GPS原理与应用(培训班)

3）、相对论效应 由于卫星钟和接收机钟所处运动状态和重力位不 同引起卫星钟和接收机钟时间差。 l 狭义相对论
Vs 2 1 2 Vs f s f [1 ( ) ] f (1 2 ) c 2c
V f s f s f s 2 2c
2
2
l
f s 卫星钟频率，＝3874m/s， Vs
——整数解(或固定解)。 • 整周未知数具有整数的特性。但是，通过上 述平差计算所得到的整周待定值，一般非为整 数。这时可以将其取为相接近的整数，并作为 已知数代入原观测方程更新解算其它的持定参 数。当观测误差和外界误差(或其残差)对观测 值的影响短小时，应用此法较为有效。整周待 定值的整数解也叫固定解。这种方法一般主要 应用于适线较短的相对定位中。
l 模型改正：霍普菲尔德
（Hopfield）
l 差分方法可以消除
3）、多路径误差
多路径影响结果
L1载波最大可达4.8cm L2载波最大可达6.1cm 码影响可达10m
多路径消除方法
1. 选择合适的站址：远离反射物、山坡、 沙丘、水面等 2. 带有抑制板的天线 3. 长时间观测
三）与接收机有关误差
二）与信号传播有关误差
1）、电离层延迟 由 地 面 50-1000KM 高 空中由太阳幅射造成 气体电离形成电离层。 电磁波信号经过电离 层速度发生变化。
l 对C/A码影响：C/A码是方波是群速度
n g 1 40.28Nf
2
40.28 dion c N e dR 2 R f
l 对载波影响：载波是正弦波，是相速度
差分GPS定位系统是由一个基准站和多个 用户台组成。基准站与用户台之间的联系，即 由基准站计算出的改正数发送到用户台的手段 是靠数据链完成的。数据链由调制解调器和电 台组成。
RTK
• 通讯技术: • 新的Trimble 内置或外挂电台保证 实施高品质的 RTK 使用转发站或特殊的 RTK天线扩展了控制 距离 应用蜂窝电话或 信息包 调置解调器
2、差分：静态差分；动态差分 静态差分：单差、双差、三差 动态差分： ⑴ 位置差分 ⑵ 伪距差分 ⑶ 相位差分
这三类差分方式的工作原理是相同的，即都 是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其 测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。 所不同的是，发送改正数的具体内容不一样， 其差分定位精度也不同。
⑶
载波相位差分原理
测地型接收机利用GPS卫星载波相位进行的静 态基线测量获得了很高的精度（10-6～10-8）。 但是，上述这些作业方式都是事后进行数据处 理， 不能实时提交成果和实时评定成果质量， 很难避免出现事后检查不合格造成的返工现象。 上述差分GPS的出现，能实时给定载体的位置， 精度为米级，满足了引航、水下测量等工程的 要求。随之而来的是更加精密的测量技术 — 载波相位差分技术。
⑴
位置差分原理
安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可 进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着 轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效 应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐 标是不一样的， 存在误差。基准站利用数据链将此 改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的 用户站坐标进行改正。最后得到的改正后的用户坐 标已消去了基准站和用户站的共同误差，提高了定 位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一 组卫星。
n g 1 40.28Nf
2
40.28 dion tc 2 R N e dR f
电离层影响与太阳黑子活动有关，与卫星到接收机方 向有关。 天顶最大50m延迟 高度角20°150m延迟
减弱电离层影响方法
l 利用双频接收机： 令 A＝C×40.28 NdR 2 S 1 A / f 1 S 2 A / f 22
②相对定位
相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测 数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采 用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程 测量均应采用相位观测值进行相对定位。
①静态定位 即设置在固定点上的接收机固定观测一段时间 （时段），获得充分的观测数据。 ②动态定位 分为动态绝对定位和动态相对定位 动态绝对定位：接收机安置在运动的载体 上，处于运动的情况下确定瞬时绝对位置 动态相对定位（差分）： 将一台接收机安置在一个固定的观测站上,另一 台接收机安置在运动的载体上，处于运动的情况 下确定瞬时相对位置
空间卫星星座部分
GPS地面监控部分
• 监测站 • 主控站 • 注入站
GPS卫星信号特点
• 选用两个载波频率 fL1=1575.42MHz, λ1=19.05cm
fL2=1227.60MHz, λ2=24.45
两个频率可测定电离层延迟，消除电离层 延迟误差
采用伪随机躁声码扩频技术
• C/A码： 捕获码，用于捕获卫星，每棵卫星有不同的 C/A码； 粗码，可用于测距，但精度低,码元宽293m。
第二代GPS卫星BLOCKⅡ 将要采取措施
增大L1，L2信号功率，L2上加上C/A码，以提高C/A的 定位精度。 采用稳定度更高的氢原子钟，日稳定度可达到1×10－15 增大太阳能帆板到13.4m2，提高供电功率1136w 提高抗核辐射和抗激光辐射能力，采用新设计天线提高 抗干扰能力 将卫星增加到30颗，每颗卫星重1075kg，卫星寿命10年 增加卫星间通信能力和卫星间测距能力，加强了轨道调 整能力
3. 解决方法 ①建立卫星跟踪网精密定轨 ②轨道松弛法：半短弧法：三个方向为未知数 短弧法：6个轨道根数为未知数 ③二站同步观测相对定位消除
2）、卫星钟误差 卫星钟有偏差和漂移，差1ms，相当于300KM。 l 导航电文中提供修正参数用模型改正。 s 2 t a0 a1 (t t 0 ) a 2 (t t 0 ) t为参数历元。 改正后可达到20ns，6m误差 l 消除方法：二站同步观测相对定位消除
1. 天线相位中心偏移：应小于5mm 2. 接收机钟差：作为未知数求解 星间差消除 利用模型改正 3. 内部噪声：小于0.1mm 4量技术
1、定位方法 GPS定位方法有： ①单点定位；
单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收 机位置的方式，它采用伪距观测量和载波相位观测量， 可用于车船等的概略导航定位。
广义相对论：
f s 0.835 10 10 f
Ws WT 1 1 f 2 f 2 f( ) 2 R r C C 5.284 1010 f
卫星频率为10.22999999545MHg(标准10.23MHg)
f f1 f 2 4.449 10 10 f
二、GPS观测误差
一）、与卫星有关误差 卫星星历误差：轨道偏差 卫星钟差 相对论效应
二）、信号传送误差 电离层延时 对流层延时 多路径效应
三）、观测及接收设备误差 接收机钟差 接收机噪声 天线相位中心误差 天线安置误差 四）、其它误差 地球固体潮 地球海潮 美国SA政策
一）与卫星有关误差
1）、卫星星历误差 1. 广播星历：由地面监测站测定卫星轨道外 推轨道，精度25m。 精密历：实测后处理提供星历，＜5cm IGS站上取，中国地壳形变网
载波相位差分技术又称为RTK技术（real time kinematic），是建立在实时处理两个测站的载波相位基 础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米 级的高精度。 与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其 载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接 收GPS卫星的载波相位 与来自基准站的载波相位，并组 成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的 定位结果。 实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差 分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量 发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后 者将基准站采集的载波相位发送给 用户台进行求差解 算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。
S 1 dion1
l
模型改正：Klobachar
2 Tg Dc A cos (t Tp ) P
DC：5ns，TP：14h
n A n m 3
n
n 0
n 0 3
m
为地磁强度
二站同步观测减弱
相距≦20KM
2）、对流层影响
从 地 面 到 高 空 40KM 大 气层为对流层。电磁波 经过对流层会产生延迟， 和温度、湿度、气压有 关。 天顶方向可达2.3m， 高度角10o，可达13m
•
• ——非整数解(或实数解、浮动解) • 这种处理方法，不考虑整周待定值的整数性 质。通过平差计算所求整周持定值不再进行揍 整和重新解算。这时虽然所求得的整周待定值 非为整数，不满足其应有的整数特性，但是， 如果外界误差的影响较大，求解的整周待定值 精度较低时(例如误差影响大于半个波长)，将 其再凑整为整数无助于提高解的精度。整周待 定值非整数解也叫浮动解，这种方法一般常用 于基线校长的相对定位中。
A A A f12 f 22 1 2 2 2 2 ( ) 2 f1 f2 f1 f2 f1 2 dion1[( ) 1] 0.6469 dion1 f2
dion1 1.54573( 1 2 ) dion2 2.54573( 1 2 )
全球定位系统 （ Global Positioning System - GPS） 的原理与应用
一、GPS卫星定位原理
• 有源、被动式
• 无线电测距交会定位
GPS定位方法
•伪距单点定位
精度15~20米
•载波相位相对定位
广播星历：±（5mm+1ppm*D） 精密星历：长距离1*10-8
•差分定位
位置差分 ±3-5m 可靠性差 伪距差分 ±3-5m 适用范围100海里 相位平滑伪距差分 ±1m 载波相位实时差分（RTK）1-2cm适用范围30公 里