任務(wù)二平面控制測(cè)量425GNSS定位原理72課件講解

CollegeofMarineSciences,ShanghaiOceanUniversity12025年1月13日

任務(wù)二平面控制測(cè)量4.2.5GNSS定位原理GNSS定位基本原理概述偽距測(cè)量載波相位測(cè)量GNSS絕對(duì)定位GNSS相對(duì)定位差分GNSS定位原理GNSS課程學(xué)習(xí)內(nèi)容及體系GNSS系統(tǒng)組成衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)和衛(wèi)星星歷GNSS信號(hào)和觀測(cè)值定位誤差源系統(tǒng)工作流程衛(wèi)星位置衛(wèi)地距離影響定位精度定位定位方法空間交會(huì)5.1概述交會(huì)法確定點(diǎn)位測(cè)角交會(huì)法測(cè)邊交會(huì)法5.1概述測(cè)角交會(huì)法ABP測(cè)方交會(huì)前方交會(huì)ABPA、B和C點(diǎn)坐標(biāo)已知，P點(diǎn)坐標(biāo)未知后方交會(huì)PCAB5.1概述測(cè)邊（距）交會(huì)法PCABd1d2d3兩條邊可確定P點(diǎn)坐標(biāo)，為了檢核和提高精度，增加第3條邊

無(wú)線電導(dǎo)航定位衛(wèi)星激光測(cè)距定位無(wú)線電發(fā)射臺(tái)或激光測(cè)距儀無(wú)線電接收機(jī)或衛(wèi)星5.1概述GNSS衛(wèi)星定位的基本原理應(yīng)用測(cè)距交會(huì)的原理，利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置交會(huì)出地面未知點(diǎn)（用戶接收機(jī)）的位置。5.1概述GNSS衛(wèi)星定位的基本原理觀測(cè)方程P點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）5.1概述單點(diǎn)定位解算用戶位置用戶在t

時(shí)元的位置為：5.1概述依據(jù)觀測(cè)值的不同：

1）偽距法定位（測(cè)碼）

2）載波相位測(cè)量定位（測(cè)相）根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：

1）靜態(tài)定位

2）動(dòng)態(tài)定位

根據(jù)觀測(cè)方式/誤差消除思想

1）單點(diǎn)定位

2）差分定位GNSS衛(wèi)星定位方法分類5.1概述1）偽距定位與載波相位定位偽距定位

采用偽距觀測(cè)值，測(cè)距直接，定位精度低載波相位定位采用載波相位觀測(cè)值，觀測(cè)值轉(zhuǎn)化成距離有一定難度，定位精度高C/A碼：29.3mP碼：2.93mL1載波：1.9cmL2載波：2.4cm測(cè)距精度比較5.1概述2）靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位

靜態(tài)定位：在定位過(guò)程中，接收機(jī)的位置是固定的，處于靜止?fàn)顟B(tài)。(這種靜止?fàn)顟B(tài)是相對(duì)的)

動(dòng)態(tài)定位：在定位過(guò)程中，接收機(jī)天線處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)，導(dǎo)航。5.1概述3）絕對(duì)定位和相對(duì)定位絕對(duì)定位（單點(diǎn)定位）：一臺(tái)接收機(jī)獨(dú)立確定待定點(diǎn)在坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。相對(duì)定位：兩臺(tái)（或多臺(tái)）接收機(jī)同步觀測(cè)GNSS衛(wèi)星，確定它們之間的相對(duì)位置的方法。5.1概述思考題1、GNSS定位的基本原理2、GNSS定位的方式5.2偽距測(cè)量偽距：

由衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)GNSS接收機(jī)的傳播時(shí)間

乘以光速所得出的量測(cè)距離。由于各種誤差的存在，與衛(wèi)星到測(cè)站的實(shí)際幾何距離有一定差值。兩種測(cè)量值：

-C／A碼偽距

-P碼偽距由GNSS接收機(jī)在某一時(shí)刻測(cè)出到達(dá)四顆以上GNSS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用測(cè)距交會(huì)的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)。偽距法定位r2d1d2d3d4r1r3r45.2偽距測(cè)量偽距測(cè)量的特點(diǎn)適用于導(dǎo)航和低精度測(cè)量（P碼定位誤差約為m級(jí)，C/A碼定位誤差為20～30m）；定位速度快；可作為載波相位測(cè)量中解決整波數(shù)不確定問(wèn)題（模糊度）的輔助資料。5.2偽距測(cè)量偽距測(cè)量的原理三種時(shí)間系統(tǒng)：各顆GNSS衛(wèi)星的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)各臺(tái)GNSS信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一上述時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的GNSS時(shí)間系統(tǒng)5.2偽距測(cè)量偽距測(cè)量的原理（續(xù)）偽噪聲碼從衛(wèi)星到接收天線的傳播時(shí)間：偽噪聲碼從衛(wèi)星到達(dá)接收天線的時(shí)元偽噪聲碼在其衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)元5.2偽距測(cè)量偽距測(cè)量的原理（續(xù)）dt—衛(wèi)星時(shí)鐘相對(duì)于GNSS時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間偏差（可根據(jù)導(dǎo)航電文求得）dT—接收機(jī)時(shí)鐘相對(duì)于GNSS時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間偏差（接收機(jī)鐘差）5.2偽距測(cè)量偽距測(cè)量的原理（續(xù)）衛(wèi)星到接收天線的真實(shí)距離：衛(wèi)星到接收天線的“偽距（pseudorange）”：偽噪聲碼的真實(shí)傳播時(shí)間5.2偽距測(cè)量偽距測(cè)量的原理（續(xù)）考慮電離層/對(duì)流層影響的偽距值：C(dt–dT)—時(shí)鐘偏差引起的距離偏差dion電離層效應(yīng)引起的距離偏差dtrop對(duì)流層引起的距離偏差5.2偽距測(cè)量偽距測(cè)量的原理（續(xù)）

是衛(wèi)星在軌位置和用戶位置的函數(shù)，即：—第j顆衛(wèi)星在時(shí)元t

的三維坐標(biāo)，可從導(dǎo)航電文中求得—用戶接收天線在時(shí)元t

的三維坐標(biāo)，為待求的未知數(shù)5.2偽距測(cè)量上式中有4個(gè)未知數(shù)（用戶三維坐標(biāo)和接收機(jī)的鐘差dT）。這樣在任何一個(gè)觀測(cè)瞬間，用戶至少需要同時(shí)觀測(cè)4顆衛(wèi)星，以便解算4個(gè)未知數(shù)。偽距測(cè)量的基本方程（續(xù)）5.2偽距測(cè)量思考題1、偽距測(cè)量觀測(cè)方程2、偽距測(cè)量觀測(cè)方程中各項(xiàng)的意義GNSS接收機(jī)所接收的衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)本地參考信號(hào)的相位差。5.3偽載波測(cè)量5.3載波相位測(cè)量5.3.1載波相位測(cè)量原理k接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時(shí)刻tk

時(shí)觀測(cè)j

衛(wèi)星所取得的相位觀測(cè)量k接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時(shí)刻tk

時(shí)所產(chǎn)生的本地參考信號(hào)的相位值k接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時(shí)刻tk

時(shí)所接收到的j

衛(wèi)星載波信號(hào)的相位值5.3偽載波測(cè)量初始t0時(shí)刻，小于一周的相位差為

0，其整周數(shù)為，則此時(shí)的相位觀測(cè)值為：5.3偽載波測(cè)量

任一時(shí)刻ti衛(wèi)星Sj到k接收機(jī)的相位差：整周數(shù)變化量整周模糊度（常數(shù)）5.3偽載波測(cè)量相位差載波相位測(cè)量的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)精度高，測(cè)距精度可達(dá)0.1mm量級(jí)（對(duì)C/A碼而言精度29.3m左右，P碼約為2.93m）難點(diǎn)整周未知數(shù)問(wèn)題整周計(jì)數(shù)問(wèn)題5.3偽載波測(cè)量載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程f：接收機(jī)產(chǎn)生的固定參考頻率c:光速ρ：衛(wèi)星至接收機(jī)之間的距離（未知數(shù)）δρ1：電離層影響δρ2：對(duì)流層影響δta：衛(wèi)星鐘差δtb：接收機(jī)鐘差（未知數(shù)）接收機(jī)k對(duì)衛(wèi)星j的載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程：5.3偽載波測(cè)量(5-18)思考題1、載波相位測(cè)量觀測(cè)方程2、載波相位觀測(cè)方程中各項(xiàng)的意義也叫單點(diǎn)定位，即直接確定用戶接收機(jī)天線在WGS-84坐標(biāo)系中相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)——地球質(zhì)心的絕對(duì)位置。GNSS絕對(duì)定位GNSS絕對(duì)定位的實(shí)質(zhì)應(yīng)用測(cè)距交會(huì)的原理，利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置交會(huì)出地面未知點(diǎn)（用戶接收機(jī)）的在WGS-84坐標(biāo)系中的位置。GNSS絕對(duì)定位的方法

靜態(tài)動(dòng)態(tài)：偽距法絕對(duì)定位

偽距法（測(cè)碼）載波相位測(cè)量（測(cè)相）載波相位測(cè)量較難應(yīng)用于動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位中的原因：載體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，要保持對(duì)所測(cè)相同衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，技術(shù)上有一定困難動(dòng)態(tài)解算整周未知數(shù)的方法，其應(yīng)用尚有一定的局限受衛(wèi)星軌道誤差、鐘差以及信號(hào)傳播誤差等影響，定位精度較低

-靜態(tài)絕對(duì)定位精度約為米級(jí)

-動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位精度為10~40mGNSS絕對(duì)定位的精度偽距法絕對(duì)定位的步驟—1上式中有4個(gè)未知數(shù)（用戶三維坐標(biāo)和接收機(jī)的鐘差dT）。在任何一個(gè)觀測(cè)瞬間，用戶至少需要同時(shí)觀測(cè)4顆衛(wèi)星，以便解算4個(gè)未知數(shù)。觀測(cè)方程：偽距法絕對(duì)定位步驟—2令(X0

Y0

Z0)T，(xyz)T分別為測(cè)站坐標(biāo)的近似值與改正數(shù)。令其中：偽距觀測(cè)方程的線性化形式：觀測(cè)方程的線性化：偽距法絕對(duì)定位的步驟—3利用最小二乘原理（通過(guò)最小化誤差的平方和找到一組數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配）求解測(cè)站坐標(biāo)的改正數(shù)(xyz)。是一個(gè)迭代的過(guò)程。將每次計(jì)算出的坐標(biāo)和鐘差作為初始值，重新代入進(jìn)行解算。直到結(jié)果符合一定閾值。偽距法絕對(duì)定位

—兩種狀態(tài)的比較動(dòng)態(tài)：由于觀測(cè)站是運(yùn)動(dòng)的，為了獲得實(shí)時(shí)定位結(jié)果，必須至少同步觀測(cè)4顆衛(wèi)星。靜態(tài)：由于觀測(cè)站固定，可以于不同歷元，同步觀測(cè)不同的衛(wèi)星，從而獲得充分多的觀測(cè)量，提高定位精度。載波相位法靜態(tài)絕對(duì)定位f：接收機(jī)產(chǎn)生的固定參考頻率c:光速ρ：衛(wèi)星至接收機(jī)之間的距離（未知數(shù)）δρ1：電離層影響δρ2：對(duì)流層影響δta：衛(wèi)星鐘差δtb：接收機(jī)鐘差（未知數(shù)）接收機(jī)k對(duì)衛(wèi)星j的載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程：載波相位法靜態(tài)絕對(duì)定位（續(xù)）將觀測(cè)方程線性化利用最小二乘原理求解測(cè)站坐標(biāo)、接收機(jī)鐘差、整周未知數(shù)由于存在整周未知數(shù)問(wèn)題，在觀測(cè)4顆衛(wèi)星的情況下，至少必須于3個(gè)歷元，對(duì)相同的衛(wèi)星組進(jìn)行同步觀測(cè)。載波相位法靜態(tài)絕對(duì)定位（續(xù)）載波相位法靜態(tài)絕對(duì)定位（續(xù)）精度高于偽距法靜態(tài)絕對(duì)定位整周未知數(shù)：整數(shù)解/實(shí)數(shù)解解算結(jié)果可為相對(duì)定位的參考站提供較為精密的起始坐標(biāo)絕對(duì)定位精度的評(píng)價(jià)所測(cè)衛(wèi)星在空間的幾何分布觀測(cè)量的精度（在測(cè)量誤差一章中介紹）精度因子（DOP，dilutionofprecision）：偽距解算時(shí)權(quán)系數(shù)陣中主對(duì)角線元素的函數(shù)精度因子

平面位置精度因子HDOP

高程精度因子VDOP

空間位置精度因子PDOP

接收機(jī)鐘差精度因子TDOP

幾何精度因子GDOP(=(PDOP2+TDOP2)1/2)絕對(duì)定位精度評(píng)價(jià)（續(xù)）精度因子的值與所測(cè)衛(wèi)星的幾何分布有關(guān)幾何精度因子與測(cè)站與4顆觀測(cè)衛(wèi)星所構(gòu)成的六面體的體積成反比，即

GDOP1/V絕對(duì)定位精度評(píng)價(jià)（續(xù)）一般地，六面體體積越大，GDOP值越小接收機(jī)GDOP較小接收機(jī)GDOP較大選星問(wèn)題實(shí)際觀測(cè)中，為了減弱大氣折射的影響，所測(cè)衛(wèi)星的高度角不能過(guò)低。在這一條件下，盡可能使衛(wèi)星與測(cè)站構(gòu)成的六面體體積最大?？捎捎脩艚邮赵O(shè)備自動(dòng)完成。用兩臺(tái)GNSS接收機(jī)分別安置在基線的兩端，同步觀測(cè)相同的GNSS衛(wèi)星，以確定兩臺(tái)接收機(jī)天線之間的相對(duì)位置（坐標(biāo)差）。GNSS相對(duì)定位—概念GNSS相對(duì)定位—特點(diǎn)可以消除許多相同或相近的誤差，定位精度高廣泛應(yīng)用于大地測(cè)量、精密工程測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)的研究和精密導(dǎo)航GNSS相對(duì)定位—方法

靜態(tài)：載波相位測(cè)量（測(cè)相）

動(dòng)態(tài)相對(duì)定位

偽距法（測(cè)碼）載波相位測(cè)量靜態(tài)相對(duì)定位設(shè)置在基線端點(diǎn)的接收機(jī)是固定的，可通過(guò)連續(xù)觀測(cè)，取得充分的多余觀測(cè)數(shù)據(jù)，改善定位精度。一般采用載波相位觀測(cè)值為基本觀測(cè)量。對(duì)中等長(zhǎng)度的基線（100km~500km），相對(duì)定位精度可達(dá)10-6~10-7。靜態(tài)相對(duì)定位縮短靜態(tài)相對(duì)定位的觀測(cè)時(shí)間，關(guān)鍵在于快速而可靠地確定整周未知數(shù)。經(jīng)典方法快速方法靜態(tài)相對(duì)定位在高精度靜態(tài)相對(duì)定位中，在僅有兩臺(tái)接收機(jī)時(shí)，應(yīng)將單獨(dú)測(cè)定的基線向量聯(lián)結(jié)成向量網(wǎng)（三角網(wǎng)或?qū)Ь€網(wǎng)）靜態(tài)相對(duì)定位在有多臺(tái)接收機(jī)時(shí)，應(yīng)采用網(wǎng)定位方式。由于這種方式包含有許多檢核條件，網(wǎng)的幾何強(qiáng)度好，可以檢核和控制多種誤差的影響。靜態(tài)相對(duì)定位中觀測(cè)值的線性組合對(duì)兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)相同衛(wèi)星的觀測(cè)值求差，可有效地消除或減弱各種誤差的影響。可在接收機(jī)間、衛(wèi)星間、不同歷元間求差一次差、二次差、三次差站間差分站間差分

–

同步觀測(cè)值在接收機(jī)間求差。作用：可消除衛(wèi)星鐘差，衛(wèi)星星歷誤差、削弱電離層、對(duì)流層折射影響。K星間差分星間差分

–

同步觀測(cè)值在衛(wèi)星間求差。作用：可消除接收機(jī)鐘差。KJ歷元間差分歷元間差分

–

同步觀測(cè)值在間歷元求差。作用：可消去整周未知數(shù)參數(shù)。差分觀測(cè)值的組合單差：站間差分雙差：站間、星間二次差三差：站間、星間、歷元間三差差分GNSS技術(shù)可以消除的誤差多臺(tái)接收機(jī)公有的誤差（可完全消除）

-衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差傳播延遲誤差（大部分消除）

-電離層誤差、對(duì)流層誤差接收機(jī)固有的誤差（無(wú)法消除