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第三章 GPS定位的基本原理
第三章 GPS定位的基本原理
3.1 概述
3.2 GPS定位的基本观测量
3.3 GPS定位原理
3.4 GPS定位模式
3.1 概述
1. GPS定位原理:利用空间分布已知位置的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出的地面点位置坐标。
C为光速,δt为接收机钟差
2. GPS定位方法分类
1)按参照位置分类:绝对定位、相对定位;
2)按接收机在作业中的运动状态分类:静态定位、动态定位;
动态绝对定位、动态相对定位、静态绝对定位、静态相对定位。
3)依照测距的观测量分类:测码伪距法定位、测相伪距法定位。
3.2 GPS定位的基本观测量
伪距:由于各种误差源的影响,GPS卫星到用户接收机的观测距离并非真实地反映卫星到用户接收机的几何距离,这种带有误差的GPS观测距离称为伪距。
GPS定位的观测量:
①测码伪距观测量(码相位观测量);
②测相伪距观测量(载波相位观测量);
③多普勒积分计数伪距差;
④干涉法测量时间延迟。
3.2.1 测码伪距观测量
2. 测码伪距观测方程及其线性化
忽略GPS卫星钟的误差,可得测码伪距方程的常用形式:
码相关精度约为码元宽度的1%,利用P码测量精度可达0.29米,C/A测距可达2.9米。
泰勒公式
3.2.2 测相伪距观测量
载波相位测量
载波相位测量通过测量GPS卫星发射的载波信号从GPS卫星发射到GPS接收机之间传播路程上相位的变化,从而确定传播距离,又称测相伪距测量。
将调制在载波上的测距码和导航电文解调,重新获取载波的过程,称为重建载波。一般采用两种方法:码相关法和平方法。
接收机接收到的卫星信号与接收机复制的参考载波信号的相位差,就是载波相位观测量——相位延迟
整周未知数
不足一周部分
整周计数,接收机可测定的量
2. 载波信号的传播时间
测相伪距方程:
测码伪距方程:
从上面两式中可以看出测相伪距方程比测码伪距方程多出了一个参数——整周模糊度
3.2.3 整周模糊度的确定
1、平差待定参数法
(1)整数解(固定解):由整周模糊度的整数解获得的待定点坐标估值称为固定解。适用于基线比较短,观测误差和外界误差比较小的情况。
(2)非整数解(实数解或浮动解):由整周模糊度的实数解获得的待定点坐标估值称为固定解。
观测时间需要1个小时甚至更长,作业效率比较低。
2、快速解算法(FARA)
以数理统计理论的参数估值和假设检验为基础,充分利用初始平差的解向量及精度信息,确定在某一个置信区间整周模糊度可能的整数解的组合,然后依次将每个解组合作为已知值,重复进行平差计算,其中使估值验后方差最小的一组即为最佳估值。
在短基线的情况下,只需数分钟的双频观测成果,相对定位精度达厘米级。
3、动态法
GPS接收机确定初始整周模糊度的过程称为GPS的初始化。
(2)AROF(Ambiguity Resolution On the Fly)
1993年徕卡公司首先开发了动态确定整周模糊度的方法。首先确定有哪些信誉好的足球投注网站区域(初始坐标或整周模糊度解的三倍标准差内),在区域内遍历每个可能的值,依据一定的条件(如模糊函数值最大或方差最小)确定估值。
(1)初始化法:
GPS接收机在静止状态进行初始化,在运动之后持续跟踪4颗以上卫星,才能实现动态相对定位。
3.2.4 周跳的探测分析与修复
周跳:由于各种原因接收机计数器发生中断,无法准确记录整周计数,导致记录的整周计数和正确的整周计数存在偏差,称为周跳。
周跳有两种类型:
(1)中断数分钟以上,在数个历元中没有载波相位观测值;
(2)周跳发生在两个观测历元之间。
周跳探测与修复方法:
(1)高次差法;无周跳的高次差值具有随机特性。
(2)多项式拟合法:利用前面正确的相位观测值利用多项式外推下一个观测值,并与实际的观测值比较,从而发现周跳。
(3)其他方法:星际差分法、残差法等。
3.3 GPS定位原理
GP
S定位
绝对定位
相对定位
静态绝对定位
动态绝对定位
静态相对定位
动态相对定位(差分GPS定位)
测码伪距静态绝对定位
测相伪距静态绝对定位
测码伪距动态绝对定位
一般采用测相伪距观测量
单基准站GPS差分
多基准站GPS差分
位置差分
伪距差分
载波相位差分
测相伪距修正法
载波相位求差法
局部区域差分
广域差分
多基准站RTK
测相伪距动态绝对定位
1、测码伪距静态绝对定位
设
代入测码伪距方程
可得
3.3.1 绝对定位原理
静态测量时,可以观测多颗卫星不同历元的观测值,故
2、测相伪距静态绝对定位
整周模糊度
3、测码伪距动态绝对定位
测码伪距动态绝对定位和测码伪距静态绝对定位的主要区别是动态定位的观测量很少,必须至少同步观测4颗以
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