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1、GPS 测量原理与应用,2008年3月22日,GPS观测量GPS定位误差GPS观测方程GPS绝对定位GPS差分定位GPS观测网与基线广义意义下的差分定位,提 纲,第二章、GPS定位原理,2.1 GPS观测量,码与伪距观测,码：即数据，二进制表示数据流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到的量测距离。C/A码长1023bit,脉冲频率1.023MHz,码元宽1/1.023MHz=0.97752us（293.1m)，周期1msP码长2.35*1014bit，码元宽度0.097752us(29.3m),周期267天,GPS卫星的基准频率 f0,由卫星上的原子钟直接产生基准频率为
2、10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频,第二章、GPS定位原理,第二章、GPS定位原理,导航电文,包含卫星星历、工作状态、时间系统、卫星钟差改正，大气折射改正的数据码（D码，二进制码），按帧依序发射，具体格式可参阅ICD-200标准。电文解码后的参数用于计算卫星位置和卫星钟差,第二章、GPS定位原理,载波与载波相位观测,码（数据）需要调试到载波上才能发送到接收机上，由接收机解调恢复，接收机同时进行载波相位观测（与接收机参考载波的相位差）。接收机只能量测出起始时刻某一周上的相位小数部分额，并DSP的TIC（一般为0.1s）进行整周数计数。观测时刻t的总相位差颗表示为：,N(
3、t-t0)为TIC计数，N(t0)为未知数，整周模糊度，习惯上将载波相直接写为,第二章、GPS定位原理,伪距与载波相位的关系,不考虑误差的影响，理论上存在关系式,该式是相位平滑的理论基础,第二章、GPS定位原理,2.2 GPS定位误差,与卫星有关的误差 卫星钟差 轨道误差 相位偏心与传播路径有关的误差 电离层误差 对流层误差 多路径误差与设备有关的误差 接收机钟差 相位偏心 观测误差（偶然误差）周跳（粗差）其它误差 地球自转的影响 相对论影响,第二章、GPS定位原理,2.3 GPS观测方程,伪距观测方程,载波相位观测方程,设i为测站下标，k为卫星上标,第二章、GPS定位原理,2.4 GPS绝对
4、定位,伪距观测方程（仅考虑接收机钟差）,观测方程线性化,（l,m,n)为测站至卫星的方向余弦，0为测站近似值计算的站星距，近似值可以是（0，0，0）,矩阵形式,第二章、GPS定位原理,绝对定位的解（最小二乘法，vtpv=min),协因数阵,未知数的中误差,伪距测量中误差,第二章、GPS定位原理,精度因子,平面位置精度因子HDOP(horizontal DOP)及其相应的平面位置精度 高程精度因子VDOP(Vertical DOP)及其相应的高程精度,第二章、GPS定位原理,精度因子,空间位置精度因子PDOP(Position DOP)及其相应的三维定位精度接收机钟差精度因子TDOP(Time
5、DOP)及其钟差精度几何精度因子GDOP(Geometric DOP)及其相应的中误差,第二章、GPS定位原理,2.5 GPS差分定位,可消除或削弱相关误差,位置差分,伪距差分(单差，算子，消除卫星钟差，可用于时间同步),两站坐标相减，当观测卫星数相同时，与伪距差分精度相当,与绝对定位的系数阵相同，算法没有本质上的区别,星间差分（星差，算子，消除接收机钟误差，可用于PPP）,双差（算子，消除接收机钟和卫星钟误差，广泛意义上的差分定位）,三差（算子，消除接收机钟、卫星钟误差、模糊度，短时间内严重相关）,第二章、GPS定位原理,2.6 相位差分定位,双差,非差,差分基准,未知数大于观测方程的个数，
6、秩亏（即使采用多历元）1）选择参考站，与该站的坐标未知数为零（不列入观测方程），或取先验权为无穷大；2）使用单差模糊度作为未知数,并选择参考卫星(与该卫星有关的模糊度不列入观测方程），或给定整数（先验权为无穷大）。,第二章、GPS定位原理,2.7 GPS网与基线,坐标及方差结果以坐标差(x,y,z)的形式给出,大部分商用GPS处理软件都是以单基线建立观测方程的，需要考虑独立基线和网平差，可用重复边精度和闭合环检测粗差，网平差与水准网类似；无论是单基线处理模式还是网处理模式，实质上是先解算出坐标，再计算基线，GAMIT软件（网处理模式），Bernese软件。RTK为单基线模式。,图2.1 GPS观测网的独立基线,表2.1 独立基线搜索步骤,全部组合有 n(n-1)/2基线独立基线数：n-1,n个测站的GPS观测网：,1）最短距离(最有效地削弱系统误差)2）不构成闭合环,由短到长顺序排列：12,23,13,34,24,14,两条准则：,GPS网的独立基线,第二章、GPS定位原理,2.7 广义意义下的差分定位,WAAS（大范围）,网络RTK(VRS技术，局部城市),星际差分（高精度动态PPP，全球，NAVCO公司）,将电离层误差，卫星轨道误差作为改正数发布，采用星间差分消除接收机误差,第二章、GPS定位原理,频率之间的组合,Melbourne-Wbbena组合：,测相伪距,
