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《GPS 原理及其应用 》

《GPS 原理及其应用 》. 主讲：付建红. 《 GPS 原理及其应用 》. 第七讲 GPS 定位的基本原理. GPS 测量定位方法分类. 定位模式 绝对定位（单点定位） 相对定位 差分定位 定位时接收机天线的运动状态 静态定位：天线相对于地球坐标系静止 动态定位：天线相对于地球坐标系运动 准动态定位：搬站过程中保持信号连续观测. GPS 测量定位方法分类. 获得定位结果的时效 事后定位 实时定位 观测值类型 伪距测量 载波相位测量. 主要内容. 单点定位 相对定位 差分 GPS. §7.1 单点定位. GPS 单点定位的概念

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Presentation Transcript

  1. 《GPS原理及其应用》 主讲：付建红

  2. 《GPS原理及其应用》 第七讲GPS定位的基本原理

  3. GPS测量定位方法分类 • 定位模式 • 绝对定位（单点定位） • 相对定位 • 差分定位 • 定位时接收机天线的运动状态 • 静态定位：天线相对于地球坐标系静止 • 动态定位：天线相对于地球坐标系运动 • 准动态定位：搬站过程中保持信号连续观测

  4. GPS测量定位方法分类 • 获得定位结果的时效 • 事后定位 • 实时定位 • 观测值类型 • 伪距测量 • 载波相位测量

  5. 主要内容 • 单点定位 • 相对定位 • 差分GPS

  6. §7.1 单点定位 • GPS单点定位的概念 • GPS单点定位的几何原理 • GPS单点定位的求解 • GPS单点定位小结

  7. 我在哪里？

  8. 航空摄影摄区

  9. GPS单点定位是指根据卫星星历以及单台GPS接收机观测值来确定测站点在WGS84坐标系中绝对坐标的方法，也称为绝对定位。GPS单点定位是指根据卫星星历以及单台GPS接收机观测值来确定测站点在WGS84坐标系中绝对坐标的方法，也称为绝对定位。 （XS,YS,ZS） Z （X,Y,Z） O（0,0,0） Y X 1、GPS单点定位的概念

  10. 优点： • 一台接收机单独定位，观测简单， • 可瞬时定位 缺点： • 精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低 • 应用领域 • 低精度导航、资源普查、军事、...

  11. 在待测点上设站，向3个或3个以上已知点进行角度观测，通过后方交会方法求出待测点的坐标。在待测点上设站，向3个或3个以上已知点进行角度观测，通过后方交会方法求出待测点的坐标。 平面后方交会方法回顾

  12. (X,Y,Z,) (X1,Y1,Z1,) 2、GPS单点定位的几何原理 • 观测一颗卫星 • 测站位于以卫星位置为球心，站星距离为半径的球面上。

  13. (X2,Y2,Z2,) (X1,Y1,Z1,) 2、GPS单点定位的几何原理 • 观测两颗卫星 • 做两个球面 • 两球面相交为一个圆 • 测站位于圆上

  14. (X2,Y2,Z2,) (X1,Y1,Z1,) (X3,Y3,Z3,) 2、GPS单点定位的几何原理 • 观测三颗卫星 • 做三个球面 • 三个球面相交为两点 • 测站位于其中一点上

  15. 2、GPS单点定位的几何原理 • GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会 • 观测一个站星距离 • 观测两个站星距离 • 观测三个站星距离 • 观测三个站星距离＋地球 球面 圆 两点 一点

  16. 3、GPS单点定位的求解

  17. GPS卫星在“T”时刻发射信号 电离层 对流层 站星距离= △t×光速 GPS接收机于“T+△t”时刻接收到信号

  18. 由于大气误差的影响，GPS卫星钟和GPS接收机钟 都含有误差，造成星站距离观测值并非星站几何距离。

  19. S3 S1 S2 S4 (X,Y,Z,dt)

  20. 给定待定点的初始坐标 (X0,Y0,Z0)

  21. 观测到多颗卫星

  22. DOP（Dilution of Precision） • GDOP – Geometry Dilution of Precision • PDOP – Position Dilution of Precision • TDOP – Time Dilution of Precision • HDOP – Horizontal Dilution of Precision • VDOP – Vertical Dilution of Precision

  23. N,E,H为站心坐标系下的坐标分量

  24. DOP值与定位精度 • DOP值的性质 • DOP值与单点定位时，所观测卫星的数量与分布有关，它所表示的是定位的几何条件 • DOP值越小，定位的几何条件越好

  25. GPS单点定位计算过程 • 计算观测卫星的位置（Xi,Yi,Zi）,卫星钟差dTi ,大气误差改正 • 得到伪距观测值 • 确定未知数初值（X0, Y0, Z0） • 组成误差方程式 • 解求坐标未知数改正数 • 迭代计算，并检查是否收敛 信号发送时刻还是信号接收时刻？ 信号发送时刻的卫星位置，在信号接收时刻地球坐标系下的坐标。

  26. 4、GPS单点定位小结 • GPS单点定位的实质是空间距离后方交会； • 要同时确定测站坐标和接收机钟差必须同时观测四颗或四颗以上卫星； • GPS单点定位求解测站坐标一般需要迭代计算。 说明: 首历元计算时，初始值(0,0,0)，需迭代3-5次 其后历元令 ，迭代1-2次

  27. 课后作业 1、绘出GPS单点定位的程序流程图 2、编程实现GPS伪距单点定位

  28. 7.2 精密单点定位（PPP – Precise Point Positioning） • 特点 • 主要采用载波相位观测值 • 采用精密卫星轨道和卫星钟差数据 • 采用复杂的数学模型 • 定位精度 • 厘米级 • 用途 • 全球高精度测量 • 卫星定轨

  29. 载波相位观测方程 载波相位单点定位的误差方程 是否可解？ 如果某个历元观测了n颗卫星则 误差方程个数为：n 未知数个数为：(4+n)

  30. 静态情况下k个历元里，每历元均观测了n颗相同的卫星静态情况下k个历元里，每历元均观测了n颗相同的卫星 误差方程个数为：k×n 未知数个数为：3+k+n 什么情况下可解？ k×n > (3+k+n)

  31. 误差方程式为:

  32. 用矩阵形式表示为:

  33. 相对定位的概念 相对定位的特点 相对定位的观测方程 相对定位的类型 §7.3 相对定位

  34. 1、相对定位的概念 • 定义：确定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。 • 定位结果 • 某一坐标系下的基线向量（坐标差） • 基线向量中含有：2个方位基准（一个水平方位，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准

  35. 2、相对定位的特点 • 优点： • 定位精度高 • 缺点： • 多台接收机共同作业，作业复杂 • 数据处理复杂 • 不能直接获取绝对坐标 • 应用 • 高精度测量定位及导航

  36. 3、观测方程 • 非差观测方程 • 单差观测方程 • 双差观测方程

  37. 4、相对定位的类型 • 静态相对定位 • 动态相对定位 • 准动态相对定位

  38. 5、RTK技术 • 概念：RTK(Real Time Kinematic)是一种利用GPS载波相位观测值进行实时动态相对定位的技术。 • 仪器设备 • 至少2台接收机 • 数据通讯链（无线电台2个） • RTK软件 • 特点和用途 在短时间内获得厘米级精度，广泛应用于图根控制测量、施工放样、工程测量和地形测量

  39. 差分GPS原理 差分GPS的分类 差分GPS的新进展 §7.8 差分GPS

  40. 1、概述 差分GPS产生的原因：绝对定位精度不能满足要求 • 各种观测误差的影响 • 美国实施的SA政策 SA取消前后的定位结果

  41. 2、差分GPS的基本原理 • 误差的相关性 • 各类误差中除多路径误差外，其他误差均具较强的相关性，从而定位结果也有一定的相关性。 • 差分GPS的基本原理 • 利用基准站（架设在坐标精确已知的点上的接收机）测定具有相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果。

  42. 3、差分GPS的分类 • 根据时效性 • 实时差分 • 事后差分 • 根据观测值类型 • 伪距差分 • 载波相位差分

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