第三章 GPS 靜態定位原理
一、 GPS 定位方法分類
1、根據定位模式:
單點定位 (絕對定位 :絕對定位是以地球質心為參考點, 測定接收機天線在 協議地球坐標系中的絕對位置。
相對定位:確定測站與某一地面參考點之間的相對位置。
差分定位:用兩臺 GPS 接收機,將一臺接收機安設在基準站上固定不動,另 一臺接收機安置在運動的載體上,兩臺接收機同步觀測相同的衛星,通過在 觀測值之間求差,以消除具有相關性的誤差,提高定位精度。而運動點位置 是通過確定該點相對基準站的相對位置實現的。
2、根據定位時接收機天線的運動狀態:
靜態定位:如果在定位過程中, 用戶接收機天線處于靜止狀態, 或者更明確 地說, 待定點在協議地球坐標系中的位置, 被認為是固定不動的, 那么確定這些 待定點位置的定位測量就稱為靜態
定位。
動態定位:如果在定位過程中, 用戶接收機天線處在運動狀態, 這時待定點 位置將隨時間變化。確定這些運動著的待定點的位置,稱為動態定位。
3、根據定位時效:
實時定位:在用戶站接收到 GPS 衛星信號的同時計算出定位結果。
事后定位:在測后進行有關的數據處理,求得用戶站的定位結果。
4、根據觀測值類型:
偽距測量:利用 C/A碼偽距或 P 碼偽距作為觀測量進行定位測量。
載波相位測量:利用 L1載波或 L2載波測得的載波相位偽距作為觀測量進行 定位測量。
二、 GPS 靜態定位原理
1、概述
GPS 測量定位的分類
A :依定位時的狀態
動態定位
靜態定位
B :依定位模式
絕對定位(單點定位
相對定位
差分定位
C :依定位采用的觀測值
偽距測量(偽距法定位
載波相位測量
D :依時效
實時定位
事后定位
E :依確定整周模糊度的方法及觀測時段的長短
常規靜態定位
快速靜態定位
2、靜態絕對定位原理(測碼偽距定位
? 靜態絕對定位是在接收機天線處于靜止狀態下,確定測站的三維地心坐
標。
? 定位所依據的觀測量,是根據碼相關測距原理測定的衛星至測站間的偽 距。
? 由于定位僅需使用一臺接收機,速度快,靈活方便,且無多值性問題等 優點,廣泛用于低精度測量和導航。
偽距法單點定位
?DOP 值 – Dilusion Of Precision(幾何精度因子
?PDOP (三維位置精度因子
?HDOP (水平分量精度因子
?VDOP (垂直分量精度因子
?GDOP (反映衛星空間幾何分布對接收機鐘差和位置綜合影響的精 度因子
?TDOP (鐘差精度因子
3、靜態相對定位原理(測相偽距定位
靜態絕對定位, 由于受到衛星軌道誤差、 接收機鐘不同步誤差, 以及信號傳 播誤差等多種
因素的干擾,其定位精度較低, 2~3h C/A碼偽距絕對定位精度約 為±20m ,遠不能滿足大地測量精密定位的要求。而靜態相對定位,由于采用載 波相位觀測量以及相位觀測量的線性組合技術, 極大地削弱了上述各類定位誤差 的影響,其定位相對精度高達 10-6~10-7,是目前 GPS 定位測量中精度最高的 一種方法,廣泛應用于大地測量、精密工程測量以及地球動力學研究。
(1靜態相對定位的一般概念
用兩臺接收機分別安置在基線的兩端點, 其位置靜止不動, 同步觀測相同的 4顆以上 GPS 衛星, 確定基線兩端點的相對位置, 這種定位模式稱為靜態相對定 位。
在實際工作中,常常將接收機數目擴展到 3臺以上,同時測定若干條基線。 這樣做不僅提高了工作效率,而且增加了觀測量,提高了觀測成果的可靠性。 (2載波相位觀測方程及其線性化
載波相位測量(一
?偽距測量的局限性 – 觀測值的精度低
?載波相位 (Carrier Pha – L1、 L2
載波相位測量(二
?載波相位的測定
?重建載波
?碼相關法
?得到的觀測值為全波(full wave
?平方法
?得到的觀測值為半波(half wave
?載波相位觀測值
?理想的觀測方法:信號接收時刻, 衛星端衛星載波信號的相 位 (?S 與接收機端衛星載波信號的相位 (?R 之差。 從而測定 出站星距離 (D,即
?問題:衛星端衛星載波信號的相位 (?S 不能直接測定。 載波相位測量(三
?載波相位觀測值(續
?實際觀測方法:信號接收時刻,接收機模擬(復制的衛星 端衛星載波信號的相位 (ΦS 與接收機端衛星載波信號的相 位 (? R之差,即
?整周跳變(周跳 – Cycle Slip
載波相位測量(四
?整周模糊度(整周未知數 - Ambiguity
?特性:
?整數
?若信號不失鎖或發生周跳,則保持不變 (1 整數解 (固定解
整周未知數從理論上講應該是一個整數, 但是, 由于各種誤差的影響, 平差 求得的整周未知
數往往不是一個整數,而是一個實數。
對于短基線,當進行 1 h 以上的靜態相對定位,由于測站間星歷誤差、大氣 折射等誤差具有強相關性, 相對定位可以使這些誤差大大消弱; 同時也由于在較 長的觀測時間, 觀測衛星的幾何分布會產生較大的變化, 因此能以較高的精度來 求定整周未知數。 此時, 平差求出的整周未知數一般為較接近于鄰近整數的實數, 且如果整周未知數估值的中誤差甚小,則可直接取相鄰近的整數為整周未知數; 或者從統計檢驗的角度,取整周未知數估值加上 3倍的中誤差 (即 為整周未知數 的整數取值范圍,該范圍內包含的所有整數均作為整周未知數的候選值。
(2實數解 (浮動解
對于長基線, 誤差的相關性降低, 因此衛星星歷、 大氣折射等誤差的影響難 以有效消除, 求解的整周未知數精度較低。 事實上, 整周未知數的實數解中往往 包含了一些系統誤差, 此時, 再將其取為某一整數, 實際上對于相對定位精度只 會有損而無益。 所以通常對于 20 km以上的長基線通常不再考慮整周未知數的整 數性質, 直接將實數作為整周未知數的解。 由實數整周未知數獲得的基線解也稱 為浮動解。
1、 三差法
由載波相位觀測值的線性組合可知, 當連續跟蹤載波相位觀測值在歷元之間求差 時, 由于其含有相同的整周未知數, 求差后方程中不再含有整周未知參數, 因此 可直接解出坐標參數。但是,在兩個歷元之間,由于幾何圖形結構相近,觀測方 程相關性強, 所以求差后的方程性態不好, 導致求出的坐標參數精度不高。 實際 應用時, 一般采用在測站、 衛星、 歷元間求三差后的方程求解坐標未知數并將其 作為未知參數的初始值, 代入雙差模型再求解整周未知數。 由于利用三差法求出 的坐標估值是具有較好近似度的初始值, 因此有益于提高雙差求解整周未知數的 精度。
