GPS绝对定位解析

GPS原理与应用4.1单点定位4.2卫星的几何分布与GPS授时4.3相对定位GPS测量定位发展情况1定位模式绝对定位相对定位差分定位5天线的运动状态静态定位动态定位相对于地固坐标系3获得定位结果的时效事后定位实时定位2观测值类型伪距测量载波相位测量非差定位4数据处理方式绝对定位相对定位伪距单点定位载波静态定位伪距差分定位常规RTK广域差分定位非差精密单点定位网络RTK定位技术-X第一代第二代第三代第四代GPS测量定位方法分类§4.1单点定位单点定位简介•定义–单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法。•定位结果•－与所用星历同属一坐标系的绝对坐标。–采用广播星历时属WGS-84–采用IGS–InternationalGNSSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrames（常规测量中，测出的点位与控制点同属一个坐标系原理类似）单点定位原理1234P(X,Y,Z)+dT观测值：ρi或Φi未知参数：X,Y,Z,dT22211u1u1u22222u2u2u22233u3u3uxxyyzzxxyyzzxxyyzz22244u4u4uxxyyzzuuuctctctuct伪距单点定位1.伪距观测方程的线性化伪距观测方程的线性化形式为:jjjjtkzyxjjjjtccnml210)(2/12020200000000])()()[(/)()/(/)()/(/)()/(000ZZYYXXnZZdzdmYYdydlXXdxdjsjsjsjjjjszjjjsyjjjsx式中其中:电离层延迟对流层延迟卫星鈡差伪距观测值2.伪距单点定位的解算对任一历元同步观测的四颗卫星j=1,2,3,4,令,则方程组形式如下：tkc＝442414332313222212112111444333222111403020101111tctctctcnmlnmlnmlnmlzyxTijjjjjjzyxiLLLLLtcLXnmlnmlnmlnmlAT43210214443332221111111令0iiLXA方程组简化为：解方程求解2.伪距法绝对定位的解算当同步观测的卫星数多于四颗时，则可组成误差方程式：iiiLXAV)()(1iTiiTiLAAAX最小二乘法求解1)(iTixAAQ协因数阵iixqM0未知数的中误差伪距测量中误差•特点–优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位–缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低•应用领域–低精度导航、资源普查、军事、...伪距单点定位3.非差载波相位观测值单点定位——PPP难点：进行周跳探测修复及整周模糊度的固定。需要对各种误差进行修正Φ1Φ2Φ3Φ4P(X,Y,Z)观测值：载波相位Φi、伪距观测值Pi卫星星历：IGS精密卫星星历卫星鈡差：IGS精密卫星鈡差单点定位的误差源及应对方法•卫星星历–精密星历•卫星钟差–精密钟差、地面跟踪•电离层延迟–双频改正•对流层延迟–模型改正)()(int'ttNpk)()()()()()(int)(0tTtItdtctttNcnmlpkpkporbpitkzyxjjjj)()()()()('0tTtItdtctcnmlpkpkporbptkzyxjjjj1.ＰＰＰ观测方程的线性化2/12020200000000])()()[(/)()/(/)()/(/)()/(000ZZYYXXnZZdzdmYYdydlXXdxdjsjsjsjjjjszjjjsyjjjsx式中''P伪距载波其中：对任一历元同步观测的四颗卫星j=1,2,3,4,则方程组形式如下：)()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()(int)()()()()()(int)()()()()()(int)()()()()()(int00000000000000000000000000004444'43333'32222'21111'144444433333322222211111143214443332221114443332221114030201040302010tTtItdtctPtTtItdtctPtTtItdtctPtTtItdtctPtTtItdtcttttTtItdtcttttTtItdtcttttTtItdtctttNNNNcnmlcnmlcnmlcnmlcnmlcnmlcnmlcnmlPPPPkkorbkkorbkkorbkkorbkkorbkkorbkkorbkkorbtkzyx1.ＰＰＰ观测方程的线性化当某历元观测ｎ颗卫星时，需要列个方程。包含个未知量。2nn+4因此需要同步观测4颗以上卫星！！2.ＰＰＰ的解算当同步观测的卫星数多于四颗时，则可组成误差方程式：iiiLXAV)()(1iTiiTiLAAAX最小二乘法求解1)(iTixAAQ协因数阵iixqM0未知数的中误差伪距测量中误差精密单点定位PPP–PrecisePointPositioning–特点•主要观测值为载波相位•采用精密的卫星轨道和钟数据•采用复杂的模型–定位精度•亚分米级–用途•全球高精度测量•卫星定轨§4.2卫星几何分布及授时GPS绝对定位的定位精度主要取决于：1)卫星分布的几何图形2)观测量精度权系数阵Qx：44434241343332312423222114131211qqqqqqqqqqqqqqqqQx333231232221131211qqqqqqqqqQB空间直角坐标形式大地坐标形式RQRQxB333231232221131211sinsincoscoscos0cossincossinsincossinqqqqqqqqqQBLBLBLLBLBLBRX式中0DOPMx等效距离误差精度因子精度因子DOP(1/2)平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)及其相应的平面位置精度02211HDOPMqqHDOPH高程精度因子VDOP(VerticalDOP)及其相应的高程精度033VDOPMqVDOPV精度因子DOP(2/2)空间位置精度因子PDOP(PositionDOP)及其相应的三维定位精度0332211PDOPMqqqPDOPP接收机钟差精度因子TDOP(TimeDOP)及其钟差精度044TDOPMqTDOPT几何精度因子GDOP(GeometricDOP)及其相应的中误差02244332211)()(GDOPMTDOPPDOPqqqqGDOPG卫星几何分布对精度因子的影响精度因子与所测卫星的空间分布有关GDOP∝1/V六面体体积V最大情形：一颗卫星处于天顶，其余3颗卫星相距1200DOP值②•DOP值与定位精度•DOP值的性质–单点定位时，DOP值与所观测卫星的数量与分布有关，它所表示的是定位的几何条件–DOP值越小，定位的几何条件越好posposmURAPDOPmURA其中：为位置中误差，为用户等效距离误差。4.2.2GPS授时•1.单测站测时•2.共视法测时RStttropionjijijiVcVcVVzzyyxx222~11112121211~RStttropioniiiVcVcVVzzyyxx22222222222~RStttropioniiiVcVcVVzzyyxx§4.3相对定位静态相对定位概述①•定义确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法•定位结果与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差）及其精度信息采用广播星历时属WGS-84采用IGS精密星历时为ITRF–基线向量中含有：2个方位基准（一个水平方位，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准静态相对定位概述②•特点–优点：定位精度高–缺点：•多台接收共同作业，作业复杂•数据处理复杂•不能直接获取绝对坐标•应用–高精度测量定位及导航相对定位4.3静态相对定位参考站未知站至少两台接收机固定连续同步观测。采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量。中等长度的基线（100-500km），相对定位精度可达10-6-10-7甚至更好•单差（Single-Difference—SD）)()()()()()(12121212ijijijikikiktttSDtttSD站间单差：消除了与卫星有关的误差：如卫星钟差站间距不大时可消除大部分大气误差多测站时注意选取基站1.观测量的线性组合ti时刻载波相位观测量：kjtropkjionkjktjtkjjkjjkjjkjkjkitropkiionkiktitkiikiikiikikiVVcVcVNdZndYmdXlVVcVcVNdZndYmdXlSRSR)()()()()()()()(00pjpikjki和和,组单差观测方程：kjitropkjiionkjijitkjijikjijikjijikjikikjkjiVVcVNdZndYmdXlR,,,0,,,,,,,,,)()()(非差线性观测方程：•双差（Double-Difference—DD）星际二次差：)()()()()()()(1212121212ikikijijikijikjtttttSDtSDtDD在一次差的基础进一步消除了与接收机有关的载波相位及其钟差项注意选取基星GPS基线向量处理时常用的模型lkjitroplkjiionlkjilkjijilkjijilkjijilkjiljitropkjitropljiionkjiionljikjiljikjijiljikjijiljikjijiljikjikjiljilkjiVVNdZndYmdXlVVVVNNdZnndYmmdXll,,,,,,0,,,,,,,,,,,,,,,,0,0,,,,,,,,,,,,,,,)()()(])()[(])()[(])()[()()()()(•三差（Triple-Difference—TD）)()(),(12112112ikjikjiikjtDDtDDttTD历元间差分：在双差的基础上进一步消除了：初始整周模糊度当然还有一些其它的载波相位观测值的线性组合•差分模型的优缺点优点：•消除或减弱一些