第七讲 GPS卫星定位基本原理.doc

PAGE PAGE 77 第七讲 GPS卫星定位基本原理 本单元教学重点和难点 1、伪距测量的原理及其相应的技术； 2、载波相位测量的原理及其相应的技术； 3、绝对定位和相对定位的方法。 教学目标 1、熟悉伪距测量的原理及其相应的技术； 2、熟悉载波相位测量的原理及其相应的技术； 3、了解GPS绝对定位、相对定位和差分定位的含义； 4、了解三种定位的区别和相应的方法。 学习指导 本章介绍GPS测量原理，内容包括：GPS定位方法分类、GPS观测量、动态绝对定位、静态绝对定位、动态相对定位、静态相对定位以及差分定位。教学目的是使学生掌握GPS定位的基本原理，为学习GPS测量误差、GPS接收机选购与检验、GPS网的设计、GPS选点、观测和数据处理打下理论基础。 本章内容的特点是概念多、理论多、公式多，不涉及技能训练。学习时重点掌握GPS定位的基本原理、GPS定位方法分类、GPS观测量、绝对定位、精度衰减因子、整周未知数、整周跳等基本概念，测码伪距动态绝对定位和测相伪距动态绝对定位、静态绝对定位、相对定位、RTK、网络RTK等基本原理。对于教材中的公式推导过程不要求掌握，但对公式推导的结论应当理解并熟练掌握。如观测方程和定位精度评价公式，应能结合误差传播定律从中看出影响定位精度的各种因素，并能通过以后章节学习，掌握相应的测量方法、减弱 各种误差影响以提高测量精度的措施。 本章主要介绍GPS卫星定位的基本原理与定位方法分类；GPS定位所依据的伪距观测量；在测码伪距观测量和测相伪距观测量的基础上，讨论了静态和动态绝对定位原理以及相对定位和差分定位原理。 GPS定位原理概述 1． GPS定位原理 测量学中的交会法测量里有一种测距交会确定点位的方法。与其相似，GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置。简言之，GPS定位原理是一种空间的距离交会原理。 设想在地面待定位置上安置GPS接收机，同一时刻接收4颗以上GPS卫星发射的信号。通过一定的方法测定这4颗以上卫星在此瞬间的位置以及它们分别至该接收机的距离，据此利用距离交会法解算出测站P的位置及接收机钟差δt。 GPS接收机 GPS接收机 P X Y Z S1 S2 S3 S4 ?1 ?2 ?3 ?4 图3-1 GPS定位原理 如图3-1，设时刻在测站点P用GPS接收机同时测得P点至四颗GPS卫星S1、S2、S3、S4的距离、、、4，通过GPS电文解译出四颗GPS卫星的三维坐标，用距离交会的方法求解P点的三维坐标的观测方程为： （3-1） 式中的c为光速，δt为接收机钟差。 由此可见，GPS定位中，要解决的问题就是两个： 一是观测瞬间GPS卫星的位置。上一章中，我们知道GPS卫星发射的导航电文中含有GPS卫星星历，可以实时的确定卫星的位置信息。 二是观测瞬间测站点至GPS卫星之间的距离。站星之间的距离是通过测定GPS卫星信号在卫星和测站点之间的传播时间来确定的。本章在讲述定位原理的同时，将解决距离测定的问题。 2．GPS定位方法分类 利用GPS进行定位的方法有很多种。若按照参考点的位置不同，则定位方法可分为 （1）绝对定位。即在协议地球坐标系中，利用一台接收机来测定该点相对于协议地球质心的位置，也叫单点定位。这里可认为参考点与协议地球质心相重合。GPS定位所采用的协议地球坐标系为WGS-84坐标系。因此绝对定位的坐标最初成果为WGS-84坐标。 （2）相对定位。即在协议地球坐标系中，利用两台以上的接收机测定观测点至某一地面参考点（已知点）之间的相对位置。也就是测定地面参考点到未知点的坐标增量。由于星历误差和大气折射误差有相关性，所以通过观测量求差可消除这些误差，因此相对定位的精度远高于绝对定位的精度。 按用户接收机在作业中的运动状态不同，则定位方法可分为 （1）静态定位。即在定位过程中，将接收机安置在测站点上并固定不动。严格说来，这种静止状态只是相对的，通常指接收机相对与其周围点位没有发生变化。 （2）动态定位。即在定位过程中，接收机处于运动状态。 GPS绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种方式。即动态绝对定位、静态绝对定位、动态相对定位和静态相对定位。 若依照测距的原理不同，又可分为测码伪距法定位、测相伪距法定位、差分定位等。 本章将论述测码伪距和测相伪距进行绝对定位和相对定位的原理和方法。最后将讲述当前比较流行的差分GPS定位技术。 伪距测量原理 1． GPS测量的基本观测量 利用GPS定位，不管采用何种方法，都必须通过用户接收机来接收卫星发射的信号并加以处理，获得卫星至用户接收机的距离，从而确定用户接收机的位置。GPS卫星到用户接收机的观测距离，由于各种误差源的影响，并非真实地反映卫星到用户接收机的