GPS卫星定位的基本原理.ppt
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1、GPS原理及应用,讲授:杨利兵,测绘本科生课程,石家庄经济学院 Tel: 13930172526,差分GPS定位原理 美国的GPS政策,第八讲 GPS卫星定位基本原理(三),差分定位,静态定位中:相对定位 动态定位中:差分定位,讲授内容,两台GPS接收机分别安置在基线的两端,同步观测相同的GPS卫星,以确定两台接收机天线之间的相对位置(坐标差)。,GPS相对定位,一个测站上对两个目标的观测值; 两个测站上对同一目标的观测值; 一个测站上对一个目标的两次观测值; ,利用求差后的观测值解算两观测站间的基线向量。,差分技术在相对定位中的运用,“(DGPS) Differential GPS”,至少需
2、两台接收机,分别在运动载体和基准站上。两台接收机同步观测一组卫星,基准接收机为动态接收机提供差分改正数(DGPS数据),动态接收机根据自己的观测值和差分改正数,精确解算用户的三维坐标。,基准接收机,动态接收机,DGPS数据链,基准接收机的DGPS数据无线电发送机,与动态接收机的DGPS数据无线电接收机,构成了DGPS数据链,DGPS数据链的组成,调制解调器 无线电电台 通过RS-232-C接口与信号接收机相连,基准站上的DGPS数据链,RS-232-C接口,数据终端设备和数据通信设备间的串行二进制数据交换的接口 在基准站上: 将DGPS数据送到调制解调器 在动态站上: 从调制解调器取得DGPS
3、数据,并送到信号接收机,调制解调器,在基准站上: 将DGPS数据进行编码,进而将其调制在载波上,送到无线电发射机 在动态站上: 从已调波中解调出DGPS数据,通过RS-232-C接口送到信号接收机,GPS信号接收机,RS-232-C接口,调制 解调器,无线电发射机,无线电收发机,在基准站上: 无线电发射机以电磁波的形式将DGPS数据发送给用户 在动态站上: 接收DGPS数据,基准站,基准站坐标(X0,Y0,Z0),L1、L2(P、INT、Frd()),流动站,差分GPS技术可以消除的误差,多台接收机公有的误差(可完全消除) - 卫星钟误差、星历误差 传播延迟误差(大部分消除) - 电离层误差、
4、对流层误差 接收机固有的误差 - 内部噪声、通道延迟误差、多路径效应,差分GPS分类(一),按数据处理方式: 实时DGPS测量 后处理DGPS测量 如:GPS航空摄影测量技术,差分GPS分类(二),单基准站GPS差分 局部区域差分 广域差分,位置差分 伪距差分 载波相位差分,计算基准站的精密坐标与观测坐标的改正数; 基准站发送坐标改正数,用户接收机接收其并对自身观测值进行修正。,位置差分原理,位置差分的计算步骤,基准站的精密坐标已知(X0,Y0,Z0),在基准站上的接收机测得的坐标为(X,Y,Z)(包含各种误差),所以,坐标改正数为:,基准站用数据链将改正数发送出去,用户接收机在解算时加上改正
5、数:,经过改正后的坐标:,位置差分的特点,优点: - 消去了基准站和用户站共同的误差 - 基准接收机只需向动态用户发送三个DGPS数据,易于实施数据传输 - 计算简单,适用于各种型号接收机。 缺点: - 基准站与用户须观测同一组卫星,距离较长时难以满足。 - 随着站间距离的加长,动态用户的位置测量精度逐渐降低,伪距差分原理,根据基准站精确坐标和测出的卫星地心坐标,求出卫星至基准站的真正距离,计算伪距改正数及其变化率; 用户根据伪距改正数及其变化率求出改正后的伪距,计算用户接收机坐标。,伪距差分的计算步骤,根据基准站已知坐标(X0,Y0,Z0)和观测到的卫星星历,计算每颗卫星每一时刻到基准站的真
6、实距离,如下:,伪距改正数为:,其变化率为:,伪距,伪距差分的计算步骤(续),基准站将j 和dj发送给用户,用户在测出的伪距j上加上改正,求出经改正后的伪距:,然后按下式计算坐标:,用户接收机钟差,接收机噪声,C/A码伪距的单点定位和DGPS测量的精度估值比较,伪距差分定位精度高的原因,消除了GPS卫星时钟偏差的精度损失(用户接收机计算出的伪距同伪距改正数中的钟差相互抵消) 能够显著减小甚至消除电离层/对流层效应和星历误差的精度损失,优点: 基准接收机发送的DGPS数据,是所有在视卫星的伪距改正数,动态接收机只需选用其中4颗以上的伪距改正值。 缺点: 精度随基准站到用户的距离增加而降低。,伪距
7、差分的特性,RTK(Real Time Kinematic)技术 实时处理两个观测站载波相位观测量的差分方法。,载波相位差分,载波相位差分方法分类,修正法(准RTK): 将基准接收机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 差分法(真RTK): 将基准接收机的载波相位发送给用户,进行求差解算坐标,载波相位差分观测量方程,RTK的工作原理,静态方法 动态方法,载波相位差分求解的关键,起始相位模糊度的确定,静态法,伪距法 经典方法 多普勒法 快速确定法,需要对GPS卫星的静态观测来实现,伪距法,将载波相位测量的观测值(化为以距离为单位)减去伪距实际观测值后即可得到No。 由
8、于伪距测量的精度较低,所以要有较多的No取平均值后才能获得正确的整波段数。,所以,得,经典方法,将整周未知数当做平差中的待定参数,整数解 实数解,多普勒法(三差法),由于连续跟踪的所有载波相位观测值中均含有相同的整周未知数N0,所以将相邻两个观测历元的载波相位相减,就可消去N0,从而解出坐标。然后再根据坐标值求解N0 。,快速确定整周未知数法,1990年EFrei和GBeutler提出 基本思路: 利用初始平差的解向量及其精度信息,以参数估计和统计假设检验为基础,确定在某一置信区间内N0的可能的整数解的组合; 依次将N0的每一组合作为已知值,重复进行平差计算。使估值的验后平差或方差和为最小的一
9、组N0 ,即为最佳估值。,单站差分技术的局限,测量精度随着站间距离的增加而降低 如:采用伪距法DGPS测量,站间距离为500km时,用户定位误差为12.2m;站间距离为600km时,用户定位误差为14.4m,克服单站差分技术的局限,局部区域差分(LADGPS) 广域差分(WADGPS),局部区域差分(LADGPS),在局部区域布设差分GPS网,该网由若干个基准站组成,通常还包含一个或数个监控站。 位于区域中的用户根据多个基准站提供的改正信息,经平差后求得自己的改正数。,局部区域差分(续),用户接收机通常采用加权平均法或最小方差法对来自多个基准站的改正信息进行平差计算,求得自己的坐标改正数或距离
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- GPS 卫星 定位 基本原理
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