载波相位测量(二
▪载波相位的测定
▪重建载波
▪码相关法
▪得到的观测值为全波(full wave
▪平方法
▪得到的观测值为半波(half wave
▪载波相位观测值
▪理想的观测方法:信号接收时刻, 卫星端卫星载波信号的相 位 (ϕS 与接收机端卫星载波信号的相位 (ϕR 之差。 从而测定 出站星距离 (D,即
▪问题:卫星端卫星载波信号的相位 (ϕS 不能直接测定。 载波相位测量(三
▪载波相位观测值(续
▪实际观测方法:信号接收时刻,接收机模拟(复制的卫星 端卫星载波信号的相位 (ΦS 与接收机端卫星载波信号的相 位 (ϕ R之差,即
▪整周跳变(周跳 – Cycle Slip
载波相位测量(四
▪整周模糊度(整周未知数 - Ambiguity
▪特性:
▪整数
▪若信号不失锁或发生周跳,则保持不变 (1 整数解 (固定解
整周未知数从理论上讲应该是一个整数, 但是, 由于各种误差的影响, 平差 求得的整周未知
数往往不是一个整数,而是一个实数。
对于短基线,当进行 1 h 以上的静态相对定位,由于测站间星历误差、大气 折射等误差具有强相关性, 相对定位可以使这些误差大大消弱; 同时也由于在较 长的观测时间, 观测卫星的几何分布会产生较大的变化, 因此能以较高的精度来 求定整周未知数。 此时, 平差求出的整周未知数一般为较接近于邻近整数的实数, 且如果整周未知数估值的中误差甚小,则可直接取相邻近的整数为整周未知数; 或者从统计检验的角度,取整周未知数估值加上 3倍的中误差 (即 为整周未知数 的整数取值范围,该范围内包含的所有整数均作为整周未知数的候选值。
(2实数解 (浮动解
对于长基线, 误差的相关性降低, 因此卫星星历、 大气折射等误差的影响难 以有效消除, 求解的整周未知数精度较低。 事实上, 整周未知数的实数解中往往 包含了一些系统误差, 此时, 再将其取为某一整数, 实际上对于相对定位精度只 会有损而无益。 所以通常对于 20 km以上的长基线通常不再考虑整周未知数的整 数性质, 直接将实数作为整周未知数的解。 由实数整周未知数获得的基线解也称 为浮动解。
1、 三差法
由载波相位观测值的线性组合可知, 当连续跟踪载波相位观测值在历元之间求差 时, 由于其含有相同的整周未知数, 求差后方程中不再含有整周未知参数, 因此 可直接解出坐标参数。但是,在两个历元之间,由于几何图形结构相近,观测方 程相关性强, 所以求差后的方程性态不好, 导致求出的坐标参数精度不高。 实际 应用时, 一般采用在测站、 卫星、 历元间求三差后的方程求解坐标未知数并将其 作为未知参数的初始值, 代入双差模型再求解整周未知数。 由于利用三差法求出 的坐标估值是具有较好近似度的初始值, 因此有益于提高双差求解整周未知数的 精度。
