2.GPS定位原理

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六面体的体积越大，所测卫星在空间的分布范围也越大，GDOP值 越小；反之，卫星分布范围越小，GDOP值越大。 理论分析得出：在由观测站至4颗卫星的观测方向中，当任意两方向 之间的夹角接近109.50时，其六面体的体积最大。但实际观测中， 为减弱大气折射的影响，所测卫星的高度角不能过低。因此在满足 卫星高度角要求的条件下，尽可能使六面体体积接近最大。 实际工作中选择和评价观测卫星分布图形：一颗卫星处于天顶，其余 3颗卫星相距1200时，所构成的六面体体积接近最大。
VDOP (q33 )1 2
• 几何精度因子GDOP(Geometric TDOP 0 mT DOP)，描述空间位置误差和时间误 差综合影响的精度因子，相应的中误差：1 2
TDOP (q44 )
mG GDOP 0
GDOP ( q11 q22 q33 q44 )1 2 ( PDOP)2 (TDOP)2
为了解决扩大测程和提高精度的矛盾，可以采用一组测尺共 同测距，以短测尺保证精度，用长测尺保证测程，这就如同钟表 上用时、分、秒互相来确定12小时内的准确时刻相似。
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载波相位测量的基本原理与 全站仪的测距方式相类似，利用 载波测定卫地距：
S
(S R )
S R )
mH HDOP 0 HDOP (q11 q22 )1 2
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• 高程精度因子VDOP(Vertical DOP):相应的高程精度为：
mV VDOP 0
• 空间位置精度因子PDOP(Position DOP)：相应的三维定位精度：
mP PDOP 0 • 接收机钟差精度因子TDOP(Time DOP)，钟差精度： PDOP ( q11 q22 q33 )1 2
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在高精度静态相对定位中，当仅有两台接收机时，一般应考虑 将单独测定的基线向量联结成向量网（三角网或导线网），以增强 几何强度，改善定位精度。当有多台接收机时，应采用网定位方式， 可检核和控制多种误差对观测量的影响，明显提高定位精度。
卫星
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2.动态相对定位 用一台接收机安置在基准站上固定不动，另一台接收机安置在 运动载体上，两台接收机同步观测相同卫星，以确定运动点相对基 准站的实时位置。 动态相对定位根据采用的观测量不同，分为以测码伪距为观测 量的动态相对定位和以测相伪距为观测量的动态相对定位。 测码伪距动态相对定位，目前实时定位精度为米级。以相对定 位原理为基础的实时差分GPS可有效减弱卫星轨道误差、钟差、大 气折射误差以及SA政策影响，定位精度远远高于测码伪距动态绝对 定位。
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2.观测量的基本概念
无论采取何种GPS定位方法，都是通过观测GPS卫星而获得某 种观测量来实现的。GPS卫星信号含有多种定位信息，根据不同的 要求，可以从中获得不同的观测量，主要包括： 根据码相位观测得出的伪距。 根据载波相位观测得出的伪距。 由积分多普勒计数得出的伪距。 由干涉法测量得出的时间延迟。
C/A码
4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 5.0-10.0 2.0 1.2 0.5 5.5-10.3 7.5 0.5 7.5 10.8-13.6
信号传播
接收机
总计 空间定位技术及应用
4.3 GPS绝对定位方法概述
绝对定位也称单点定位，是指在协议地球坐标系中，直接确定 观测站相对于坐标原点（地球质心）绝对坐标的一种方法。 “绝对”一词主要是为了区别相对定位，绝对定位和相对定位 在观测方式、数据处理、定位精度以及应用范围等方面均有原则区 别。绝对定位也称为单点定位。 绝对定位的基本原理：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距 离（或距离差）观测量为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定 接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。GPS绝对定位方法的 实质是测量学中的空间距离后方交会。原则上观测站位于以3颗卫 星为球心，相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点上。
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单点定位
绝对定位也叫单点定位，通 常是指在WGS84坐标系中， 直接确定观测站相对于坐标 系原点绝对坐标地一种定位 方法。
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应用GPS进行绝对定位，根据用户接收天线所处的状态不同， 又可以分为动态绝对定位和静态绝对定位。动态绝对定位被广泛应 用于飞机、船舶以及陆地车辆等运动载体的导航。另外，在航空物 探和卫星遥感也有着广泛地应用。静态绝对定位方法主要用于大地 测量、以精确测定观测站在协议地球坐标系中的绝对位置。 目前无论是动态绝对定位或是静态绝对定位，所依据的观测量 都是所测卫星至观测站的伪距，所以也称为伪距定位法。 根据观测量的性质不同，伪距有测码伪距和测相伪距之分。所 以，绝对定位又分为测码绝对定位和测相绝对定位。 1.测码伪距动态绝对定位：利用一个历元解算初始值再重新迭 代求解获得结果，精度在10-30米。 2.测相伪距动态绝对定位：在运动过程中没有多余的观测量， 技术难度大，很少使用。 3.测码伪距静态绝对定位：基本与动态绝对定位相同 4.测相伪距动态绝对定位：星基GPS
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为了便于理解载波相位观测，先了解一下全站仪的测距方式。 全站仪的定位方式： 由全站仪发射系统发出一种连续的调制光波， 测出该调制光波在测线上往返传播所产生的相依移，以测定距离D。 红外光电测距仪一般都采用相位测距法 。全站仪的测距如同用钢尺 量距一样，只是“钢尺”换成了“电子尺”，距离等于N个整尺长 加上最后不足整尺段的余长。 全站仪中不同频率的电池波对应着不同的电子尺，总有一把电 子尺的整长超过需要量测的长度。
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第四章 GPS定位方法和原理
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4.1 GPS定位的方法与观测量
1.定位方法分类 按参考点的不同位置划分为： （1）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测 站相对地球质心的位置。 （2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一 参考点之间的相对位置。 按用户接收机作业时所处的状态划分： （1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定 的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指 待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以 致在观测期内可以忽略。 （2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。 在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。
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2.卫星分布的几何图形对精度因子的影响 GPS绝对定位的误差与精度因子DOP的大小成正比，在伪距观测精度 0确定的情况下，如何使精度因子的数值尽可能减小，是提高定位 精度的一个重要途径。 由于精度因子与所测卫星的空间分布有关，因此也称观测卫星的图形 强度因子。由于卫星的运动以及观测卫星的选择不同，所测卫星在 空间分布的几何图形是变化的，导致精度因子的数值也是变化的。 假设观测站与4颗观测卫星所构成的六面体体积为，研究表明，精度 因子GDOP与该六面体体积的倒数成正比。GDOP 1/。
测码伪距的等效距离误差/m
误差来源 卫星
星历与模型误差 钟差与稳定度 卫星摄动 相位不确定性 其它 合计 电离层折射 对流层折射 多路径效应 其它 合计 接收机噪声 其它 合计
P码
4.2 3.0 1.0 0.5 0.9 5.4 2.3 2.0 1.2 0.5 3.3 1.0 0.5 1.1 6.4
R
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4.2 观测量的误差来源及其影响
1.误差的分类 GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为三类： •与卫星有关的误差。 •与信号传播有关的误差。 •与接收设备有关的误差。 为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距离 上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差。
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s1
s2
s3
s4
T1
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T2
1.静态相对定位 安置在基线端点的接收机固定不动，通过连续观测，取得充分 的多余观测数据，改善定位精度。 静态相对定位一般均采用载波相位观测值（或测相伪距）为基 本观测量，对中等长度的基线（100-500km），相对定位精度可达 10-6-10-7甚至更好。 在载波相位观测的数据处理中，为可靠地确定载波相位整周未 知数，静态相对定位一般需要较长的观测时间（1.0-1.5小时），如 何缩短观测时间，是研究和关心的热点。缩短静态相对定位的观测 时间关键在于快速而可靠地确定整周未知数。
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4.4 GPS相对定位原理
利用GPS进行绝对定位时，定位精度受卫星轨道误差、钟差及 信号传播误差等因素影响，尽管其中的一些系统误差，可以通过模 型加以消除，但残差仍不可忽视。实践表明，目前静态绝对定位精 度为米级，动态绝对定位精度仅为10-40 m。 GPS相对定位也叫差分GPS定位，是目前GPS定位中精度最高 的一种，广泛用于大地测量、精密工程测量、地球动力学研究和精 密导航。 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， 称为相对定位。 – 特点 – 优点：精度高 缺点：多台接收共同作业，作业复杂 – 应用：高精度测量定位
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采用积分多普勒计数法进行定位时，所需观测时间较长，一般 数小时，同时观测过程中，要求接收机的震荡器保持高度稳定。 干涉法测量时，所需设备较昂贵，数据处理复杂。 这两种方法在GPS定位中，尚难以获得广泛应用。 目前广泛应用的基本观测量主要有码相位观测量和载波相位观 测量。所谓码相位观测是测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码 或P码）到达用户接收机天线（观测站）的传播时间。也称时间延 迟测量。 载波相位观测是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信 号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。 由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度293m，P 码码元 宽度29.3m，而L1载波波长为19.03cm， L2载波波长为24.42cm，在 分辨率相同的情况下， L1载波的观测误差约为2.0mm， L2载波的观 测误差约为2.5mm。而C/A码观测精度为2.9m，P码为0.29m。载波 相位观测是目前最精确的观测方法。