【测绘课件】GPS-4.ppt
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1、第五章 GPS定位方法及误差分析,定位方法分类,2.观测量的基本概念,3. GPS定位的误差源,4. GPS定位基本原理,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。,GPS定位方法分类,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
2、程中,接收机天线处于运动状态。,GPS定位方法分类,1. GPS定位方法分类,绝对定位,静态定位 动态定位,相对定位,静态定位 动态定位,定位方式,GPS卫星信号包含三种信号分量:载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生,GPS卫星信号示意图如下,GPS基本观测量(回忆),2. GPS观测量的基本概念(P49-52),伪距观测值,载波相位观测值,C/A码,码元宽293M,精度2.9M P码,码元宽29 . 3M,精度0. 29M,L1载波,波长19cm,精度0. 19cm L2载波,波长24cm,精度0. 24cm,原始观测量,载波相位观测值,
3、优点:观测值精度高,用精密定位 存在问题,整周不确定(模糊度解算) 整周跳变现象,2. GPS观测量的基本概念(续),r 是已知值 P 是测量值 R 是未知值,对于某颗卫星:,什么叫伪距?,所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟,实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值,因此一般称量测出的距离为伪距。 用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距,用P码测量的伪距为P码伪距。,伪距概念,2. GPS观测量的基本概念(续),伪距法定位特点,伪距法定位虽然一次定位精度不高,P码定
4、位误差约为10m,C/A码定位误差为20-30m,但因其具有定位速度快,且无多值性问题等优点,仍然是GPS定位系统进行导航的最基本方法。同时,所测伪距又可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题(整周模糊度)的辅助资料。,伪距定位观测方程,假设卫星至观测站的几何距离为ij,在忽略大气影响的情况下可得相应的伪距:,当卫星钟与接收机钟严格同步时,上式所确定的伪距即为站星几何距离。 为伪距, 为真正几何距离, 为接收机和卫星之间钟差。,通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的导航电文中获得,经钟差改正后,各卫星之间的时间同步差可保持在20ns以内。如果忽略卫星之间钟差影响,并考虑电离层、对流层折射等影响,可
5、得:,伪距定位观测方程,伪距定位观测方程,几何距离 与卫星坐标(Xs, Ys, Zs)和接收机坐标(X,Y,Z)之间有如下关系:,其中卫星坐标可根据卫星导航电文求得,所以式中只包含接收机坐标三个未知数。由于电离层改正数和对流层改正数可以按照一定的模型求解出,那么如果将接收机钟差 也作为未知数,则共有四个未知数。因此,接收机必须同时至少测定四颗卫星的距离才能解算出接收机的三维坐标值。,测码伪距观测方程的常用形式如下:,伪距定位观测方程,式中j为卫星数,j1,2,3。,GPS载波相位测量,载波相位测量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,通过相位差来
6、求解接收机位置。 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。,载波相位测量观测方程,载波相位观测的的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。以 表示k接收机在接收机钟面时刻tk时所接受到的j卫星载波信号的相位值, 表示k接收机在钟面时刻tk时所产生的本地参考信号的相位值,则k接收机在接收机
7、钟面时刻tk时观测j卫星所取得的相位观测量可写为:,载波相位测量原理,载波相位观测的主要问题:无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数,存在整周不确定性问题。此外,在接收机跟踪GPS卫星进行观测过程中,常常由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因,还可能产生整周跳变现象。有关整周不确定性问题,通常可通过适当数据处理而解决,但将使数据处理复杂化。,载波相位测量的主要问题,载波相位测量值,通常的相位测量或相位差测量只是测出一周以内的相位值,实际测量中,如果对整周进行计数,则自某一初始取样时刻(t0)以后就可以取得连续的相位观测值。,载波相位测量观测方程,t0 时刻和tk 时刻的相位
8、观测值可以写成:,接收机在跟踪卫星信号时,不断测定小于一周的相位差,并利用整周计数器记录从t0 到tk 时间内的整周数变化量Int(),这一时间段内,要求卫星信号没有中断。如果过程中卫星失锁了,那要采取其他方法进行处理。,整周未知数和整周跳变,确定整周未知数N0是载波相位测量的一项重要工作,常用的方法有下列几种: 1、伪距法 2、经典方法将整周未知数作为待定参数求解 3、多普勒法(三差法) 4、快速确定整周未知数法,整周未知数和整周跳变,1、伪距法 伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量,将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值(化为以距离为单位)后即可得到N0。但由于伪距测量的精度
9、较低,所以要有较多的观测值取平均值后才能获得正确的整波段数。,整周未知数和整周跳变,2、经典方法 把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定。分两种方法: (1)整数解 由于误差影响,解得得整周未知数往往不是一个整数,然后将其固定为整数,并重新进行平差计算。也称为固定解(fixed solution) (2)实数解 当误差消除得不够完全时,整周未知数无法估计很准确,此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解(floating solution),整周未知数和整周跳变,3、多普勒法(三差法) 由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含有相同的整周未知数,所以将相邻两个观测历元的载波相位相
10、减,就将该未知数消去,从而直接接触坐标参数,这就是多普勒法。 由于三差法可以消除许多误差,所以使用较广泛。,整周未知数和整周跳变,4、快速确定整周位置数法 1990年E.Frei和G.Beutler提出了快速模糊度(即整周未知数)解算法进行快速定位的方法。采用这种方法进行短基线定位时,利用双频接收机只需观测一分钟便能成功的确定整周未知数。,整周未知数和整周跳变参见书P54-56,周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题,整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种方法: 1、屏幕扫描法(也就是手工编辑) 2、多项式拟合法 3、卫星间求差法 4、根据平差后的残差发现和修复整周跳变,3. GPS测量
11、的误差源(P87-99),误差分类 (性质),系统误差,偶然误差,卫星轨道误差 卫星钟差 GPS接收机钟差 大气层延迟,减弱修正措施,多路经效应引起的误差 观测误差,按误差性质分类,按误差性质可分为系统误差与偶然误差两类。偶然误差主要包括信号的多路径效应,系统误差主要包括卫星的星历误差、卫星钟差、接收机钟差以及大气折射的误差等。其中系统误差无论从误差的大小还是对定位结果的危害性都比偶然误差要大得多,它是GPS测量的主要误差源。同时系统误差有一定的规律可循,可采取一定的措施加以消除。 系统误差是由于仪器本身不精确、或实验方法粗略、或实验原理不完善而产生的。 偶然误差是由各种偶然因素对实验者、测量
12、仪器、被测物理量的影响而产生的。,3. GPS测量的误差源(续),与GPS卫星有关的误差,与信号传播有关的误差,与GPS接收机有关的误差,GPS观测量误差源分类,卫星钟差 卫星轨道误差,电离层 对流层 多路经效应,测站点的选择和安置(相位中心),GPS接收机钟差,载波相位整周未知数,与卫星有关的误差,(1)卫星钟差 GPS观测量均以精密测时为依据。GPS定位中,无论码相位观测还是载波相位观测,都要求卫星钟与接收机钟保持严格同步。实际上,尽管卫星上设有高精度的原子钟,仍不可避免地存在钟差和漂移,偏差总量约在1 ms内,引起的等效距离误差可达300km。 卫星钟的偏差一般可通过对卫星运行状态的连续
13、监测精确地确定,并用二阶多项式表示:tj=a0+a1(t-t0e)+a2(t-t0e)2。式中的参数由主控站测定,通过卫星的导航电文提供给用户。,与卫星有关的误差,(2)卫星轨道偏差: 由于卫星在运动中受多种摄动力的复杂影响,而通过地面监测站又难以可靠地测定这些作用力并掌握其作用规律,因此,卫星轨道误差的估计和处理一般较困难。目前,通过导航电文所得的卫星轨道信息,相应的位置误差约20-40m。随着摄动力模型和定轨技术的不断完善,卫星的位置精度将可提高到5-10m。卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一。,卫星信号传播误差,(1)电离层折射影响:主要取决于信号频率和传播路径上的电子总量
14、。通常采取的措施: 利用双频观测:电离层影响是信号频率的函数,利用不同频率电磁波信号进行观测,可确定其影响大小,并对观测量加以修正。其有效性不低于95%. 利用电离层模型加以修正:对单频接收机,一般采用由导航电文提供的或其它适宜电离层模型对观测量进行改正。目前模型改正的有效性约为75%,至今仍在完善中。 利用同步观测值求差:当观测站间的距离较近(小于20km)时,卫星信号到达不同观测站的路径相近,通过同步求差,残差不超过10-6。,卫星信号传播误差,(2)对流层的影响 对流层折射对观测量的影响可分为干分量和湿分量两部分。干分量主要与大气温度和压力有关,而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度和高
15、度有关。目前湿分量的影响尚无法准确确定。对流层影响的处理方法: 定位精度要求不高时,忽略不计。 采用对流层模型加以改正。 引入描述对流层的附加待估参数,在数据处理中求解。 观测量求差。,卫星信号传播误差,(3)多路径效应:也称多路径误差,即接收机天线除直接收到卫星发射的信号外,还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号。两种信号迭加,将引起测量参考点位置变化,使观测量产生误差。在一般反射环境下,对测码伪距的影响达米级,对测相伪距影响达厘米级。在高反射环境中,影响显著增大,且常常导致卫星失锁和产生周跳。措施: 安置接收机天线的环境应避开较强发射面,如水面、平坦光滑的地面和建筑表面。 选择造
16、型适宜且屏蔽良好的天线如扼流圈天线。 适当延长观测时间,削弱周期性影响。 改善接收机的电路设计。,3. GPS测量的误差源(续),多路经效应概念,接收设备有关的误差,主要包括观测误差、接收机钟差、天线相位中心误差和载波相位观测的整周不确定性影响。 (1)观测误差:除分辨误差外,还包括接收天线相对测站点的安置误差。分辨误差一般认为约为信号波长的1%。安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线相位中心高度(天线高)误差。例如当天线高1.6m ,置平误差0.10,则对中误差为2.8mm。,接收设备有关的误差,(2)接收机钟差 GPS接收机一般设有高精度的石英钟,日频率稳定度约为10-11。如果接收
17、机钟与卫星钟之间的同步差为1s,则引起的等效距离误差为300m。处理接收机钟差的方法: 作为未知数,在数据处理中求解。 利用观测值求差方法,减弱接收机钟差影响。 定位精度要求较高时,可采用外接频标,如铷、铯原子钟,提高接收机时间标准精度。,接收设备有关的误差,(3)载波相位观测的整周未知数 无法直接确定载波相位相应起始历元在传播路径上变化的整周数。同时存在因卫星信号被阻挡和受到干扰,而产生信号跟踪中断和整周变跳。 (4)天线相位中心位置偏差 GPS定位中,观测值都是以接收机天线的相位中心位置为准,在理论上,天线相位中心与仪器的几何中心应保持一致。实际上,随着信号输入的强度和方向不同而有所变化,
18、同时与天线的质量有关,可达数毫米至数厘米。如何减小相位中心的偏移,是天线设计的一个迫切问题。,其它误差来源,(1)地球自转影响 (2)相对论效应 在GPS定位中,除了上述各种误差外,卫星钟和接收机钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫星轨道摄动模型误差、地球潮汐以及信号传播的相对论效应等都会对观测量产生影响。 为提高长距离相对定位的精度,满足地球动力学研究要求,研究这些误差来源,并确定它们的影响规律和改正方法,有重要意义。,4 . GPS定位基本原理(P74-75),接收机坐标 (Receiver coordinates),卫星坐标 (satellite coordinates),第六章 GPS
19、 绝对定位原理,GPS 观测方程,2.观测方程的线性化 3.整周未知数的确定与整周跳变的修复,4. 动态绝对定位原理,5. 静态绝对定位原理,6. 卫星几何分布及其对定位精度的影响,1. GPS 观测方程,A. 伪距观测方程 P51, P75-76,B. 载波相位观测方程 P52-53, P77,B. 线性的测相伪距观测方程,2. GPS 观测方程的线性化,A. 线性的测码伪距观测方程,3. 整周未知数的确定与整周跳变的修复(P53-56),整周不确定 (模糊度) Ambiguity,载波相位观测值:,小数部分精确可知 整周(整数)不知,3.1 整周未知数确定方法,整周未知数确定-Ambigu
20、ity Resolution,整周未知数: 相对于起始历元的 相位整周,3.1 整周未知数确定方法(续),载波相位的变化方程:P54,载波相位伪距观测方程:,*问题:上述二方程关系如何?,3.1 整周未知数确定方法(续),基本方法:,4. 动态绝对定位原理(P57-58),公式(5-28),A. 四颗星定位原理,4. 动态绝对定位原理(续),B . GPS 绝对定位求解步骤:,设观测点坐标初始值 由公式(5-28)求得 更新观测点坐标初始值 重复过程2和3直至收敛(误差最小),4. 动态绝对定位原理(续),C . 观测卫星数大于4的定位方法,最小二乘法平差求解,N=4,N4,5. 静态绝对定位
21、原理,商用软件采用上述方法,6. 精度因子及其对定位精度的影响(P59),A. 定位精度评价,6. 卫星几何分布及其对定位精度的影响(续),B. 精度因子 DOP(Dilution of Precision),PDOP:表示空间位置误差精度因子 TDOP:表示钟差精度的精度因子 GDOP: 表示空间位置误差和时间误差综合影响,HDOP VDOP,DOP,6. 卫星几何分布及其对定位精度的影响(续),C. 卫星几何分布对精度因子的影响,GDOP大小与卫星几何分布见周忠谟主编 图6-4(P120),大学课件出品 版权归原作者所有 联系QQ :910670854 如侵权,请告知,吾即删 更多精品文档
22、请访问我的个人主页 http:/ 却聪明得太迟 把钱省下来,等待退休后再去享受 结果退休后,因为年纪大,身体差,行动不方便,哪里也去不成。钱存下来等养老,结果孩子长大了,要出国留学,要创业做生意,要花钱娶老婆,自己的退休金都被拗走了。,人生太短,聪明太晚(2),当自己有足够的能力善待自己时,就立刻去做,老年人有时候是无法做中年人或是青少年人可以做的事,年纪和健康就是一大因素。小孩子从小就告诉他,养你到高中,大学以后就要自立更生,要留学,创业,娶老婆,自己想办法,自己要留多一点钱,不要为了小孩子而活我们都老得太快却聪明得太迟,我的学长去年丧妻。这突如其来的事故,实在叫人难以接受,但是死亡的到来不
23、总是如此。学长说他太太最希望他能送鲜花给他,但是他觉得太浪费,总推说等到下次再买,结果却是在她死后,用鲜花布置她的灵堂。这不是太蠢愚了吗?! 等到、等到.,似乎我们所有的生命,都用在等待。,人生太短,聪明太晚(3),等到我大学毕业以后,我就会如何如何我们对自己说 等到我买房子以后! 等我最小的孩子结婚之后! 等我把这笔生意谈成之后! 等到我死了以后 人人都很愿意牺牲当下,去换取未知的等待;牺牲今生今世的辛苦钱,去购买后世的安逸 在台湾只要往有山的道路上走一走,就随处都可看到农舍变精舍,山坡地变灵塔,无非也是为了等到死后,能图个保障,不必再受苦。许多人认为必须等到某时或某事完成之后再采取行动。明
24、天我就开始运动,明天我就会对他好一点,下星期我们就找时间出去走走;退休后,我们就要好好享受一下。,人生太短,聪明太晚(4),然而,生活总是一直变动,环境总是不可预知,现实生活中,各种突发状况总是层出不穷。身为一个医生,我所见过的死人,比一般人要来得多。这些人早上醒来时,原本预期过的是另一个平凡无奇的日子,没想到一个意料之外的事;交通意外、脑溢血、心脏病发作等等。剎那间生命的巨轮倾覆离轨,突然闯进一片黑暗之中。那么我们要如何面对生命呢?我们毋需等到生活完美无瑕,也毋需等到一切都平稳,想做什么,现在就可以开始做起。 一个人永远也无法预料未来,所以不要延缓想过的生活,不要吝于表达心中的话, 因为生命
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