1、Slide 1定位方法分類定位方法分類按參考點的不同位置劃分為：按參考點的不同位置劃分為：（1）絕對定位（單點定位）：在地球協議坐）絕對定位（單點定位）：在地球協議坐標系中，確定觀測站相對地球質心的位置。標系中，確定觀測站相對地球質心的位置。（2）相對定位：在地球協議坐標系中，確定）相對定位：在地球協議坐標系中，確定觀測站與地面某一參考點之間的相對位置。觀測站與地面某一參考點之間的相對位置。GPS定位方法分類定位方法分類Slide 2按用戶接收機作業時所處的狀態劃分：按用戶接收機作業時所處的狀態劃分：（1）靜態定位：在定位過程中，接收機位置）靜態定位：在定位過程中，接收機位置靜止不動，是固定的

2、。靜止狀態只是相對的，靜止不動，是固定的。靜止狀態只是相對的，在衛星大地測量中的靜止狀態通常是指待定在衛星大地測量中的靜止狀態通常是指待定點的位置相對其周圍點位沒有發生變化，或點的位置相對其周圍點位沒有發生變化，或變化極其緩慢，以致在觀測期內可以忽略。變化極其緩慢，以致在觀測期內可以忽略。（2）動態定位：在定位過程中，接收機天線）動態定位：在定位過程中，接收機天線處于運動狀態。處于運動狀態。在絕對定位和相對定位中，又都包含靜態和在絕對定位和相對定位中，又都包含靜態和動態兩種形式。動態兩種形式。GPS定位方法分類定位方法分類Slide 3GPS觀測量的基本概念觀測量的基本概念無論采取何種無論采取

3、何種GPS定位方法，都是通過定位方法，都是通過觀測觀測GPS衛星而獲得某種觀測量來實現衛星而獲得某種觀測量來實現的。的。GPS衛星信號含有多種定位信息，衛星信號含有多種定位信息，根據不同的要求，可以從中獲得不同的根據不同的要求，可以從中獲得不同的觀測量，主要包括：觀測量，主要包括：根據碼相位觀測得出的偽距。根據碼相位觀測得出的偽距。根據載波相位觀測得出的偽距。根據載波相位觀測得出的偽距。由積分多普勒計數得出的偽距。由積分多普勒計數得出的偽距。由干涉法測量得出的時間延遲。由干涉法測量得出的時間延遲。Slide 4GPS觀測量的基本概念觀測量的基本概念采用積分多普勒計數法進行定位時，所需采用積分多

4、普勒計數法進行定位時，所需觀測時間較長，一般數小時，同時觀測過觀測時間較長，一般數小時，同時觀測過程中，要求接收機的震蕩器保持高度穩定。程中，要求接收機的震蕩器保持高度穩定。干涉法測量時，所需設備較昂貴，數據處干涉法測量時，所需設備較昂貴，數據處理復雜。理復雜。這兩種方法在這兩種方法在GPS定位中，尚難以獲得廣定位中，尚難以獲得廣泛應用。泛應用。目前廣泛應用的基本觀測量主要有碼相位目前廣泛應用的基本觀測量主要有碼相位觀測量和載波相位觀測量。觀測量和載波相位觀測量。Slide 5GPSGPS偽距測量偽距測量偽距法定位是由偽距法定位是由GPS接收機在某一時刻測接收機在某一時刻測出的到四顆以上出的到

5、四顆以上GPS衛星的偽距以及已知衛星的偽距以及已知的衛星位置，采用距離交會的方法（原理的衛星位置，采用距離交會的方法（原理與觀測方程將隨后介紹）求定接收機天線與觀測方程將隨后介紹）求定接收機天線所在點的三維坐標。所在點的三維坐標。Slide 6什么叫偽距？什么叫偽距？所測偽距就是由衛星發射的測距碼信號到所測偽距就是由衛星發射的測距碼信號到達達GPS接收機的傳播時間乘以光速所得出接收機的傳播時間乘以光速所得出的量測距離。由于衛星時鐘、接收機時鐘的量測距離。由于衛星時鐘、接收機時鐘的誤差以及無線電信號經過電離層和對流的誤差以及無線電信號經過電離層和對流層中的延遲，實際測出的距離與衛星到接層中的延遲

6、，實際測出的距離與衛星到接收機的幾何距離有一定差值，因此一般稱收機的幾何距離有一定差值，因此一般稱量測出的距離為偽距。量測出的距離為偽距。用用C/A碼進行測量的偽距為碼進行測量的偽距為C/A碼偽距，碼偽距，用用P碼測量的偽距為碼測量的偽距為P碼偽距。碼偽距。Slide 7偽距法定位特點偽距法定位特點偽距法定位雖然一次定位精度不高，偽距法定位雖然一次定位精度不高，P碼碼定位誤差約為定位誤差約為10m，C/A碼定位誤差為碼定位誤差為20-30m，但因其具有定位速度快，且無但因其具有定位速度快，且無多值性問題等優點，仍然是多值性問題等優點，仍然是GPS定位系統定位系統進行導航的最基本方法。同時，所測

7、偽距進行導航的最基本方法。同時，所測偽距又可作為載波相位測量中解決整波數不確又可作為載波相位測量中解決整波數不確定問題（整周模糊度）的輔助資料。定問題（整周模糊度）的輔助資料。Slide 8sj(t1)sj(t2)XYZYiXiZiij(t1)ij(t2)GPSGPS定位的幾何關系定位的幾何關系Slide 9偽距定位觀測方程偽距定位觀測方程假設衛星至觀測站的幾何距離為假設衛星至觀測站的幾何距離為 ij，在忽略在忽略大氣影響的情況下可得相應的偽距：大氣影響的情況下可得相應的偽距：jijijijijijitctccct當衛星鐘與接收機鐘嚴格同步時，上式所確當衛星鐘與接收機鐘嚴格同步時，上式所確定的

8、偽距即為站星幾何距離。定的偽距即為站星幾何距離。 為偽距，為偽距， 為真正幾何距離，為真正幾何距離， 為接收機和衛星之間鐘為接收機和衛星之間鐘差。差。jijijitSlide 10通常通常GPS衛星的鐘差可從衛星發播的導航衛星的鐘差可從衛星發播的導航電文中獲得，經鐘差改正后，各衛星之間電文中獲得，經鐘差改正后，各衛星之間的時間同步差可保持在的時間同步差可保持在20ns以內。如果忽以內。如果忽略衛星之間鐘差影響，并考慮電離層、對略衛星之間鐘差影響，并考慮電離層、對流層折射影響，可得：流層折射影響，可得：偽距定位觀測方程偽距定位觀測方程)()()(tTtIttcjigjiijijiSlide 11

9、偽距定位觀測方程偽距定位觀測方程幾何距離幾何距離 與衛星坐標（與衛星坐標（Xs, Ys, Zs）和和接收機坐標（接收機坐標（X,Y,Z）之間有如下關系：之間有如下關系：2222ZZYYXXsss其中衛星坐標可根據衛星導航電文求得，其中衛星坐標可根據衛星導航電文求得，所以式中只包含接收機坐標三個未知數。所以式中只包含接收機坐標三個未知數。由于電離層改正數和對流層改正數可以按由于電離層改正數和對流層改正數可以按照一定的模型求解出，那么如果將接收機照一定的模型求解出，那么如果將接收機鐘差鐘差 也作為未知數，則共有四個未知數也作為未知數，則共有四個未知數。因此，接收機必須同時至少測定四顆衛。因此，接收

10、機必須同時至少測定四顆衛星的距離才能解算出接收機的三維坐標值星的距離才能解算出接收機的三維坐標值。ktSlide 12測碼偽距觀測方程的常用形式如下：測碼偽距觀測方程的常用形式如下：偽距定位觀測方程偽距定位觀測方程式中式中j為衛星數，為衛星數，j1，2，3。)()(2/1222tTtItcZZYYXXjigjijisssSlide 13第三部分第三部分 GPSGPS導航定位原理導航定位原理u偽距測量偽距測量u載波相位測量載波相位測量u絕對定位和相對定位絕對定位和相對定位u導航原理與方法導航原理與方法uGPS測量誤差來源測量誤差來源Slide 14GPSGPS載波相位測量載波相位測量載波相位測量

11、是測量接收機接收到的具有多載波相位測量是測量接收機接收到的具有多普勒頻移的載波信號，與接收機產生的參考普勒頻移的載波信號，與接收機產生的參考載波信號之間的相位差，通過相位差來求解載波信號之間的相位差，通過相位差來求解接收機位置。接收機位置。由于載波的波長遠小于碼長，由于載波的波長遠小于碼長，C/A碼碼元寬碼碼元寬度度293m，P 碼碼元寬度碼碼元寬度29.3m，而而L1載波載波波長為波長為19.03cm， L2載波波長為載波波長為24.42cm，在分辨率相同的情況下，在分辨率相同的情況下， L1載波的觀測誤載波的觀測誤差約為差約為2.0mm， L2載波的觀測誤差約為載波的觀測誤差約為2.5mm

12、。而而C/A碼觀測精度為碼觀測精度為2.9m，P碼碼為為0.29m。載波相位觀測是目前最精確的觀測方法。載波相位觀測是目前最精確的觀測方法。Slide 15載波相位觀測的主要問題：無法直接測定衛載波相位觀測的主要問題：無法直接測定衛星載波信號在傳播路徑上相位變化的整周數星載波信號在傳播路徑上相位變化的整周數，存在整周不確定性問題。此外，在接收機，存在整周不確定性問題。此外，在接收機跟蹤跟蹤GPS衛星進行觀測過程中，常常由于接衛星進行觀測過程中，常常由于接收機天線被遮擋、外界噪聲信號干擾等原因收機天線被遮擋、外界噪聲信號干擾等原因，還可能產生整周跳變現象。有關整周不確，還可能產生整周跳變現象。有

13、關整周不確定性問題，通常可通過適當數據處理而解決定性問題，通常可通過適當數據處理而解決，但將使數據處理復雜化。，但將使數據處理復雜化。載波相位測量的主要問題載波相位測量的主要問題Slide 16載波相位測量觀測方程載波相位測量觀測方程載波相位觀測的的觀測量是載波相位觀測的的觀測量是GPS接收機所接接收機所接收的衛星載波信號與接收機本振參考信號的收的衛星載波信號與接收機本振參考信號的相位差。以相位差。以 表示表示k接收機在接收機鐘接收機在接收機鐘面時刻面時刻tk時所接受到的時所接受到的j衛星載波信號的相位衛星載波信號的相位值，值， 表示表示k接收機在鐘面時刻接收機在鐘面時刻tk時所產時所產生的本

14、地參考信號的相位值，則生的本地參考信號的相位值，則k接收機在接收機在接收機鐘面時刻接收機鐘面時刻tk時觀測時觀測j衛星所取得的相位衛星所取得的相位觀測量可寫為：觀測量可寫為： kjkt kkt kkkjkkjktttSlide 17載波相位測量觀測方程載波相位測量觀測方程通常的相位測量或通常的相位測量或相位差測量只是測相位差測量只是測出一周以內的相位出一周以內的相位值，實際測量中，值，實際測量中，如果對整周進行計如果對整周進行計數，則自某一初始數，則自某一初始取樣時刻（取樣時刻（t0）以以后就可以取得連續后就可以取得連續的相位觀測值。的相位觀測值。Sj(t0)Sj(ti)0N0kN0Int()

15、iSlide 18載波相位測量觀測方程載波相位測量觀測方程t0 時刻和時刻和tk 時刻的相位觀測值可以寫成：時刻的相位觀測值可以寫成： jkjkjkNttt0000 IntNtttjikijkijk0接收機在跟蹤衛星信號時，不斷測定小于接收機在跟蹤衛星信號時，不斷測定小于一周的相位差，并利用整周計數器記錄從一周的相位差，并利用整周計數器記錄從t0 到到tk 時間內的整周數變化量時間內的整周數變化量Int( )，這這一時間段內，要求衛星信號沒有中斷。如一時間段內，要求衛星信號沒有中斷。如果過程中衛星失鎖了，那要采取其他方法果過程中衛星失鎖了，那要采取其他方法進行處理。進行處理。Slide 19載

16、波相位測量觀測方程載波相位測量觀測方程載波相位觀測量是接收機和衛星位置的函數載波相位觀測量是接收機和衛星位置的函數，只有得到了它們之間的函數關系，才能從，只有得到了它們之間的函數關系，才能從觀測量中求解接收機的位置。觀測量中求解接收機的位置。前述的相位差觀測量都是時間的函數，那么前述的相位差觀測量都是時間的函數，那么如何引入接收機和衛星位置？如何引入接收機和衛星位置？衛星信號從衛星傳播到接收機需要一定時間衛星信號從衛星傳播到接收機需要一定時間，稱為傳播延遲，稱為傳播延遲 kj(T)。在地固坐標系中，在地固坐標系中，傳播延遲是接收機與衛星位置的函數，也是傳播延遲是接收機與衛星位置的函數，也是時間

17、的函數。時間的函數。 TttcTttTjkkkjkjkkkjkjk/1Slide 20載波相位測量觀測方程載波相位測量觀測方程將載波相位觀測量方程展開，表達為時間、將載波相位觀測量方程展開，表達為時間、衛星至接收機的距離、載波頻率的函數，同衛星至接收機的距離、載波頻率的函數，同時考慮電離層和對流層對衛星信號傳播的影時考慮電離層和對流層對衛星信號傳播的影響，并做一定簡化，可以得到載波相位測量響，并做一定簡化，可以得到載波相位測量的觀測方程：的觀測方程：)()()()()()(11 )(11)()(0tNtTtIcfttftttcftctcftjkjkpjkjkjkjkjkijkSlide 21整

18、周未知數和整周跳變整周未知數和整周跳變確定整周未知數確定整周未知數N0是載波相位測量的一項是載波相位測量的一項重要工作，常用的方法有下列幾種：重要工作，常用的方法有下列幾種：1、偽距法、偽距法2、經典方法將整周未知數作為待定參數、經典方法將整周未知數作為待定參數求解求解3、多普勒法（三差法）、多普勒法（三差法）4、快速確定整周未知數法、快速確定整周未知數法Slide 22整周未知數和整周跳變整周未知數和整周跳變1、偽距法、偽距法偽距法是在進行載波相位測量的同時又進偽距法是在進行載波相位測量的同時又進行了偽距測量，將偽距觀測值減去載波相行了偽距測量，將偽距觀測值減去載波相位測量的實際觀測值（化為

19、以距離為單位位測量的實際觀測值（化為以距離為單位）后即可得到）后即可得到N0。但由于偽距測量的但由于偽距測量的精度較低，所以要有較多的觀測值取平均精度較低，所以要有較多的觀測值取平均值后才能獲得正確的整波段數。值后才能獲得正確的整波段數。Slide 23整周未知數和整周跳變整周未知數和整周跳變2、經典方法、經典方法把整周未知數當作平差計算中的待定參數來加把整周未知數當作平差計算中的待定參數來加以估計和確定。分兩種方法：以估計和確定。分兩種方法：（1）整數解）整數解 由于誤差影響，解得得整周未知數往往不是一由于誤差影響，解得得整周未知數往往不是一個整數，然后將其固定為整數，并重新進行平個整數，然

20、后將其固定為整數，并重新進行平差計算。也稱為固定解（差計算。也稱為固定解（fixed solution）（2）實數解）實數解當誤差消除得不夠完全時，整周未知數無法估當誤差消除得不夠完全時，整周未知數無法估計很準確，此時直接將實數解作為最后解。也計很準確，此時直接將實數解作為最后解。也稱為浮點解（稱為浮點解（floating solution）Slide 24整周未知數和整周跳變整周未知數和整周跳變3、多普勒法（三差法）、多普勒法（三差法）由于連續跟蹤的所有載波相位測量觀測值中均由于連續跟蹤的所有載波相位測量觀測值中均含有相同的整周未知數，所以將相鄰兩個觀測含有相同的整周未知數，所以將相鄰兩個觀

21、測歷元的載波相位相減，就將該未知數消去，從歷元的載波相位相減，就將該未知數消去，從而直接接觸坐標參數，這就是多普勒法。而直接接觸坐標參數，這就是多普勒法。由于三差法可以消除許多誤差，所以使用較廣由于三差法可以消除許多誤差，所以使用較廣泛。泛。Slide 25整周未知數和整周跳變整周未知數和整周跳變4、快速確定整周位置數法、快速確定整周位置數法1990年年E.Frei和和G.Beutler提出了快速模糊度提出了快速模糊度（即整周未知數）解算法進行快速定位的方法（即整周未知數）解算法進行快速定位的方法。采用這種方法進行短基線定位時，利用雙頻。采用這種方法進行短基線定位時，利用雙頻接收機只需觀測一分

22、鐘便能成功的確定整周未接收機只需觀測一分鐘便能成功的確定整周未知數。知數。Slide 26整周未知數和整周跳變整周未知數和整周跳變如果在跟蹤衛星過程中，由于某種原因，如如果在跟蹤衛星過程中，由于某種原因，如衛星信號被障礙物擋住而暫時中斷，受無線衛星信號被障礙物擋住而暫時中斷，受無線電信號干擾造成失鎖，這樣計數器無法連續電信號干擾造成失鎖，這樣計數器無法連續計數，因此，當信號重新被跟蹤后，整周計計數，因此，當信號重新被跟蹤后，整周計數就不正確，但是不到一個整周的相位觀測數就不正確，但是不到一個整周的相位觀測值仍是正確的，這種現象稱為周跳。值仍是正確的，這種現象稱為周跳。Slide 27整周未知數

23、和整周跳變整周未知數和整周跳變周跳的出現和處理是載波相位測量中的重要周跳的出現和處理是載波相位測量中的重要問題，整周跳變的探測與修復常用的方法有問題，整周跳變的探測與修復常用的方法有下列幾種方法：下列幾種方法：1、屏幕掃描法（也就是手工編輯）、屏幕掃描法（也就是手工編輯）2、多項式擬合法、多項式擬合法3、衛星間求差法、衛星間求差法4、根據平差后的殘差發現和修復整周跳變、根據平差后的殘差發現和修復整周跳變關于周跳探測與回復的方法，此處不進行詳關于周跳探測與回復的方法，此處不進行詳細介紹，可參見有關參考資料。細介紹，可參見有關參考資料。Slide 28第三部分第三部分 GPSGPS導航定位原理導航

24、定位原理u偽距測量偽距測量u載波相位測量載波相位測量u絕對定位和相對定位絕對定位和相對定位u導航原理與方法導航原理與方法uGPS測量誤差來源測量誤差來源Slide 29絕對定位也稱單點定位，是指在協議地球坐絕對定位也稱單點定位，是指在協議地球坐標系中，直接確定觀測站相對于坐標原點（標系中，直接確定觀測站相對于坐標原點（地球質心）絕對坐標的一種方法。地球質心）絕對坐標的一種方法。絕對定位的基本原理：以絕對定位的基本原理：以GPS衛星和用戶接衛星和用戶接收機天線之間的距離（或距離差）觀測量為收機天線之間的距離（或距離差）觀測量為基礎，根據已知的衛星瞬時坐標，來確定接基礎，根據已知的衛星瞬時坐標，來

25、確定接收機天線所對應的點位，即觀測站的位置。收機天線所對應的點位，即觀測站的位置。GPS絕對定位方法的實質是測量學中的空間絕對定位方法的實質是測量學中的空間距離后方交會。原則上觀測站位于以距離后方交會。原則上觀測站位于以3顆衛顆衛星為球心，相應距離為半徑的球與觀測站所星為球心，相應距離為半徑的球與觀測站所在平面交線的交點上。在平面交線的交點上。絕對定位方法概述絕對定位方法概述Slide 30GPS相對定位也叫差分相對定位也叫差分GPS定位，是至少用兩臺定位，是至少用兩臺GPS接收機，同步觀測相同的接收機，同步觀測相同的GPS衛星，確定兩衛星，確定兩臺接收機天線之間的相對位置（坐標差）。臺接收機

26、天線之間的相對位置（坐標差）。相對定位時，用兩臺接收機分別安置在基線的兩相對定位時，用兩臺接收機分別安置在基線的兩端，同步觀測相同的端，同步觀測相同的GPS衛星，以確定基線端點衛星，以確定基線端點的相對位置或基線向量。同樣，多臺接收機安置的相對位置或基線向量。同樣，多臺接收機安置在若干條基線的端點，通過同步觀測在若干條基線的端點，通過同步觀測GPS衛星可衛星可以確定多條基線向量。在一個端點坐標已知的情以確定多條基線向量。在一個端點坐標已知的情況下，可以用基線向量推求另一待定點的坐標。況下，可以用基線向量推求另一待定點的坐標。相對定位是目前相對定位是目前GPS定位中精度最高的一種定位定位中精度最

27、高的一種定位方法。方法。相對定位方法概述相對定位方法概述Slide 31絕對定位可根據天線所處的狀態分為動絕對定位可根據天線所處的狀態分為動態絕對定位和靜態絕對定位。無論動態態絕對定位和靜態絕對定位。無論動態還是靜態，絕對定位所依據的觀測量都還是靜態，絕對定位所依據的觀測量都是所測的站星偽距。動態定位將在后面是所測的站星偽距。動態定位將在后面的導航部分講述。的導航部分講述。靜態絕對定位可以根據偽距觀測量或載靜態絕對定位可以根據偽距觀測量或載波相位觀測量來進行。波相位觀測量來進行。靜態絕對定位靜態絕對定位Slide 32利用偽距觀測量進行靜態絕對定位時，通過利用偽距觀測量進行靜態絕對定位時，通過

28、連續地在不同歷元觀測不同的衛星，測定衛連續地在不同歷元觀測不同的衛星，測定衛星到觀測站的偽距，獲得充分的多余觀測量星到觀測站的偽距，獲得充分的多余觀測量，然后利用偽距測量的觀測方程進行求解。，然后利用偽距測量的觀測方程進行求解。首先將偽距觀測方程線性化，展開后進行解首先將偽距觀測方程線性化，展開后進行解算并求定誤差。算并求定誤差。利用偽距進行靜態絕對定位利用偽距進行靜態絕對定位Slide 33應用載波相位進行靜態絕對定位，其精度高應用載波相位進行靜態絕對定位，其精度高于用偽距進行靜態絕對定位。于用偽距進行靜態絕對定位。在載波相位靜態絕對定位中，應注意對觀測在載波相位靜態絕對定位中，應注意對觀測

29、值加入電離層、對流層等各項改正，防止和值加入電離層、對流層等各項改正，防止和修復整周跳變，以提高定位精度。整周未知修復整周跳變，以提高定位精度。整周未知數解算后，不再為整數，可將其調整為整數數解算后，不再為整數，可將其調整為整數，解算出的觀測站坐標稱為固定解，否則稱，解算出的觀測站坐標稱為固定解，否則稱為實數解。載波相位靜態絕對定位解算的結為實數解。載波相位靜態絕對定位解算的結果可以為相對定位的參考站（或基準站）提果可以為相對定位的參考站（或基準站）提供較為精密的起始坐標。供較為精密的起始坐標。利用載波相位觀測量進行靜態絕對定位利用載波相位觀測量進行靜態絕對定位Slide 34為了評價定位結果

30、，在導航學中，一般采用為了評價定位結果，在導航學中，一般采用有關精度因子（精度衰減因子、精度系數、有關精度因子（精度衰減因子、精度系數、精度彌散）精度彌散）DOP（Dilution Of Precision）的概念。的概念。 在實踐中，根據不同要求，可在實踐中，根據不同要求，可選用不同的精度評價模型和相應的精度因子選用不同的精度評價模型和相應的精度因子，通常有：，通常有：平面位置精度因子平面位置精度因子HDOP(horizontal DOP)高程精度因子高程精度因子VDOP(Vertical DOP)空間位置精度因子空間位置精度因子PDOP(Position DOP)接收機鐘差精度因子接收機鐘

31、差精度因子TDOP(Time DOP)幾何精度因子幾何精度因子GDOP(Geometric DOP)，描述空描述空間位置誤差和時間誤差綜合影響的精度因子間位置誤差和時間誤差綜合影響的精度因子定位精度的評價定位精度的評價Slide 35相對定位也分靜態定位和動態定位。安置在基相對定位也分靜態定位和動態定位。安置在基線端點的接收機固定不動，通過連續觀測，取線端點的接收機固定不動，通過連續觀測，取得充分的多余觀測數據，改善定位精度。得充分的多余觀測數據，改善定位精度。靜態相對定位一般均采用載波相位觀測值（或測相偽距）為基本觀測量 。靜態相對定位靜態相對定位T1T2S1S2S3S4Slide 36在兩

32、個觀測站或多個觀測站同步觀測相同衛在兩個觀測站或多個觀測站同步觀測相同衛星的情況下，衛星的軌道誤差、衛星鐘差、星的情況下，衛星的軌道誤差、衛星鐘差、接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差接收機鐘差以及電離層和對流層的折射誤差等對觀測量的影響具有一定的相關性，利用等對觀測量的影響具有一定的相關性，利用這些觀測量的不同組合（求差）進行相對定這些觀測量的不同組合（求差）進行相對定位，可有效地消除或減弱相關誤差地影響，位，可有效地消除或減弱相關誤差地影響，從而提高相對定位的精度。從而提高相對定位的精度。靜態相對定位靜態相對定位Slide 37GPS載波相位觀測值可以在衛星間求差，在載波相位觀測值可以在

33、衛星間求差，在接收機間求差，也可以在不同歷元之間求差接收機間求差，也可以在不同歷元之間求差。各種求差法都是觀測值的線性組合。各種求差法都是觀測值的線性組合。將觀測值直接相減的過程叫做求一次差，所將觀測值直接相減的過程叫做求一次差，所得結果稱單差。對一次差繼續求差，所得結得結果稱單差。對一次差繼續求差，所得結果稱為雙差，同樣還有三差。這些差分觀測果稱為雙差，同樣還有三差。這些差分觀測值模型能夠有效地消除各種偏差項。值模型能夠有效地消除各種偏差項。求解過程也是首先將觀測方程線性化后求解求解過程也是首先將觀測方程線性化后求解并確定誤差。并確定誤差。靜態相對定位靜態相對定位Slide 38第三部分第三

34、部分 GPSGPS導航定位原理導航定位原理u偽距測量偽距測量u載波相位測量載波相位測量u絕對定位和相對定位絕對定位和相對定位u導航原理與方法導航原理與方法uGPS測量誤差來源測量誤差來源Slide 39導航的概念首先起源于航海事業，其最初的導航的概念首先起源于航海事業，其最初的含義是引導運載體從一個地點航行到另一個含義是引導運載體從一個地點航行到另一個地點的過程。導航的首要問題就是確定航行地點的過程。導航的首要問題就是確定航行體的即時位置，還要測定其速度、時間、姿體的即時位置，還要測定其速度、時間、姿態等狀態參數。由此可見，導航是一種廣義態等狀態參數。由此可見，導航是一種廣義的動態定位。的動態

35、定位。衛星導航是用導航衛星發射的導航定位信息衛星導航是用導航衛星發射的導航定位信息引導運動載體安全到達目的地的一門新興科引導運動載體安全到達目的地的一門新興科學。學。GPS在導航領域的應用，有著比在導航領域的應用，有著比GPS靜靜態定位更為廣闊的前景。態定位更為廣闊的前景。衛星導航概念衛星導航概念Slide 40GPS導航是一種廣義的導航是一種廣義的GPS動態定位，從目動態定位，從目前的應用看來，主要分為以下幾種方法：前的應用看來，主要分為以下幾種方法：（1）單點動態定位）單點動態定位（2）實時差分動態定位）實時差分動態定位（3）后處理差分動態定位）后處理差分動態定位GPS動態定位方法分類動態

36、定位方法分類Slide 41單點動態定位是用安設在一個運動載體上單點動態定位是用安設在一個運動載體上的的GPS信號接收機，自主地測得該運動載信號接收機，自主地測得該運動載體的實時位置，從而描述出該運動載體的體的實時位置，從而描述出該運動載體的運動軌跡。所以運動軌跡。所以單點動態定位又叫絕對動單點動態定位又叫絕對動態定位態定位。例如，行駛的汽車和火車，常用。例如，行駛的汽車和火車，常用單點動態定位。單點動態定位。GPS單點動態定位單點動態定位Slide 42實時差分動態定位是用安設在一個運動載實時差分動態定位是用安設在一個運動載體上的體上的GPS信號接收機，及安設在一個基信號接收機，及安設在一個

37、基準站上的另一臺準站上的另一臺GPS接收機，聯合測得該接收機，聯合測得該運動載體的實時位置，從而描述出該運動運動載體的實時位置，從而描述出該運動載體的運行軌跡，故載體的運行軌跡，故差分動態定位又稱為差分動態定位又稱為相對動態定位相對動態定位。例如，飛機著陸和船艦進。例如，飛機著陸和船艦進港，一般要求采用實時差分動態定位，以港，一般要求采用實時差分動態定位，以滿足它們所要求的較高定位精度。滿足它們所要求的較高定位精度。GPS實時差分動態定位實時差分動態定位Slide 43后處理差分動態定位和實時差分動態定位后處理差分動態定位和實時差分動態定位的主要差別在于，在運動載體和基準站之的主要差別在于，在

38、運動載體和基準站之間，不必像實時差分動態定位那樣建立實間，不必像實時差分動態定位那樣建立實時數據傳輸，而是在定位觀測以后，對兩時數據傳輸，而是在定位觀測以后，對兩臺臺GPS接收機所采集的定位數據進行測后接收機所采集的定位數據進行測后的聯合處理，從而計算出接收機所在運動的聯合處理，從而計算出接收機所在運動載體在對應時間上的坐標位置。例如，在載體在對應時間上的坐標位置。例如，在航空攝影測量時，用航空攝影測量時，用GPS信號測量每一個信號測量每一個攝影瞬間的攝站位置，就可以采用后處理攝影瞬間的攝站位置，就可以采用后處理差分動態定位。差分動態定位。GPS后處理差分動態定位后處理差分動態定位Slide

39、44對于動態對于動態GPS用戶，除了需要確定用戶，除了需要確定GPS接接收機載體的實時位置，往往還要測定載體收機載體的實時位置，往往還要測定載體的實時航行速度。假設于歷元的實時航行速度。假設于歷元t1和和t2測定測定的載體實時位置分別為的載體實時位置分別為X1(t1)和和X2(t2)，則其運動速度可簡單地表示為：則其運動速度可簡單地表示為：由此可得載體運行方向的速度為：由此可得載體運行方向的速度為：GPS接收機載體航速的測定接收機載體航速的測定)()()()()()(111122212tZtYtXtZtYtXttZYXiiiiii21222ZYXvsSlide 45定時有著廣泛的應用。從日常生

40、活到航天發射，定時有著廣泛的應用。從日常生活到航天發射，從出外步行到航空航海，都離不開定時。從出外步行到航空航海，都離不開定時。利用利用GPS信號進行時間傳遞，一般采用兩種方信號進行時間傳遞，一般采用兩種方法：法：（1）一站單機測時：應用一臺）一站單機測時：應用一臺GPS接收機在接收機在一個已知坐標的觀測站上進行測時的方法。一個已知坐標的觀測站上進行測時的方法。（2）共視對比定時法：在兩個測站上各設一）共視對比定時法：在兩個測站上各設一臺臺GPS接收機，同步觀測同一衛星，來測定兩接收機，同步觀測同一衛星，來測定兩用戶時鐘的相對偏差，達到高精度時間比對的用戶時鐘的相對偏差，達到高精度時間比對的目

41、的。目的。GPS定時定時Slide 46第三部分第三部分 GPSGPS導航定位原理導航定位原理u偽距測量偽距測量u載波相位測量載波相位測量u絕對定位和相對定位絕對定位和相對定位u導航原理與方法導航原理與方法uGPS測量誤差來源測量誤差來源Slide 47GPSGPS測量誤差來源及其影響測量誤差來源及其影響GPS測量通過地面接收設備接收衛星傳送測量通過地面接收設備接收衛星傳送的信息來確定地面點的三維坐標。的信息來確定地面點的三維坐標。GPS定位中，影響觀測量精度的主要誤差定位中，影響觀測量精度的主要誤差來源分為三類：來源分為三類：與衛星有關的誤差。與衛星有關的誤差。與信號傳播有關的誤差。與信號傳

42、播有關的誤差。與接收設備有關的誤差。與接收設備有關的誤差。為了便于理解，通常均把各種誤差的影響為了便于理解，通常均把各種誤差的影響投影到站星距離上，以相應的距離誤差表投影到站星距離上，以相應的距離誤差表示，稱為示，稱為等效距離誤差等效距離誤差。Slide 48誤差來源誤差來源P碼碼C/A碼碼衛星衛星星歷與模型誤差星歷與模型誤差鐘差與穩定度鐘差與穩定度衛星攝動衛星攝動相位不確定性相位不確定性其它其它合計合計4.23.01.00.50.95.44.23.01.00.50.95.4信號傳播信號傳播電離層折射電離層折射對流層折射對流層折射多路徑效應多路徑效應其它其它合計合計2.32.01.20.53.

43、35.0-10.02.01.20.55.5-10.3接收機接收機接收機噪聲接收機噪聲其它其它合計合計1.00.51.17.50.57.5總計總計6.410.8-13.6GPS測量誤差分類及其對距離影響測量誤差分類及其對距離影響Slide 49按誤差性質分類按誤差性質分類上述誤差，按誤差性質可分為上述誤差，按誤差性質可分為系統誤差系統誤差與與偶然偶然誤差誤差兩類。偶然誤差主要包括信號的多路徑效兩類。偶然誤差主要包括信號的多路徑效應，系統誤差主要包括衛星的星歷誤差、衛星應，系統誤差主要包括衛星的星歷誤差、衛星鐘差、接收機鐘差以及大氣折射的誤差等。其鐘差、接收機鐘差以及大氣折射的誤差等。其中系統誤差

44、無論從誤差的大小還是對定位結果中系統誤差無論從誤差的大小還是對定位結果的危害性都比偶然誤差要大得多，它是的危害性都比偶然誤差要大得多，它是GPS測測量的主要誤差源。同時系統誤差有一定的規律量的主要誤差源。同時系統誤差有一定的規律可循，可采取一定的措施加以消除。可循，可采取一定的措施加以消除。系統誤差是由于儀器本身不精確、或實驗方法粗略、系統誤差是由于儀器本身不精確、或實驗方法粗略、或實驗原理不完善而產生的。或實驗原理不完善而產生的。 偶然誤差是由各種偶然因素對實驗者、測量儀器、被偶然誤差是由各種偶然因素對實驗者、測量儀器、被測物理量的影響而產生的。測物理量的影響而產生的。Slide 50與衛星

45、有關的誤差與衛星有關的誤差（1）衛星鐘差）衛星鐘差GPS觀測量均以精密測時為依據。觀測量均以精密測時為依據。GPS定位中，定位中，無論碼相位觀測還是載波相位觀測，都要求衛無論碼相位觀測還是載波相位觀測，都要求衛星鐘與接收機鐘保持嚴格同步。實際上，盡管星鐘與接收機鐘保持嚴格同步。實際上，盡管衛星上設有高精度的原子鐘，仍不可避免地存衛星上設有高精度的原子鐘，仍不可避免地存在鐘差和漂移，偏差總量約在在鐘差和漂移，偏差總量約在1 ms內，引起內，引起的等效距離誤差可達的等效距離誤差可達300km。衛星鐘的偏差一般可通過對衛星運行狀態的連衛星鐘的偏差一般可通過對衛星運行狀態的連續監測精確地確定，并用二階

46、多項式表示：續監測精確地確定，并用二階多項式表示： tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的參數由式中的參數由主控站測定，通過衛星的導航電文提供給用戶。主控站測定，通過衛星的導航電文提供給用戶。Slide 51與衛星有關的誤差與衛星有關的誤差（2）衛星軌道偏差：）衛星軌道偏差：由于衛星在運動中受多種攝動力的復雜影響，由于衛星在運動中受多種攝動力的復雜影響，而通過地面監測站又難以可靠地測定這些作而通過地面監測站又難以可靠地測定這些作用力并掌握其作用規律，因此，衛星軌道誤用力并掌握其作用規律，因此，衛星軌道誤差的估計和處理一般較困難。目前，通過導差的估計和處理一般較困難。目前，

47、通過導航電文所得的衛星軌道信息，相應的位置誤航電文所得的衛星軌道信息，相應的位置誤差約差約20-40m。隨著攝動力模型和定軌技術隨著攝動力模型和定軌技術的不斷完善，衛星的位置精度將可提高到的不斷完善，衛星的位置精度將可提高到5-10m。衛星的軌道誤差是當前衛星的軌道誤差是當前GPS定位的重定位的重要誤差來源之一。要誤差來源之一。Slide 52衛星信號傳播誤差衛星信號傳播誤差（1）電離層折射影響：主要取決于信號頻率和傳播路）電離層折射影響：主要取決于信號頻率和傳播路徑上的電子總量。通常采取的措施：徑上的電子總量。通常采取的措施：利用雙頻觀測：電離層影響是信號頻率的函數，利用利用雙頻觀測：電離層

48、影響是信號頻率的函數，利用不同頻率電磁波信號進行觀測，可確定其影響大小，不同頻率電磁波信號進行觀測，可確定其影響大小，并對觀測量加以修正。其有效性不低于并對觀測量加以修正。其有效性不低于95%.利用電離層模型加以修正：對單頻接收機，一般采用利用電離層模型加以修正：對單頻接收機，一般采用由導航電文提供的或其它適宜電離層模型對觀測量進由導航電文提供的或其它適宜電離層模型對觀測量進行改正。目前模型改正的有效性約為行改正。目前模型改正的有效性約為75%，至今仍在，至今仍在完善中。完善中。利用同步觀測值求差：當觀測站間的距離較近（小于利用同步觀測值求差：當觀測站間的距離較近（小于20km）時，衛星信號到

49、達不同觀測站的路徑相近，通時，衛星信號到達不同觀測站的路徑相近，通過同步求差，殘差不超過過同步求差，殘差不超過10-6。Slide 53衛星信號傳播誤差衛星信號傳播誤差（2）對流層的影響）對流層的影響對流層折射對觀測量的影響可分為干分量和濕分對流層折射對觀測量的影響可分為干分量和濕分量兩部分。干分量主要與大氣溫度和壓力有關，量兩部分。干分量主要與大氣溫度和壓力有關，而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度和高而濕分量主要與信號傳播路徑上的大氣濕度和高度有關。目前濕分量的影響尚無法準確確定。對度有關。目前濕分量的影響尚無法準確確定。對流層影響的處理方法：流層影響的處理方法：定位精度要求不高時，忽略

50、不計。定位精度要求不高時，忽略不計。采用對流層模型加以改正。采用對流層模型加以改正。引入描述對流層的附加待估參數，在數據處理引入描述對流層的附加待估參數，在數據處理中求解。中求解。觀測量求差。觀測量求差。Slide 54衛星信號傳播誤差衛星信號傳播誤差（3）多路徑效應：）多路徑效應：也稱多路徑誤差，即接收機天也稱多路徑誤差，即接收機天線除直接收到衛星發射的信號外，還可能收到經天線線除直接收到衛星發射的信號外，還可能收到經天線周圍地物一次或多次反射的衛星信號。兩種信號迭加，周圍地物一次或多次反射的衛星信號。兩種信號迭加，將引起測量參考點位置變化，使觀測量產生誤差。在將引起測量參考點位置變化，使觀

51、測量產生誤差。在一般反射環境下，對測碼偽距的影響達米級，對測相一般反射環境下，對測碼偽距的影響達米級，對測相偽距影響達厘米級。在高反射環境中，影響顯著增大，偽距影響達厘米級。在高反射環境中，影響顯著增大，且常常導致衛星失鎖和產生周跳。措施：且常常導致衛星失鎖和產生周跳。措施：安置接收機天線的環境應避開較強發射面，如水面、安置接收機天線的環境應避開較強發射面，如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。平坦光滑的地面和建筑表面。選擇造型適宜且屏蔽良好的天線如扼流圈天線。選擇造型適宜且屏蔽良好的天線如扼流圈天線。適當延長觀測時間，削弱周期性影響。適當延長觀測時間，削弱周期性影響。改善接收機的電路設計。改善接

52、收機的電路設計。Slide 55Slide 56接收設備有關的誤差接收設備有關的誤差主要包括觀測誤差、接收機鐘差、天線相主要包括觀測誤差、接收機鐘差、天線相位中心誤差和載波相位觀測的整周不確定位中心誤差和載波相位觀測的整周不確定性影響。性影響。（1）觀測誤差：除分辨誤差外，還包括）觀測誤差：除分辨誤差外，還包括接收天線相對測站點的安置誤差。分辨誤接收天線相對測站點的安置誤差。分辨誤差一般認為約為信號波長的差一般認為約為信號波長的1%。安置誤。安置誤差主要有天線的置平與對中誤差和量取天差主要有天線的置平與對中誤差和量取天線相位中心高度（天線高）誤差。例如當線相位中心高度（天線高）誤差。例如當天線

53、高天線高1.6m ,置平誤差置平誤差0.10，則對中誤差，則對中誤差為為2.8mm。Slide 57接收設備有關的誤差接收設備有關的誤差（2）接收機鐘差）接收機鐘差GPS接收機一般設有高精度的石英鐘，日頻接收機一般設有高精度的石英鐘，日頻率穩定度約為率穩定度約為10-11。如果接收機鐘與衛星。如果接收機鐘與衛星鐘之間的同步差為鐘之間的同步差為1 s，則引起的等效距離則引起的等效距離誤差為誤差為300m。處理接收機鐘差的方法：處理接收機鐘差的方法：作為未知數，在數據處理中求解。作為未知數，在數據處理中求解。利用觀測值求差方法，減弱接收機鐘差影利用觀測值求差方法，減弱接收機鐘差影響。響。定位精度要

54、求較高時，可采用外接頻標，定位精度要求較高時，可采用外接頻標，如銣、銫原子鐘，提高接收機時間標準精度。如銣、銫原子鐘，提高接收機時間標準精度。Slide 58接收設備有關的誤差接收設備有關的誤差（3）載波相位觀測的整周未知數）載波相位觀測的整周未知數無法直接確定載波相位相應起始歷元在傳播路徑無法直接確定載波相位相應起始歷元在傳播路徑上變化的整周數。同時存在因衛星信號被阻擋和上變化的整周數。同時存在因衛星信號被阻擋和受到干擾，而產生信號跟蹤中斷和整周變跳。受到干擾，而產生信號跟蹤中斷和整周變跳。（4）天線相位中心位置偏差）天線相位中心位置偏差GPS定位中，觀測值都是以接收機天線的相位中定位中，觀

55、測值都是以接收機天線的相位中心位置為準，在理論上，天線相位中心與儀器的心位置為準，在理論上，天線相位中心與儀器的幾何中心應保持一致。實際上，隨著信號輸入的幾何中心應保持一致。實際上，隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化，同時與天線的質量強度和方向不同而有所變化，同時與天線的質量有關，可達數毫米至數厘米。如何減小相位中心有關，可達數毫米至數厘米。如何減小相位中心的偏移，是天線設計的一個迫切問題。的偏移，是天線設計的一個迫切問題。Slide 59其它誤差來源其它誤差來源（1）地球自轉影響）地球自轉影響（2）相對論效應）相對論效應在在GPS定位中，除了上述各種誤差外，衛星鐘和定位中，除了上述各種誤

56、差外，衛星鐘和接收機鐘震蕩器的隨機誤差、大氣折射模型和衛接收機鐘震蕩器的隨機誤差、大氣折射模型和衛星軌道攝動模型誤差、地球潮汐以及信號傳播的星軌道攝動模型誤差、地球潮汐以及信號傳播的相對論效應等都會對觀測量產生影響。相對論效應等都會對觀測量產生影響。為提高長距離相對定位的精度，滿足地球動力學為提高長距離相對定位的精度，滿足地球動力學研究要求，研究這些誤差來源，并確定它們的影研究要求，研究這些誤差來源，并確定它們的影響規律和改正方法，有重要意義。響規律和改正方法，有重要意義。Slide 60第四部分第四部分 GPSGPS技術的作用和應用技術的作用和應用Slide 61uGPS在測量中的應用在測量

57、中的應用uGPS在公安、交通系統中的應用在公安、交通系統中的應用uGPS在地震研究中的應用在地震研究中的應用uGPS在氣象中的應用在氣象中的應用uGPS在其他領域中的應用在其他領域中的應用第四部分第四部分 GPSGPS技術的作用和應用技術的作用和應用Slide 62GPS在測量中的應用在測量中的應用1、GPS在大地控制測量中的應用在大地控制測量中的應用GPS定位技術以其精度高、速度快、費用省、操定位技術以其精度高、速度快、費用省、操作簡便等優良特性被廣泛應用于大地控制測量中。作簡便等優良特性被廣泛應用于大地控制測量中。我們一般將應用我們一般將應用GPS衛星定位技術建立的控制網衛星定位技術建立的

58、控制網叫叫GPS網。網。歸納起來，大致可以將歸納起來，大致可以將GPS網分為兩大類，一類網分為兩大類，一類是全球或全國性的高精度是全球或全國性的高精度GPS網。另一類是區域網。另一類是區域性的性的GPS網，包括城市或礦區網，包括城市或礦區GPS網，網，GPS工程工程網等。網等。Slide 63GPS在大地控制測量中的應用在大地控制測量中的應用(1)全球或全國性的高精度全球或全國性的高精度GPS網網作為大地測量的科研任務是研究地球形狀及其隨作為大地測量的科研任務是研究地球形狀及其隨時間的變化，因此建立全球覆蓋的坐標系統一的時間的變化，因此建立全球覆蓋的坐標系統一的高精度大地控制網是大地測量工作者

59、多年來一直高精度大地控制網是大地測量工作者多年來一直夢寐以求的。夢寐以求的。由于由于VLBI、SLR技術的設備昂貴且非常笨重，技術的設備昂貴且非常笨重，所以直到所以直到GPS技術逐步完善的今天才使全球覆蓋技術逐步完善的今天才使全球覆蓋的高精度的高精度GPS網得以實現，從而建立起高精度的網得以實現，從而建立起高精度的（12cm）全球統一的動態坐標框架，為大地全球統一的動態坐標框架，為大地測量的科學研究和相關地學研究打下了堅實的基測量的科學研究和相關地學研究打下了堅實的基礎。礎。Slide 64GPS在大地控制測量中的應用在大地控制測量中的應用(2)區域性區域性GPS大地控制網大地控制網所謂區域所

60、謂區域GPS網是指國家網是指國家C、D、E級級GPS網或專網或專為工程項目布測的工程為工程項目布測的工程GPS網。由于網。由于GPS技術的技術的優點，建立區域性大地控制網的手段已基本被優點，建立區域性大地控制網的手段已基本被GPS技術取代。就其作用而言分為技術取代。就其作用而言分為A、建立新的地面控制網建立新的地面控制網B、檢核和改善已有地面網檢核和改善已有地面網C、對已有的地面網進行加密；對已有的地面網進行加密；D、擬合區域大地水準面擬合區域大地水準面Slide 65GPS測量外業觀測測量外業觀測Slide 66GPS測量外業觀測測量外業觀測Slide 67GPS在精密工程測量及變形監測中的