测量原理与应用第五章学习教案

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1、会计学1测量原理测量原理(yunl)与应用第五章与应用第五章第一页，共63页。 由于接收机的位置固定不动，就有可由于接收机的位置固定不动，就有可能进行大量的重复观测，所以静态定位可能进行大量的重复观测，所以静态定位可靠性强，定位精度高，它在大地测量靠性强，定位精度高，它在大地测量(d (d d c ling)d c ling)、工程测量中得到了广泛应、工程测量中得到了广泛应用，是精密定位中的基本模式。用，是精密定位中的基本模式。 如果在定位过程中，接收机位于运如果在定位过程中，接收机位于运动着的载体，天线也处于运动状态，这种动着的载体，天线也处于运动状态，这种定位方式叫作动态定位。动态定位是用

2、定位方式叫作动态定位。动态定位是用GPSGPS信号实时地测得运动载体的位置。信号实时地测得运动载体的位置。GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用第1页/共62页第二页，共63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用 按照接收机载体的运行速度，又将按照接收机载体的运行速度，又将动态定位分成低动态动态定位分成低动态( (秒速至几十米秒速至几十米) )、中等动态中等动态( (秒速至几百米秒速至几百米) )、高动态、高动态( (秒秒速至几公里速至几公里) )三种形式。动态定位的特三种形式。动态定位的特点是测定一个动点的实时位置，多余观点是测定一个动点的实时位置，多余观测量少、定位精

3、度较低。目前在飞机、测量少、定位精度较低。目前在飞机、船舶、车辆中广泛应用的导航船舶、车辆中广泛应用的导航(dohng)(dohng)，可以说是一种广义的动态，可以说是一种广义的动态定位，它除了要求测定动点的实时位置定位，它除了要求测定动点的实时位置外，一般还要求测定运动载体的状态参外，一般还要求测定运动载体的状态参数，如速度、时间和方位等。数，如速度、时间和方位等。第2页/共62页第三页，共63页。2、单点定位和相对定位、单点定位和相对定位 1）所谓单点定位）所谓单点定位(也叫绝对定位也叫绝对定位)，就是，就是(jish)独立确定待定点在坐标系统中的绝对独立确定待定点在坐标系统中的绝对位置。

4、由于目前全球定位系统采用的是世界位置。由于目前全球定位系统采用的是世界大地坐标系统大地坐标系统WGS一一84；所以单点定位的结；所以单点定位的结果也属于该坐标系统。果也属于该坐标系统。 GPS单点定位的实质是空间距离后方交单点定位的实质是空间距离后方交会。对此，在一个测站上观测会。对此，在一个测站上观测3颗卫星获取颗卫星获取3个独立的距离观测量就够了。但是由于个独立的距离观测量就够了。但是由于GPS采用了单程测距原理，此时卫星钟与用户接采用了单程测距原理，此时卫星钟与用户接收机钟难于严格保持同步，所以实际的观测收机钟难于严格保持同步，所以实际的观测距离均含有卫星钟和接收机钟不同步的误差距离均含

5、有卫星钟和接收机钟不同步的误差影响，习惯上称之为伪距。影响，习惯上称之为伪距。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第3页/共62页第四页，共63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用 卫星钟差可以应用卫星电文中提供卫星钟差可以应用卫星电文中提供(tgng)(tgng)的钟差参数加以修正，而接收机的钟的钟差参数加以修正，而接收机的钟差难以预先确定，通常把它作为一个未知参数差难以预先确定，通常把它作为一个未知参数，与测站的坐标在数据处理中一并求解。因此，与测站的坐标在数据处理中一并求解。因此，在一个测站上为了适时求解，在一个测站上为了适时求解4 4个未知参数（个未知参数（3

6、3个点位坐标分量和个点位坐标分量和1 1个钟差系数个钟差系数) )，至少需要，至少需要4 4个同步伪距观测值。也就是说，至少必须同时个同步伪距观测值。也就是说，至少必须同时观测观测4 4颗卫星。颗卫星。第4页/共62页第五页，共63页。 单点定位的优点是只需一台接收机即可独立定位，外业观测的组织及实施较为方便，数据处理也较为简单。缺点是定位精度较低，受着卫星轨道误差、钟同步误差及信号传播误差等因素的影响，只能达到米级；所以这种定位模式不能满足大地测量精密定位的要求。但是，它在地质矿产勘查(kn ch)等低精度测量领域，仍然有着广泛的应用前景。 2） 若用不同地点的接收机同步跟踪相同的GPS卫星

7、信号，确定若干台接收机之间的相对位置，这种定位方式就称为相对定位。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第5页/共62页第六页，共63页。 相对定位的最基本情况是用两台接收机分别安置在基线的两端（图3-1），同步观测相同的GPS卫星，确定基线端点在WGS84系统中的相对位置或坐标差(基线向量(xingling)，已知其中一点的坐标后可求得另一点的坐标。相对定位可以推广到多台接收机安置在若干条基线的端点，通过同步观测GPS卫星确定多条基线向量(xingling)。由于同步观测值之间有着多种误差，其影响是相同的或大体相同的，这些误差在相对定位过程中可以得到消除或减弱，从而使相对定位获得极高

8、的精度。当然，相对定位时需要多台(至少两台)接收机进行同步观测，因而增加了外业观测组织和实施的难度。 在单点定位和相对定位中，又都可能包括静态定位和动态定位两种方式。GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用第6页/共62页第七页，共63页。3 3、主动式测距和被动式测距、主动式测距和被动式测距 利用物理方法来测定距离一般分为两种利用物理方法来测定距离一般分为两种方式。如图方式。如图-2-2所示，一种方式如电磁波测所示，一种方式如电磁波测距仪，它由一端的测距仪发射测距信号距仪，它由一端的测距仪发射测距信号(xnho)(xnho)，通过另一端的反射器反射回来，通过另一端的反射器反射回来，再

9、由测距仪接收。根据测距信号再由测距仪接收。根据测距信号(xnho)(xnho)的的往、返传播时间推求出往返距离往、返传播时间推求出往返距离22。由于测。由于测站点需主动发出测距信号站点需主动发出测距信号(xnho)(xnho)，故称这，故称这种测距方式为主动式测距。种测距方式为主动式测距。 GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第7页/共62页第八页，共63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用 主动式测距只要求仪器能够精确测定信主动式测距只要求仪器能够精确测定信号往、返的时间，它不要求仪器钟必须和某号往、返的时间，它不要求仪器钟必须和某一时间系统严格保持一致。只要仪器钟

10、自身一时间系统严格保持一致。只要仪器钟自身能在信号往、返时间段中保持稳定，就不会能在信号往、返时间段中保持稳定，就不会影响测距精度。主动式测距的缺点是用户必影响测距精度。主动式测距的缺点是用户必须发射信号因而难以须发射信号因而难以(nny)(nny)隐蔽自己，这隐蔽自己，这对军事用户十分不利。此外要求用户同时具对军事用户十分不利。此外要求用户同时具有发射设备和接收设备，装置较为复杂。有发射设备和接收设备，装置较为复杂。第8页/共62页第九页，共63页。 另一种测距方式是发射站(例如卫星)在规定(gudng)的时刻内准确地发出信号，用户则根据自己的时钟记录信号到达的时间，根据这一时差 t求得单程

11、距离。由于用户只需被动的接收信号，故将这种测距方式称为被动式测距。全球定位方式采用了被动式测距方式。被动式测距的优点是用户无需发射信号，因而便于隐蔽自己，用户装置也较简单，只配备接收设备即可。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第9页/共62页第十页，共63页。4 4、用、用GPSGPS信号进行信号进行(jnxng)(jnxng)定位的基本方定位的基本方法法 根据对根据对GPSGPS信号的不同观测量，可以区信号的不同观测量，可以区分为四种定位方法：分为四种定位方法： 1) 1)伪距定位法用伪距定位法用GPSGPS卫星的伪噪声编码卫星的伪噪声编码信号，测定接收机到信号，测定接收机到GP

12、SGPS卫星的距离。卫星的距离。 2) 2)多普勒定位法它是根据多普勒效应多普勒定位法它是根据多普勒效应原理，利用原理，利用GPSGPS卫星较高的射电频率，由积卫星较高的射电频率，由积分多普勒计数得出伪距差。分多普勒计数得出伪距差。 3) 3)载波相位测量它是通过测量载波的载波相位测量它是通过测量载波的相位而求得接收机到相位而求得接收机到GPSGPS卫星的距离。卫星的距离。GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第10页/共62页第十一页，共63页。 4)卫星射电干涉测量利用GPS卫星射电信号具有白噪声的特性，由两个测站(c zhn)同时观测一颗GPS卫星，通过测量这颗卫星的射电信号到

13、达两个测站(c zhn)的时间差，可以求得站间距离。二、卫星定位的基本原理 空间后方交会。 21212121ZZYYXX22222222ZZYYXX23232323ZZYYXXGPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用第11页/共62页第十二页，共63页。5 5 伪距法定位伪距法定位(dngwi) (dngwi) 一、伪距及其测定一、伪距及其测定 GPS GPS定位采用的是被动式单程测距。定位采用的是被动式单程测距。它的信号发射时刻它的信号发射时刻(shk)(shk)是由卫星钟确是由卫星钟确定的，收到时刻定的，收到时刻(shk)(shk)则是由接收机钟则是由接收机钟确定的，这就在测定的卫

14、星至接收机的距确定的，这就在测定的卫星至接收机的距离中，不可避免地包含着两台钟不同步的离中，不可避免地包含着两台钟不同步的误差影响，所以称其为伪距。误差影响，所以称其为伪距。 同时我们知道，同时我们知道，GPSGPS卫星信号包含有卫星信号包含有三种信号分量，即载波、测距码三种信号分量，即载波、测距码(P(P码和码和C CA A。码。码) )、数据码、数据码( (导航电文导航电文) )。在无线电。在无线电通讯技术中，一般均将频率较低的信号加通讯技术中，一般均将频率较低的信号加载到频率较高的载波上，载到频率较高的载波上， GPS GPS卫星的测距卫星的测距码和数据码采用了调相技术调制到载波上码和数

15、据码采用了调相技术调制到载波上。 GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第12页/共62页第十三页，共63页。 如图如图3434，当卫星依据自己的时钟发出的含有测距码的调制信号，经过了，当卫星依据自己的时钟发出的含有测距码的调制信号，经过了tt时间的传播后到达接收机，此时接收机收到的测距码为时间的传播后到达接收机，此时接收机收到的测距码为U(t-t)U(t-t)。而接收机的伪随机噪声码发生器，在接收机时钟的控制下，又产生一个与卫星发射的测距码结构完全相同的复制码。而接收机的伪随机噪声码发生器，在接收机时钟的控制下，又产生一个与卫星发射的测距码结构完全相同的复制码U(t-)U(t-)。并

16、且通过接收机的时间延迟器进行移相，对接收到的卫星测距码和接收机的复制码作相关处理，两两信号之间的自相关系数达到最大，即近于。并且通过接收机的时间延迟器进行移相，对接收到的卫星测距码和接收机的复制码作相关处理，两两信号之间的自相关系数达到最大，即近于l l时，说明在积分间隔时，说明在积分间隔T T内复制码已经和测距码内复制码已经和测距码“对齐对齐”。否则。否则(fuz)(fuz)继续调整时间延迟继续调整时间延迟，直至，直至R(t)R(t)maxmax，于是就由时延器测定出两信号间的时间延迟，于是就由时延器测定出两信号间的时间延迟。在理想的情况下，时延。在理想的情况下，时延就等于卫星信号的传播时间

17、就等于卫星信号的传播时间tt，此时将，此时将乘以光速值乘以光速值C C，就可以求得卫星至接收机的距离。，就可以求得卫星至接收机的距离。 GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第13页/共62页第十四页，共63页。 以伪距作基本观测量来求定点位的方法就称为伪距法定位(dngwi)。二、伪距法定位(dngwi)原理 为了解决定位问题，首先需将观测时得到的伪距 改正为卫星至接收机之间的实际距离。 设在卫星钟的瞬时读数为ta时发出信号，其正确(zhngqu)的标准时刻为a；该信号到达接收机读得的时间为tb，其正确(zhngqu)的标准时刻为b；伪距测量中测得的时延实际为 1cttabGPS测量

18、测量(cling)原原理与应用理与应用第14页/共62页第十五页，共63页。 顾及信号并非在真空中传播，尚需加上电离层折射改正 和对流层折射改正 ，此时卫星(wixng)至接收机的实际距离为tropionbac)(iontrop 上式中， 为卫星钟差， 为接收机钟差。实际(shj)距离与卫星坐标（x，y，z）和接收机坐标（X，Y，Z）之间的关系为：21222ZzYyXxbatttropioncvcvbtvatvGPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第15页/共62页第十六页，共63页。 在实用中，我们将接收机钟差 视为未知数，因而在上式中存在四个未知数即X、Y、Z和 ，所以至少需要接

19、收四颗卫星，才能列出四个方程，就能求解出四个未知数。当然接收卫星颗数越多解算时多余(duy)观测量就越多，解算精度就越高。btvbtv三、伪距定位三、伪距定位(dngwi)(dngwi)法计算法计算 biaitropiioniiiiicvttcZzYyXx21222GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第16页/共62页第十七页，共63页。四、伪距定位法的应用四、伪距定位法的应用 伪距法定位主要用于单点定位，定伪距法定位主要用于单点定位，定位速度位速度(sd)(sd)快，处理方便，但由于美国快，处理方便，但由于美国限制性政策，精度往往较低。如果有若干限制性政策，精度往往较低。如果有若干

20、台接收机同时对相同的卫星进行伪距测量台接收机同时对相同的卫星进行伪距测量，此时卫星钟的误差、卫星星历误差、电，此时卫星钟的误差、卫星星历误差、电离层和对流层折射误差对各同步观测站的离层和对流层折射误差对各同步观测站的影响基本相同，在求坐标差时可以自行消影响基本相同，在求坐标差时可以自行消除，使测站点间的相对位置精度大大提高除，使测站点间的相对位置精度大大提高。 GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第17页/共62页第十八页，共63页。GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用 伪距法进行相对定位可以采用两种办法伪距法进行相对定位可以采用两种办法：(1)(1)间接相对定位：各同

21、步测站分别进行间接相对定位：各同步测站分别进行单点定位，求得各测站坐标，然后相减求得单点定位，求得各测站坐标，然后相减求得坐标差。坐标差。(2)(2)直接相对定位：由伪距定位法直接相对定位：由伪距定位法的数学模型可知，当两个测站进行同步观测的数学模型可知，当两个测站进行同步观测(gunc)(gunc)时，产生两个数学式。时，产生两个数学式。第18页/共62页第十九页，共63页。5 53 3 载波相位载波相位(xingwi)(xingwi)测量测量GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用 伪距测距是以测距码作为量测信号的，由于测距码的波长较长，难以达到较高的精度。而载波相位测量(clin

22、g)不使用码信号，不受码控制的影响，属于非码测量(cling)系统。载波信号的波长要短得多，其中l信号的波长为19cm，L2信号波长为24cm。所以把载波作为量测信号，对载波进行相位测量(cling)就可以达到很高的精度，目前的测地型接收机载波相位测量(cling)精度一般为12mm。但是，载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量(cling)只能测定其不足一个波长的小数部分，无法测定其整波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使得解算过程复杂化。第19页/共62页第二十页，共63页。GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用一、载波一、载波(zib)相位测量基本原相位测量基本原理理

23、接收(jishu)机所接收(jishu)到的GPS卫星信号中，已用相位调制技术在载波上调制了测距码和卫星电文，所以载波已不再连续。为此要在载波相位测量之前进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，恢复载波的相位。 如果在时刻t0接收(jishu)机产生的基准信号的相位是(R)，接收(jishu)机接收(jishu)到的载波信号的相位是(S)，若能测定出二者相位之差 (R)一(S)，则由载波波长就可以求出该瞬间从卫星至接收(jishu)机的距离：第20页/共62页第二十一页，共63页。= (R)一(S)=N0+Fr() 式中N0为基准信号与接收信号相位差的整周数；Fr()为相位差中

24、不足一整周的小数部分。 实际上，接收机所接收的GPS信号经过(jnggu)解调以后，与基准信号进行混频，从而得到一个中频的差频信号，差频信号的相位也就是基准信号与接收信号的相位差值。这就是说，接收机产生的基准信号与接收的载波信号的相位差是通过量测差频信号的相位值得到的。 设接收机本机振荡器产生的基准信号为cos(1t十1)，接收到的载波信号为cos(2t十2)，混频后可以产生两个新信号:GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第21页/共62页第二十二页，共63页。cos(1t十1) cos(2t十2)1/2 cos(1十2)t(1 2 )cos(12)t(1 2 ) 上式右端第二项就

25、是混频后产生的差频信号，它的相位(12)就等于基准信号与接收信号的相位之差。所以，载波相位测量值就等于混频后的差频信号的相位值。 把前面的讨论加以归纳可以看出，只要接收机对卫星信号连续跟踪(gnzng)而不中断(失锁)，那么每个完整的载波相位观测值；均由下列几部分组成：00( )( )NNIntFGPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第22页/共62页第二十三页，共63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用式中式中N0N0是载波相位在传播路径上延迟的整周数是载波相位在传播路径上延迟的整周数；Int()Int()是自起始时刻是自起始时刻t0t0至观测时刻至观测时刻titi之间

26、载之间载波相位变化的整周数，它是自波相位变化的整周数，它是自t0t0至至titi时间内用时间内用计数器逐个累计的差频信号的整周数；计数器逐个累计的差频信号的整周数；Fr()Fr()则是差频信号不足一整周的部分则是差频信号不足一整周的部分(b fen)(b fen)，它，它是在是在titi时刻的一个瞬时量测值。它们的几何意时刻的一个瞬时量测值。它们的几何意义如图义如图3535所示所示. .第23页/共62页第二十四页，共63页。 设在GPS标准时刻Ta（卫星钟面时刻ta）卫星Sj发射的载波信号相位为（ta），经传播延迟后，在GPS标准时刻Tb （卫星钟面时刻tb）到达(dod)接收机。其载波相位

27、观测方程为：二、载波相位测量二、载波相位测量(cling)的观的观测方程测方程GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用jkbajkNcfcffttfcf21第24页/共62页第二十五页，共63页。 常用方法：伪距法、经典方法、三差法、快速确定整周未知数法。四、整周跳变的修复 1.周跳：在跟踪卫星过程(guchng)中，由于某种原因，使得卫星信号暂时中断，造成卫星信号失锁，计数器无法连续计数，当信号重新跟踪后，整周计数就不正确，这种现象就称为周跳。 整周跳变的探测与修复是指探测出何时发生了周跳并求出丢失的整周数，对中断后的整周计数进行修改，将其恢复为正确的计数。 三、整周未知数的确定三、

28、整周未知数的确定(qudng)GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用第25页/共62页第二十六页，共63页。2.整周跳变的探测与修复方法有：整周跳变的探测与修复方法有： 1） 屏幕扫描法屏幕扫描法 2）用高次差或二项式拟合法）用高次差或二项式拟合法 3）在卫星间求差法）在卫星间求差法 4）用双频观测值修复周跳）用双频观测值修复周跳 优点：双频载波相位观测值的组合优点：双频载波相位观测值的组合 中各中各参数只涉及频率参数只涉及频率(pnl)，取决于电离层残差的影，取决于电离层残差的影响，无须预先知道测站和卫星的坐标。响，无须预先知道测站和卫星的坐标。 GPS测量测量(cling)原理与

29、应用原理与应用第26页/共62页第二十七页，共63页。GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用 缺点：不能顾及多路经效应和测量噪声的影响，如果两个载波相位观测值中都出现(chxin)周跳，则不能采用这种方法。 5）根据平差后的残差发现和修复整周跳变第27页/共62页第二十八页，共63页。GPS单点定位单点定位(dngwi)（绝对定位（绝对定位(dngwi)）GPS相对相对(xingdu)定位定位GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第28页/共62页第二十九页，共63页。双程测距与单程双程测距与单程(dnchng)测距测距GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用第29

30、页/共62页第三十页，共63页。伪距测定伪距测定(cdng)原理原理GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用第30页/共62页第三十一页，共63页。载波载波(zib)相位测量原理相位测量原理GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用第31页/共62页第三十二页，共63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用5-4 整周跳变整周跳变(tio bin)的修复的修复 如果在跟踪卫星过程中，由于(yuy)某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，或受无线电信号干扰造成失锁。这样，计数器无法连续计数。因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正

31、确的。这种现象称为周跳。周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题。第32页/共62页第三十三页，共63页。GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用 整周跳变的探测与修复是指探测出在何时发整周跳变的探测与修复是指探测出在何时发生了周跳并求出丢失的整周数，对中断后的整周生了周跳并求出丢失的整周数，对中断后的整周记数进行改正，将其恢复记数进行改正，将其恢复(huf)为正确的计数，为正确的计数，使这部分观测值仍可使用。如果是因为电源的故使这部分观测值仍可使用。如果是因为电源的故障或振荡器本身的故障使信号暂时中断，那么中障或振荡器本身的故障使信号暂时中断，那么中断前后信号本身失去了连续性。恢复

32、断前后信号本身失去了连续性。恢复(huf)正常正常工作后的观测值中不但整周计数不正确，不足整工作后的观测值中不但整周计数不正确，不足整周的部分也不对。这时，修复周跳没有什么意义周的部分也不对。这时，修复周跳没有什么意义，而必须将资料分为两个时段，各设一个整周未，而必须将资料分为两个时段，各设一个整周未知数单独进行处理。如果是其他原因，如卫星信知数单独进行处理。如果是其他原因，如卫星信号被某些障碍物挡住，外界干扰使信号暂时失锁号被某些障碍物挡住，外界干扰使信号暂时失锁等，使信号整周计数暂时中断，而不足一周的相等，使信号整周计数暂时中断，而不足一周的相位差部分仍是正确的。则探测与修复周跳才有意位差

33、部分仍是正确的。则探测与修复周跳才有意义。义。第33页/共62页第三十四页，共63页。 整周跳变的探测与修复常用的方法有下列(xili)几种：1.屏幕扫描法屏幕扫描法 此种方法是由作业人员在计算机屏幕前依次此种方法是由作业人员在计算机屏幕前依次对每个站、每个时段、每个卫星的相位观测值变对每个站、每个时段、每个卫星的相位观测值变化率的图像进行逐段检查，观测其变化率是否连化率的图像进行逐段检查，观测其变化率是否连续。如果出现不规则的突然变化时，就说明在相续。如果出现不规则的突然变化时，就说明在相应的相位观测中出现了整周跳变现象。然后应的相位观测中出现了整周跳变现象。然后(rnhu)用手工编辑的方法

34、逐点、逐段修复。用手工编辑的方法逐点、逐段修复。GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第34页/共62页第三十五页，共63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用2.用高次差或多项式拟台法用高次差或多项式拟台法 该方法是根据有周跳现象的发生将会破坏载波该方法是根据有周跳现象的发生将会破坏载波相位测量的观测值随时间而有规律变化的特性来探相位测量的观测值随时间而有规律变化的特性来探测的。测的。GPS卫星的径向速度最大可达卫星的径向速度最大可达09kms，因而因而(yn r)整周计数每秒钟可变化数千周。如果整周计数每秒钟可变化数千周。如果每每15s输出一个观测值的话，相邻观测值间

35、的差值输出一个观测值的话，相邻观测值间的差值可达数万周，那么对于几十周的跳变就不易发现。可达数万周，那么对于几十周的跳变就不易发现。但如果在相邻的两个观测值间依次求差而求得观测但如果在相邻的两个观测值间依次求差而求得观测值的一次差的话，这些一次差的变化就要小得多。值的一次差的话，这些一次差的变化就要小得多。在一次差的基础上再求二次差，三次差、四次差、在一次差的基础上再求二次差，三次差、四次差、五次差时，其变化就小得更多了。五次差时，其变化就小得更多了。第35页/共62页第三十六页，共63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用3.在卫星间求差法在卫星间求差法 在在GPS测量测量(cl

36、ing)中，每一瞬间要对多中，每一瞬间要对多颗卫星进行观测，因而在每颗卫星的载波相颗卫星进行观测，因而在每颗卫星的载波相位测量位测量(cling)观测值中，所受到的接收机振观测值中，所受到的接收机振荡器的随机误差的影响是相同的。在卫星间求荡器的随机误差的影响是相同的。在卫星间求差后即可消除此项误差的影响。差后即可消除此项误差的影响。第36页/共62页第三十七页，共63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用4.用双频观测值修复周跳用双频观测值修复周跳 用双频观测值探测和修复周跳的方法优点用双频观测值探测和修复周跳的方法优点是，双频载波相位观测值的组合是，双频载波相位观测值的组合A由中

37、各参数由中各参数只涉及频率，取决于电离层残差影响，无须预只涉及频率，取决于电离层残差影响，无须预先先(yxin)知道测站和卫星的坐标。缺点是不知道测站和卫星的坐标。缺点是不能顾及多路径效应和测量噪声的影响，另外如能顾及多路径效应和测量噪声的影响，另外如果两个载波相位观测值中都出现周跳，则不能果两个载波相位观测值中都出现周跳，则不能采用这种方法，而只能采用其他方法探测与修采用这种方法，而只能采用其他方法探测与修复周跳。复周跳。第37页/共62页第三十八页，共63页。5-5 5-5 差分差分(ch fn)GPS(ch fn)GPS定位原理定位原理概述：概述： 1）差分技术在测绘工作中的应用；）差分

38、技术在测绘工作中的应用； 2）GPS定位技术存在三部分误差：一是多台接定位技术存在三部分误差：一是多台接收机共有的误差，如：卫星钟误差、星历误差；二是收机共有的误差，如：卫星钟误差、星历误差；二是传播延迟误差，如：电离层误差、对流层误差；三是传播延迟误差，如：电离层误差、对流层误差；三是接收机固有接收机固有(gyu)的误差，如：内部噪声、通道延的误差，如：内部噪声、通道延迟、多路径效应。迟、多路径效应。 采用差分定位，可完全消除第一部分误差，可大部采用差分定位，可完全消除第一部分误差，可大部分消除第二部分误差分消除第二部分误差(视基准站至用户的距离视基准站至用户的距离)。 3）差分）差分GPS

39、可分为单基准站差分、具有多个基可分为单基准站差分、具有多个基准站的局部区域差分和广域差分三种类型。准站的局部区域差分和广域差分三种类型。 GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第38页/共62页第三十九页，共63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用1. 单点单点GPS差分差分(ch fn)（SRDGPS) 单站差分按基准站发送的信息方式来分，可分为位置差分、伪距差分和载波相位差分三种，其工作原理大致相同。1)位置差分原理 设基准站的精密坐标已知(X0，Y0，Z0)，在基准站上的GPS接收机测出的坐标为：X、Y、Z(包含(bohn)着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、

40、多路径效应及其他误差)，即可按下式求出其坐标改正数为： ZZZYYYXXX000第39页/共62页第四十页，共63页。 基准站用数据链，将这些改正数发送出去(ch q)，用户接收机在解算时，加入以上改正数： ZZZYYYXXXPPPPPP 若顾及用户接收机位置改正值(zhn zh)的瞬时变化，上式可以进一步写成： )(/)(/)(/000ttdtZdZZZttdtYdYYYttdtXdXXXPPPPPPGPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第40页/共62页第四十一页，共63页。 这种方法的优点是：计算简单，适用于各种型号的GPS接收机。 这种方法的缺点是：基准站与用户必须观测同一组卫

41、星，这在近距离可以做到，但距离较长时很难满足(mnz)。故位置差分，只适用于100km以内。 2）伪距差分原理 这是应用最广的一种(y zhn)差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标(X0，Y0，Z0)和测出的各卫星的地心坐标(Xj，Yj，Zj)，按下式求出每颗卫星每一时刻到基准站的真正距离Rj： GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第41页/共62页第四十二页，共63页。2/1202020ZZYYXXRjjjj其伪距为，则伪距改正其伪距为，则伪距改正(gizhng)(gizhng)数为：数为： jjjR0基准基准(jzhn)(jzhn)站将站将jj和和djdj发送给用户

42、，用户在发送给用户，用户在测出的伪距测出的伪距jj上加改正，求出经改正后的伪距：上加改正，求出经改正后的伪距： 0ttdtttjjjjp其中其中(qzh(qzhng) ng) tdjj/GPS测量原理与应用测量原理与应用第42页/共62页第四十三页，共63页。最后可按下式计算最后可按下式计算(j sun)(j sun)坐标：坐标： 12/1222VtCZZYYXXpjpjpjjp其中为其中为 为钟差，为钟差，V1V1为接收机噪声。为接收机噪声。 伪距差分的优点是：基准站提供所有卫星的伪距差分的优点是：基准站提供所有卫星的改正数，用户接收机观测任意改正数，用户接收机观测任意4 4颗卫星，就可完成

43、颗卫星，就可完成定位。因提供的是定位。因提供的是jj和和ff改正数，可满足改正数，可满足RTCMSCl04RTCMSCl04标准标准(biozhn)(biozhn)(国际海事无线电委国际海事无线电委员会员会) )。 缺点是：差分精度随基准站到用户的距离增缺点是：差分精度随基准站到用户的距离增加而降低。加而降低。 tGPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第43页/共62页第四十四页，共63页。3）载波）载波(zib)相位差分原相位差分原理理 位置差分和伪距差分，能满足米级定位精度，已广泛应用于导航、水下测量等。而载波相位差分，可使实时三维定位精度达到厘米(l m)级。 载波相位差分技术又

44、称RTK(Real Time Kinematic)技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。载波相位差分方法分为两类：一类是修正法，另一类是差分法。所谓修正法，即将基准站的载波相位修正值发送给用户，改正用户接收到的载波相位，再解求坐标。所谓差分法即是将基准站采集的载波相位发送给用户，进行求差解算坐标。可见修正法属准RTK，差分法为真正RTK。观测方程： GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第44页/共62页第四十五页，共63页。dZZYYXXNNNNRpjpjpjjjpjjpjjpj2/12220000 式中， 表示(biosh)用户接收机起始相位模糊度， 为基准站接收机起始

45、相位模糊度， 为用户接收机起始历元至观测历元相位整周数， 为基准站接收机起始历元至观测历元相位整周数， 为用户接收机测量相位的小数部分， 为基准站接收机测量相位的小数部分， 为同一观测历元各项残差。 jpN0jN0jpNjN 这里关键是求解起始相位模糊度，常用(chn yn)方法有：删除法、模糊度函数法、FARA法、消去法等。 jpj0dGPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第45页/共62页第四十六页，共63页。 差分定位差分定位(dngwi)的关键技术是高波特的关键技术是高波特率数据传输的可靠性和抗干扰问题。率数据传输的可靠性和抗干扰问题。 单站差分单站差分GPS系统结构和算法简

46、单，技系统结构和算法简单，技术上较为成熟。主要用于小范围的差分定位术上较为成熟。主要用于小范围的差分定位(dngwi)工作。工作。 通常把一般的差分定位通常把一般的差分定位(dngwi)系统称系统称为为DGPS，局部区域差分定位，局部区域差分定位(dngwi)系统称系统称为为LADGPS，广域差分定位，广域差分定位(dngwi)系统称系统称为为WADGPS。 2、局部区域、局部区域GPS差分系统（差分系统（LANDGPS）3、广域差分、广域差分GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用第46页/共62页第四十七页，共63页。GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用4、多基准、多基

47、准(jzhn)站站RTK技术（网络技术（网络RTK） 连续运行参考站系统(CORS)（Continuous Operational Reference System，简称CORS系统）即一个或若干个固定的、连续运行的GPS参考站，利用现代计算机技术、数据通讯和互联网（LAN/WAN）技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的GPS观测值（载波相位，伪距）、各种改正数据、状态信息、以及其他有关GPS服务项目的系统。与传统的GPS作业(zuy)相比连续参考站具有作用范围广、精度高、野外单机作业(zuy)等众多优点。 CORS RTK测量方式：第47页/

48、共62页第四十八页，共63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用 CORS RTK技术就是利用地面布设的一个或多个基准站组成GPS连续运行参考站（CORS），综合利用(znghlyng)各个基站的观测信息，通过建立精确的误差修正模型，通过实时发送RTCM差分改正数，修正用户的观测值精度，在更大范围内实现移动用户的高精度导航定位服务。CORS RTK技术集Internet技术、无线通讯技术、计算机网络管理技术和GPS定位技术于一体，是参考站网络式GPS多功能服务系统的核心支持技术和解决方案，其理论研究与系统开发均是GPS技术科研和应用领域最热门的前沿。第48页/共62页第四十九页，共

49、63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用 目前应用较广的目前应用较广的CORS网技术有虚拟参考站、网技术有虚拟参考站、FKP和主辅站技术。其各自的数学模型的定位方法和主辅站技术。其各自的数学模型的定位方法有一定的差异，但是有一定的差异，但是(dnsh)基准站架设和改正模基准站架设和改正模型的建立方面基本原理是相同的。型的建立方面基本原理是相同的。第49页/共62页第五十页，共63页。GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第50页/共62页第五十一页，共63页。GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第51页/共62页第五十二页，共63页。GPS测量原理测量原理(

50、yunl)与应用与应用1）虚拟参考站技术）虚拟参考站技术 虚拟参考站网络中，各固定参考站不直虚拟参考站网络中，各固定参考站不直接向移动用户发送任何改正信息，而是将所接向移动用户发送任何改正信息，而是将所有的原始数据通过数据通讯线发给控制中心有的原始数据通过数据通讯线发给控制中心。同时，移动用户在工作前，先通过。同时，移动用户在工作前，先通过GPRS/CDMA的上网功能向控制中心发送一的上网功能向控制中心发送一个概略坐标（个概略坐标（GAA数据），控制中心收到这数据），控制中心收到这个位置信息后，根据用户位置，由计算机自个位置信息后，根据用户位置，由计算机自动选择动选择(xunz)最佳的一组固定

51、基准站，根最佳的一组固定基准站，根据这些站发来的信息，整体的改正据这些站发来的信息，整体的改正GPS的轨的轨道误差，电离层、对流层和大气折射引起的道误差，电离层、对流层和大气折射引起的误差，将高精度的差分信号发给移动站。这误差，将高精度的差分信号发给移动站。这个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生个差分信号的效果相当于在移动站旁边，生成一个虚拟的参考基站，从而解决了成一个虚拟的参考基站，从而解决了RTK作作业距离上的限制问题，并保证了用户的精度业距离上的限制问题，并保证了用户的精度。第52页/共62页第五十三页，共63页。GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用虚拟虚拟(xn)参考站参考

52、站第53页/共62页第五十四页，共63页。GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用 其实虚拟参考站技术就是利用各基准站的坐标和实时观测数据解算该区域实时误差模型，然后用一定的数学模型和流动站概略坐标，模拟出一个临近流动站的虚拟参考站的观测数据，建立观测方程，解算虚拟参考站到流动站间这一超短基线。一般虚拟参考站位置就是流动站登录时上传的概略坐标，这样由于单点定位的精度，使得(sh de)虚拟参考站到流动站的距离一般为几米到几十米之间，如果将流动站发送给处理中心的观测值进行双差处理后建立虚拟参考站的话，这一基线长度甚至只有几米。第54页/共62页第五十五页，共63页。GPS测量测量(cli

53、ng)原理与应用原理与应用 FKP（区域(qy)改正数法）是指利用GPS基准站观测数据（相位观测值和伪距观测值等）及基准站已知坐标等信息，计算得到基准网范围内与时间或空间相关的误差改正数模型，然后利用测量点的近似坐标内插出测量点的误差改正数，将它应用到观测值中，从而消除各种与时间和空间有关的误差，获得高精度的定位结果。 FKP和虚拟参考站技术最大的不同就是在定位方法上的不同，一个是利用虚拟观测值和流动站观测值做单基线解算，一个是利用改正后的观测值加入各基准站做多基线解。2）FKP技术技术(jsh)第55页/共62页第五十六页，共63页。3）主辅站技术）主辅站技术 主辅站技术是在主辅站技术是在F

54、KP的基础上产生的，的基础上产生的，数学模型上并没有数学模型上并没有(mi yu)什么大的区别，什么大的区别，不过是在基准站播发基准点坐标信息和改正不过是在基准站播发基准点坐标信息和改正信息减少了一定的信息量，再有就是信息减少了一定的信息量，再有就是“主基准主基准站站”的选择以及加入数个条件较好的的选择以及加入数个条件较好的“辅基准辅基准站站”做多基线解。参与解算的基站不像做多基线解。参与解算的基站不像FKP那那样用到全部的基准站信息，加入了双向通讯样用到全部的基准站信息，加入了双向通讯可以较好的选择所在的基站群。可以较好的选择所在的基站群。GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第5

55、6页/共62页第五十七页，共63页。GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第57页/共62页第五十八页，共63页。作作 业：业： 1、写出伪距法定位的基本公、写出伪距法定位的基本公式，并说明伪距定位基本原理。式，并说明伪距定位基本原理。 2、写出载波相位、写出载波相位(xingwi)观测方程，说明其定位基本原理。观测方程，说明其定位基本原理。GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第58页/共62页第五十九页，共63页。GPS测量测量(cling)原理与应用原理与应用第五章第五章 复习复习(fx)1、简述、简述GPS卫星定位的基本原理。卫星定位的基本原理。2、论述伪距法定位的

56、基本原理。、论述伪距法定位的基本原理。3、简述、简述GPS位置差分的基本原理。位置差分的基本原理。4、解释概念：、解释概念： 伪距伪距 静态定位静态定位 动态定位动态定位 相对定位相对定位 单点定位单点定位 主动式测距主动式测距 被动式测距被动式测距 周跳周跳 GPS导航导航 一次求差一次求差 整周跳变的探测与修复整周跳变的探测与修复 5、填空、填空 1）RTK测量技术的实质是测量技术的实质是 。 2）利用物理方法来测距，一般分为）利用物理方法来测距，一般分为(fn wi)两种方式，用两种方式，用GPS接收机测得伪距的方式属于接收机测得伪距的方式属于 测距，用测距仪或全站仪测得距离的方式属于测

57、距，用测距仪或全站仪测得距离的方式属于 测距。测距。第59页/共62页第六十页，共63页。GPS测量测量(cling)原原理与应用理与应用 3）差分GPS可分为 差分、 和 差分。 4）接收机产生的基准信号与接收的载波信号的相位差是通过 得到的。6、选择判断 1）利用差分测量技术可以(ky)完全消除（ ）误差 A、卫星钟差 B、电离层影响 C、对流层影响 D、星历误差 2）利用修正法进行载波相位差分属于（） A、真正的RTK B、准RTK C、单点定位 D、相对定位第60页/共62页第六十一页，共63页。 3）双频接收机的优点是可通过两个频率计算出卫星到地面的距离，因此不需要解算整周模糊度。）双频接收机的优点是可通过两个频率计算出卫星到地面的距离，因此不需要解算整周模糊度。 4）单点定位可以理解）单点定位可以理解(lji)为一个前方交会，卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为卫星至测站的距离。为一个前方交会，卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为卫星至测站的距离。 GPS测量原理测量原理(yunl)与应用与应用第61页/共62页第六十二页，共63页。感谢您的观看感谢您的观看(gunkn)。第62页/共62页第六十三页，共63页。