第三、四章GPS定位基本原理和GPS定位误差分析
基于GPS车辆定位导航系统设计与实现
基于GPS车辆定位导航系统设计与实现第一章：绪论随着国民经济的快速发展，汽车已经成为我们生活中必不可少的一部分，而车辆定位导航系统也随之成为了现代车辆上必备的功能之一。
车辆定位导航系统不仅可以帮助司机快速准确地确定自己的位置，还可以提供路线规划、疲劳驾驶提示、实时交通信息等功能，大大提高了驾驶安全性和行驶效率。
本论文将基于GPS车辆定位导航系统的设计与实现进行研究，旨在探索一套高可靠性、高精度、高实用性的车辆定位导航系统解决方案。
第二章：GPS车辆定位技术本章将主要探讨GPS车辆定位技术的原理和技术特点。
首先介绍GPS的基本组成和工作原理，然后详细阐述GPS定位算法及其实现方式，包括单点定位和差分定位两种方法。
最后介绍GPS的精度和误差来源，并分析当前GPS定位技术面临的挑战和发展方向。
第三章：车辆定位导航系统需求分析基于GPS车辆定位技术，本章将分析车辆定位导航系统的功能需求和性能指标。
首先，对车辆定位导航系统的功能进行分解，并列出具体的功能点和对应的实现方式。
然后，根据车辆定位导航系统的使用场景和操作特点，按照易用性、可靠性、精度、响应速度等性能指标进行评估，并提出设计和实现的具体要求。
第四章：GPS车辆定位导航系统设计与实现本章将介绍基于GPS车辆定位技术的导航系统的设计和实现方案。
首先，介绍系统的总体设计思路和流程图；然后，对系统的各个模块进行详细描述，包括GPS数据采集模块、数据处理与分析模块、路径规划和导航模块、地图显示和信息推送模块等。
最后，对系统的运行效果进行测试和评估，验证系统的可靠性和实用性。
第五章：总结与展望本章将对本论文的研究结果进行总结，并展望GPS车辆定位导航系统在未来的发展前景。
首先，总结研究成果和贡献，并指出存在的问题和不足之处；其次，探讨GPS车辆定位导航技术的发展趋势和挑战，分析未来的发展前景和应用领域；最后，提出一些改进和完善的建议，为下一阶段的研究提供参考和借鉴。
第三章-GPS定位的基本原理
位置差分 伪距差分 载波相位差分
多基准站 GPS差分
局部区域差分 广域差分 多基准站RTK
测相伪距修正法 载波相位求差法
19
3.3.1 绝对定位原理
1、测码伪距静态绝对定位 设
代入测码伪距方程
可得
2021/3/30
20
2021/3/30
21
静态测量时,可以观测多颗卫星不同历元的观测值,故
2021/3/30
（5）几何精度衰减因子GDOP,包含空间位置误差和时间误差
假设测站与4颗观测卫星所构成的六面体体积为V,GDOP与V的倒数成正比。V
越大GDOP越小,精度越好。
但卫星高度角月底,电离层、对流层误差越大。
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26
3.3.3 相对定位原理
相对定位:采用两台以上的接收机同步观测相同的GPS卫星,以确定接收机天线间 的相互位置关系的一种方法。分为静态相对定位和动态相对定位。
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。
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。
C为光速,δt为接收机钟差
2021/3/30
3
3.2 GPS定位的基本观测量
GPS的基本知识-文档资料
e) 全天候作业：GPS接收机可以在任何地点(卫星信号不被遮 挡的情况下)，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况 的影响。
2021/4/21
测站间同步观测量的单差示意图
T1
T2
测站间同步观测量的双差示意图
三差法是在双差法基础上，不同测站同步观测的 同一组卫星所得双差观测量作差分。
2021/4/21
T1
T2
测站间同步观测量的三差示意图
• 差分法载波相位测量虽然可以消去一系列 多余参数项(即指不含有测站坐标的项)，但 是在组成差分观测方程的同时，减少了观测 方程的个数，另外也增加了观测量之间的相 关性，这些都不利于提高最后解的精度。 • 一般是采用双差法求解最终结果。 • 三差法则只是用于整周跳变的探测和估计 或求得测站坐标的近似解。
2021/4/21
4 GPS测量的实施
• GPS测量：与常规测量一样,可分为外业和内业两大部分。 • GPS测量实施阶段：网的优化设计；选点与建立标志；外 业观测；内业数据处理。
一、GPS网的优化设计
• GPS网的优化设计，是实施GPS测量工作的第一步，是一项 基础性的工作，也是在网的精确性、可靠性和经济性方面， 实现用户要求的重要环节。
2021/4/21
(4)GPS接收机记录的数据有： • GPS卫星星历和卫星钟差参数； • 观测历元的时刻和伪距观测值及载波相位观测值； • GPS绝对定位结果； • 测站信息。
3、观测数据下载及数据预处理 • 外业观测数据在测区要及时严格检查，对外业预处理成果，按 规范要求严格检查、分析，根据情况进行必要的重测和补测。 确保外业成果无误后方可离开测区。
GPS定位基本原理
GPS定位基本原理GPS（全球定位系统）是一种利用地球上的卫星网络进行定位的技术。
它能够提供高精度的位置信息，并广泛应用于导航、地图、车辆追踪等领域。
本文将介绍GPS定位的基本原理。
一、GPS系统概述GPS系统由一组卫星、地面控制站和接收设备组成。
现代化的GPS 系统通常由24颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这些卫星分布在地球低轨道上。
地面控制站负责维护卫星轨道和时间同步，并向卫星发送指令。
二、GPS定位原理GPS定位的基本原理是通过测量卫星与接收设备之间的信号传播时间来计算准确的位置。
GPS接收设备内置有多个接收天线，用于接收来自卫星的导航信号。
1. 三角测量原理GPS定位利用了三角测量原理。
当接收设备接收到至少4颗以上的卫星信号后，就可以通过测量信号传输时间来计算卫星与接收设备之间的距离。
接收设备根据这些距离信息，利用三角测量原理计算出自身的准确位置。
2. 卫星钟同步GPS定位还需要考虑卫星和接收设备之间的时间同步问题。
卫星内置高精度的原子钟用于发送导航信号，并提供时间信息。
接收设备通过测量信号传播的时间差，校正卫星和自身设备之间的时间差，以确保定位的准确性。
3. 误差校正GPS定位还需要考虑各种误差对定位结果的影响，并进行相应的校正。
常见的误差包括大气延迟、钟差误差和多径效应等。
大气延迟是由于卫星信号穿过大气层而引起的延迟；钟差误差是卫星和接收设备内部时钟不完全同步所导致的误差；多径效应则是由于信号在传播过程中被建筑物、地形等物体反射而引起的误差。
通过采用差分定位、精密码和半载波技术等手段，可以对这些误差进行校正，提高定位的准确性。
4. 差分定位技术差分定位是一种通过参考站和接收站之间的距离差异进行差分计算来提高定位精度的技术。
参考站会测量准确的位置，并将数据通过无线电信号传输给接收设备进行差分计算。
差分定位可以有效降低多种误差的影响，提高定位的准确性。
三、GPS定位的应用GPS定位技术已广泛应用于各个领域。
GPS定位基本原理
Each satellite carries around four atomic clocks
Uses the oscillation of cesium and rubidium atoms to measure time
精确定位必须解决两个问题：确定卫星准确位置；准 确测定卫星到地面测点的距离。
1．测距方法
伪距测量（伪码测距）：测量GPS卫星发射的测距码 信号到达用户接收机的传播时间。
载波相位测量：测量具有载波多普勒频移的GPS卫星 载波信号与接收机产生的参考信号之间的相位差。
多普勒测量：由积分多普勒计数得出的伪距。
GPS系统的定位过程可简述为如下步骤： 跟踪、选择卫星、接收选定卫星的信号。 解读、解算出卫星。 测量得到卫星和用户之间的相对位置。 解算得到用户的最可信赖位置。
“交会法” 定位
已知一颗卫星的位置和接收器到它的距离，就可以确定接收器在一个球面上。 已知两颗卫星的位置和接收器到它们的距离，就可以确定接收器在一个环上。 如果知道三颗卫星的位置和接收器到它们的距离，通常可以确定接收器一定
Time Difference
Satellite PRN
Receiver PRN
Distance Measuring
The whole system பைடு நூலகம்evolves around
time!!!
Distance = Rate x Time
Rate = 186,000 miles per second (Speed of Light)
T
T+3
卫星导航系统中的定位误差分析与纠正方法
卫星导航系统中的定位误差分析与纠正方法卫星导航系统是一种基于卫星和接收机的无线电导航系统，可为用户提供位置信息和时间信息。
目前世界上最著名的卫星导航系统是GPS系统。
卫星导航系统广泛应用于航空、航海、汽车等领域，但定位误差一直是制约卫星导航系统精度的主要因素之一。
因此，有效的定位误差分析和纠正方法对于提高卫星导航系统的精度具有重要意义。
一、定位误差的来源在实际应用中，定位误差的来源主要包括以下几个方面：1.多径效应：在卫星导航中，信号从卫星到接收机会经过大气层、地面及建筑物等障碍物的反射，形成多条路径，导致信号到达接收机时时间不同，从而影响信号的接收强度和相位，引起定位误差。
2.大气延迟：卫星信号在传播至地面接收机过程中，会和大气层中的水汽、离子层等物质发生作用，形成信号的延迟和衍射，造成定位误差。
3.时钟误差：由于卫星时钟和接收机时钟存在差异，导致信号的到达时间和时间标准存在误差，引起定位误差。
4.卫星轨道误差：卫星的轨道参数可能存在变化，导致卫星位置计算的误差，进而影响到距离计算和定位精度。
二、定位误差分析方法为了解决卫星导航系统中的定位误差问题，需要对误差源进行定位误差分析。
常用的定位误差分析方法包括以下几种：1.测量方法：通过测量不同地点的接收机接收到相同卫星的时间和位置，验证不同地点的定位误差，并对误差进行分析。
2.数据处理方法：用多条卫星信号计算一个接收机的位置，在数据处理时通过加权、差分、平均等方法消除干扰信号，提高数据质量，减小定位误差。
3.数学模型方法：通过数学建模描述误差的产生过程，并用模型对误差进行分析和预测。
三、定位误差纠正方法为了改善卫星导航系统的定位精度，需要对定位误差进行纠正，常用的纠正方法包括以下几种：1.差分方法：通过使用同时接收同一组卫星数据的两个接收机进行差分计算，除去通用误差项，提高单个接收机的定位精度。
2.观测矩阵法：利用卫星信号和接收机位置观测数据，建立观测矩阵，最小二乘法求解参数，实现对定位误差的纠正。
GPS定位方法分类和基本原理介绍
在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动 态两种形式。
GPS观测量的基本概念
无论采取何种GPS定位方法，都是通过 观测GPS卫星而获得某种观测量来实现 的。GPS卫星信号含有多种定位信息， 根据不同的要求，可以从中获得不同的 观测量，主要包括： •根据码相位观测得出的伪距。 •根据载波相位观测得出的伪距。 •由积分多普勒计数得出的伪距。 •由干涉法测量得出的时间延迟。
用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距， 用P码测量的伪距为P码伪距。
伪距法定位特点
伪距法定位虽然一次定位精度不高，P码 定位误差约为10m，C/A码定位误差为 20-30m，但因其具有定位速度快，且无 多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统 进行导航的最基本方法。同时，所测伪距 又可作为载波相位测量中解决整波数不确 定问题（整周模糊度）的辅助资料。
k jtkk jtkktk
载波相位测量观测方程
通常的相位测量或 相位差测量只是测 Sj(t0)
出一周以内的相位 0 值，实际测量中，
如果对整周进行计
取得连续
的相位观测值。
k
Sj(ti)
i
Int(φ)
N0
载波相位测量观测方程
t0 时刻和tk 时刻的相位观测值可以写成：
载波相位测量观测方程
载波相位观测的的观测量是GPS接收机所接 收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的 相位差。以 kj tk 表示k接收机在接收机钟 面时刻tk时所接受到的j卫星载波信号的相位 值，k tk 表示k接收机在钟面时刻tk时所产 生的本地参考信号的相位值，则k接收机在 接收机钟面时刻tk时观测j卫星所取得的相位 观测量可写为：
GPS测量原理及应用GPS卫星定位基本原理
一、伪距测量
• 1.如何进行伪距测量？ • 测距码 • 复制码 • 时间延迟 • 自相关系数 • 伪距
（1）为什么要用码相关法测定伪距？
• 测距码看起来是杂乱无章的，其实是按照某一规 律编排的，每个码都对应着某一特定的时间。
• 为什么不用测距码的某一个标志来进行伪距测量 呢？
• 每个码在产生的过程中都带有误差，信号经过长 距离传送后也会产生变形，因而根据某一标志来 进行量测会带来较大误差。
§3 载波相位测量
载波相位测量>概述
一、概述
• 为了满足高精度定位的需要 – 测距码伪距测量是全球定位系统的基本测距方 法。 – 测距精度：C/A码：2.93 m Ｐ 码：0.293 m – 载波：λL1=19cm， λL2=24cm – 测距精度：1-2mm
载波相位测量>概述
一、概述
发自卫星 的电磁波 信号：
• （4）测距码为周期性序列，因而自相关系数也具 有相同的周期。理论上仍会有多值问题。
2、用测距码测定伪距的原因
1、易于将微弱的卫星信号提取出来 2、可提高测距精度 3、便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理 4、便于对系统进行控制和管理
3.伪距测量的观测方程
• 观测值 • 几何距离 • 观测值与几何距离间的关系
度特别好的原子钟才有可能实现。 • 接收机钟改正数的解决方法
• 2计算方法 线性化 列出误差方程 最小二乘原理求解
三特殊情况下的定位
• 加权约束解：不减少观测值的数量，而在求解时 给“已知参数”以适当的权。允许该参数在“已知值” 附近作微小变动，则能加强解的强度，获得较精 确的结果。
• 高程约束解 • 时间约束解
GPS定位的方法与观测量>概述
GPS重点知识
***三条主线*** 【题型】填空、名词解释、简答一、如何实现定位1、GPS定位基本原理①利用瞬间GPS卫星的空间位置以及接收机观测获取站星之间的距离②基于空间后方交会原理来实现定位③GPS卫星发射测距信号和导航电文④导航电文包含卫星轨道参数及相关时间参考信息，可以计算得到卫星的瞬间位置⑤通过测距码可以测量站星之间的距离⑥由于存在接收机钟差，无法采用有效手段加以改正与消除，因此通常需采用4颗及以上卫星，通过空间距离后方交会方法解算地面点位置。
2、系统组成【第一章 1 】3、信号结构组成【第一章 3 】4、前提条件如何实现5、坐标系统、时间系统【第二章】二、如何提高精度误差源（性质、空间分布）【第四章 2 】三、如何使用及应用1、定位方式：绝对（单点）定位、相对（差分）定位2、使用：精度高，可靠性、可用性高，实时性→RTK、网络RTK、CORS3、GPS高程（为大地高）【第八章】第一章1、GPS的构成：GPS卫星星座、地面监控部分、用户接受处理部分2、GPS的特点：定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、可提供三维坐标、操作简单、全天候作业、功能多，应用广【P14】3、GPS卫星的信号：载波（L1载波、L2载波）【可测距】、测距码（P码、C/A码）【PRN，伪随机噪声吗】、导航电文【计算卫星瞬间位置】L1载波：频率=1575.42MHz 波长=19.03cm L2载波：频率=1227.60MHz 波长=24.42cmC/A码的码元宽度293m，测距误差2.9m P码的码元宽度29.3m，测距误差0.29m4、GPS卫星导航电文：卫星星历、时钟改正参数、电离层延迟改正参数、遥测码、由C/A码确定P码信号时的交接码等参数第二章1、天球坐标系统：原点位于地球质心M，z轴指向天球北极，x轴指向春分点，y轴垂直于xMz平面。
2、地球坐标系统：原点位于参考椭球中心，z轴指向参考椭球北极，x轴指向首子午面与赤道的交点，y轴位于赤道面（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。
GPS测量的误差分析(共21张PPT)
m
•利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小于20km）时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，s通过同步求差，残差不超过
10-6。
数字分析表明，上述残差对GPS的影响最大可达70ns，对卫星钟速的影响可达，显然此影响对精密定位不能忽略。
在GPS定位中，除了上述各种误差外，卫星钟和接收机钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫星轨道摄动模型误差、地球潮汐以及
GPS测量的误差来源
§观测量的误差来源及其影响
1.误差的分类 GPS定位中，影响观测量精度的主要误差来源分为三类：
•与卫星有关的误差。
•与信号传播有关的误差。
•与接收设备有关的误差。
为了便于理解，通常均把各种误差的影响投影到站星距 离上，以相应的距离误差表示，称为等效距离误差。
测码伪距的等效距离误差/m
•引入相应的未知参数，在数据处理中联同其它未知参数一并求解。
卫星的轨道误差是当前GPS定位的重要误差来源之一。
W a （2）卫星轨道偏差（星历误差）：
（3）载波相位观测的整周未知数
m
f c f W ga (1R) 在狭义和广义相对论的综合影响下，卫星频率的变化为： 目前，通过导航电文所得的卫星轨道信息，相2应的位置误2差约200-40路设计。
•利用同步观测值求差：当观测站间的距离较近（小于20km）时，卫星信号到达不同观测站的路径相近，通过同步求差，残差不超过
不可避免地存在钟差和漂移，偏差总量约在 内，引起 1 ms 10-6。
在GPS定位中，除了上述各种误差外，卫星钟和接收机钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫星轨道摄动模型误差、地球潮汐以及
5.0-10.0 2.0 1.2 0.5 5.5-10.3
7.5 0.5 7.5
GPS卫星定位基本原理
1 1
1
1
x
y
z
'1 '2 '3 '4
11 21 c t1
12
2 2
c
t2
13 23 c t3
14
4 2
c
t4
令
l1 m1 n1 1
Ai
l 2 l3
m2 m3
n2 n3
1 1
l
4
m4
n4
1
x
X
y
z
Lj ' j 1j 2j c t j 0j
q11 q12 q13
Qx q21
q22
q23
q31 q32 q33
由权系数阵主对角线元素定义精度因子“DOP” 后，则相应精度可表示为：
M x DOP 0
Hale Waihona Puke 式中为等效距离误差。
0
第31页，共59页。
精度因子通常有： （1）平面位置精度因子HDOP及其相应的平面 位置精度：
HDOP q11 q22
到GPS接收机的时间 。 使 R( )实际1 上是不可能
的，只能使 R( ) max，两种码不可能完全对齐，
导致时间有误差。
第12页，共59页。
码相关
第13页，共59页。
c t
卫星定位的实际方法：是要同时观测四颗以上卫
星来确定地面点的位置。
因为测距中存在一些误差的影响，如电离层误
差 1 、对流层误差 2，卫星钟差 c t，i 接收机钟差 c tk 。
伪距，获得充分的多余观测量。测后通过数据处理
求得观测站的绝对坐标。
（1）伪距观测方程的线性化
伪距观测方程：
全球定位系统(GPS)基本原理及常识
全球定位系统(GPS)基本原理及常识迪亚戈全球定位系统(GPS)是美国继阿波罗登月、航天飞机之后的第三大航天工程，利用围绕地球的24颗卫星发射信号进行经纬度和高度的定位，围绕地球的24颗卫星成互差120度的平面排列。
可为近地空间的各类用户实时提供精密三维位置坐标、三维速度和时间(PVT)等信息，用于对全球的民用及军用飞机、舰船、人员、车辆等提供实时导。
GPS卫星同时发射两种码，一种为P码，我们称之为细码，一种是C/A码，我们称之为粗码。
P码的精度非常高，通常可以控制在误差3米以内，但只为军方服务。
而我们使用的为C/A码，精度在14米以内。
两个坐标点，我们可以确定一个平面内的一点，如果知道三个坐标点我们就能够知道空间当中的任意一点位置。
而GPS可以利用三颗卫星进行经纬度X，Y 的定位，而四颗卫星可以进行经纬度和高度X，Y，Z三维定位，四颗卫星三颗进行坐标定位，一颗卫星进行时钟矫正。
GPS除了具备测量经纬度和高度的作用以外，GPS还具有其他一些功能，比如利用上一次定位的坐标和这次定位的坐标差进行测速，利用两次坐标差进行方向的定位，利用行进轨迹进行里程的计算和面积的计算等等。
还有包括计算地理位置的月相，日初日落时间，潮汐，太阳月亮的方位，有些GPS内置电子气压计，还能计算大气压并且预测天气。
GPS是需要和卫星进行联系才能够定位的，城市里的水泥混凝土，树木，高架桥，天线，GPS屏蔽器等都是干扰信号。
因此城市里使用有时候会信号接受不到的情况发生。
那么GPS全球定位系统究竟是什么东西呢？它是一套美国军方设计的，以航天技术为基础的导航与定位系统。
这套系统可以使美军士兵独立测定精度为10米以下的自己的位置。
这个“独立测定”非常重要：在实际使用中，如果这套系统需要士兵发射电波确定自己位置的话，会很容易地被敌方侦测到自己的实际位置，所以整个地面接收系统需要完全被动接收信号。
由于美国全球战略的需要，这套系统需要覆盖全世界，并且的用户接收端的成本要非常低，因为系统的设计要求是每个士兵、每台军车都要安装接收系统。
《GPS》考试重点【缩印版】
◆GPS的概念:GPS是NAVSTAR/GPS的简称，全名应为Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System，即“授时与测距导航系统/全球定位系统”。
*GPS是以卫星为基础的无线电导航定位系统。
采用空间的后方交会法，既距离交会法第一章绪论◆美国政府的GPS政策 SPS PPS SA AS标准定位服务SPS：包括定位服务和定时服务,这一服务是全天候,全球性的。
对一切用户开放，不直接向用户收费。
精密定位服务PPS：由国防部DOD控制，连续在全球范围内提供定位定时和测速服务，服务对象限于美军以及国防部DOD有专门协定的盟军。
未经批准的民用部门不得使用。
SA政策（1）在卫星的广播星历中人为地加入误差，以降低卫星星历的精度，即ε技术。
（降低已知点的坐标精度）2）有意识地使卫星钟频产生一种快速的抖动。
产生的效果相当于降低了钟的稳定度，从而影响导航定位精度，这就是δ技术。
AS政策AS政策是美国国防部为防止敌对方对GPS卫星信号进行电子欺骗和电子干扰而采取的一种措施。
具体做法是在P码上加上严格保密的W码，使其模二相加产生完全保密的Y码。
（1994年1月31日起实施）。
是一种防卫性的措施。
一般采用Z跟踪技术就仍然能利用P码进行测距。
◆子午卫星系统及其局限性：由6颗卫星组成，卫星轨道高度为1075km，轨道倾角约900，周期为107min。
精度：绝对定位1m，相对定位0.1~0.5m，定位原理:多普勒定位技术。
优点：全天候；全球覆盖；自动定位；定位精度较高。
缺点：（1）卫星数少（6颗），不能实现连续实时导航定位；卫星运行高度低，难以实现精密定位；（3）观测时间长。
◆GLONASS全球导航卫星系统前苏联——俄罗斯。
采用距离交会法。
由24颗卫星组成（21颗工作，3颗在轨备用）；分布在三个轨道倾角为64.8°的轨道平面上。
每个轨道上8颗卫星。
第四章GPS定位原理
绝对定位精度评定
GPS绝对定位的定位精 • 度主要取决于：
卫星空间分布几何图形
观测量精度——精度因 子与所观测卫星的空间 分布有关
绝对定位误差与精度因 子的大小成正比，应选 择精度因子最小的一组 卫星进行观测；
六面体体积V最大情形：一颗卫星 处于天顶，其余3颗卫星相距120°
GPS授时
单站单机法：一台GPS接• 收机，在一个坐标已知的 观测站上观测卫星，确定用户时钟相对GPS标准时 间的偏差。
TDOP – Time Dilution of Precision
GDOP – Geometry Dilution of Precision
HDOP – Horizontal Dilution of Precision
VDOP – Vertical Dilution of Precision
GPS定位方法分类
观测值类型
•
测距码伪距测量定位
载波相位伪距测量定位
定位的模式
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
定位结果获取时间
实时定位 非实时定位
一、 GPS 伪距测量定位
卫星星历
精密星历
卫星钟差
精密钟差、地面跟踪
电离层延迟
双频改正
对流层延迟
模型改正
卫星几何分布精度因子
DOP(Dilution of Precisio• n)
与单点定位时所观测卫星的数量与 分布有关，表示的是定位的几何条 件。
PDOP – Position Dilution of Precision
第四章GPS定位原理
第四章GPS卫星定位的基本原理 第二节伪距法定位
Vu Au dX Lu
式中 Vu (v1v2 vn )
Au
l1 m1 n1 1
l2
m2
n2
1
ln mn nn1
Lu (L1L2 Ln )
GPS测量定位技术
三、伪距法定位的计算
根据最小二乘原理求解得 dX ( Au Au )1 ( （Au4L-u1) 1）
测站未知数中误差
mx
但是，由于P码受美国军方控制，一般用户无法得到，只能利用C/A 码进行伪距定位，加之美国对利用GPS有限制政策，在采用SA技术时， 利用C/A码进行伪距定位的精度降低至约100m，远远不能满足高精 度单点定位的要求。
GPS测量定位技术
四、伪距定位法的应用
若要提高测站点间的相对位置精度。则可用若干台接收 机同时对相同的卫星进行伪距测量，此时卫星星历误差、 卫星钟的误差、电离层和对流层折射误差对各同步观测站 的影响基本相同，在求坐标差时可以自行消除。
GPS测量定位技术
第四章 GPS卫星定位的基本原理
•学习目标 •第一节 GPS定位概述 •第二节 伪距法定位 •第三节 载波相位测量 •第四节 GPS动态定位原理本章小结 •本章小结 •思考题与习题
GPS测量定位技术
第四章 GPS卫星定位的基本原理
学习目标
•了解GPS测速原理和定时原理。 •理解主动式测距和被动式测距，伪距及其测定与计 算，动态定位的特点。 •掌握GPS定位的基本概念，静态定位与动态定位， 单点定位和相对定位，伪距定位，载波相位测量原理 及载波相位测量方法。
若发射时刻卫星钟的钟差 vt，a 接收时刻接收机钟的钟差为vtb ， 则有
ta vta tb vtb
a
b
（4-2）
第四章 GPS定位的误差来源
（3）减弱改正残差影响的主要措施
1）采用上述对流层模型加以改正。 2）引入描述对流层影响的附加待估参数，在数据 处理中一并求得。 3）利用同步观测量求差。
3 多路径误差
在GPS测量中，如果测站周围的反射物所反射得卫 星信号（反射波）进入接收机天线，这就将和直接来 自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏 离真值产生所谓的“多路径效应”。 （1）反射波 （2）载波相位测量中的多路径误差
1）利用双频观测。 2）利用电离层改正模型加以改正。 3）利用同步观测值求差。
2 对流层折射
（1）对流层及其影响 对流层与地面接触并从地面得到辐射热能，其温度 随高度的上升而降低，GPS信号通过对流层时，也使传 播的路径发生弯曲，从而使测量距离产生偏差，这种 现象叫做对流层折射。 （2）对流层折射的改正模型 1）霍普菲尔德（Hopfield）公式 2）萨斯塔莫宁（Saastamoinen）公式 3）勃兰克（Black）公式
2载波相位测量中的多路径误差多路径误差示意图消弱多路径误差的方法1选择合适的站址a测站应远离大面积平静地水面b测站不宜选择在山坡山谷和盆地中c测站应离开高层建筑物b接收机天线对于极化特性不同的反射信号应该有较强的抑制作用
第四章 GPS定位的误差及消除
1 GPS测量误差的来源及分类 GPS测量是通过地面接收机设备接收卫星传送的信息 来确定地面点的三维坐标。测量结果的误差主要来源 于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在 高精度的GPS测量中（如地球动力学研究），还应注意 到与地球整体运动有关的地球潮汐、负荷潮及相对论 效应等地影响。
第二节 与卫星有关的误差
1 卫星星历误差 由星历所给出的卫星的空间位置与实际位置之差称为 卫星星历误差，即为星历精度。 （1）星历精度 1）广播星历（预报星历） 精度为20-30m。 2）精密星历（后处理星历） 1d解的精度为15-30cm，7d解的精度为5-15cm， 13d解的精度为3-5cm。
卫星导航与导航误差分析研究
卫星导航与导航误差分析研究第一章：引言在现代社会的交通、军事、航空航天等诸多领域，卫星导航系统已经成为一项至关重要的技术。
卫星导航系统通过利用地球轨道上的卫星，定位和导航目标物体，提供精确的位置、速度和时间信息。
然而，由于多种因素的干扰，卫星导航系统在实际应用中仍然存在着一定的误差。
因此对导航误差进行深入研究，对提高导航系统的精度和可靠性具有重要意义。
第二章：卫星导航原理与技术2.1 全球卫星导航系统概述全球卫星导航系统是利用多颗在地球轨道上运行的卫星，通过向地面接收设备发射无线电信号，提供位置、速度和时间信息的系统。
目前最典型的全球卫星导航系统包括美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧洲的Galileo以及中国的北斗系统。
2.2 卫星导航误差来源卫星导航系统的误差来源主要包括卫星钟差、大气延迟、多路径效应、仪器误差等。
卫星钟差是指卫星内部的时钟不准确造成的误差；大气延迟是指卫星信号在大气中传播引起的误差；多路径效应是指卫星信号在传播过程中被地面反射引起的误差；仪器误差是指接收设备本身的不精确造成的误差。
第三章：导航误差量化分析方法3.1 误差量化模型为了对导航误差进行准确的分析和评估，需要建立合适的误差量化模型。
其中，常用的误差量化模型包括随机误差模型、系统误差模型和环境误差模型。
随机误差模型是指由于各种不确定因素引起的误差，通常呈现随机分布；系统误差模型是指由于系统特性和方法限制引起的误差，通常呈现确定性分布；环境误差模型是指由于外部环境影响引起的误差，如大气扰动等。
3.2 误差评估方法针对不同的误差量化模型，有多种评估方法可供选择。
其中，最常用的方法包括误差标准差、平均误差和方差等。
通过对导航系统的实际测量数据进行统计分析，可以得到误差的平均水平和分布情况，从而评估导航系统的精度和可靠性。
第四章：导航误差分析案例研究4.1 GPS导航系统误差分析以GPS导航系统为例，对其导航误差进行详细分析。
GPS 的基本定位原理
GPS 的基本定位原理简单说，是电脑装上地图软件及发射及接驳器，而与天上之人造卫星接上，而得出物件之座标，此坐标是由电脑高速於非常短时间内算出，从而与地图连上再得出物件所在地点。
注：地图软件是包含每一位置地点之座标。
什麼是GPS ?全球卫星定位系统（Global Position System, GPS）为美国国防部开发，利用规模遍及全球的人造卫星之航法系统，由24颗人造卫星所构成，其中包括三颗预备卫星。
利用对民间开放的C/A码标准测法，能得到数十米的精度，为无线电定位法的一种。
卫星定位系统整体运作上可分成三部份：太空部分、地面部分以及讯号部分。
太空部分目前GPS 卫星已发展至Block II 型式的定位卫星，由Rockwell International 制造，在轨道上重量约1,900 磅，太阳能接收板长度约17 呎，预期寿命为7.5年，於1994年完成第24颗卫星的发射，整个GPS 系统正式宣告建构完成。
因此目前太空中有24颗GPS 卫星可供定位运用，它们平均分布於6个轨道面，每个轨道面上各有4颗，距离地面高度约10,900海里(大约20,000公里)，呈55°角倾斜绕行地球运转，绕行地球一周需12 恒星时，每日可绕行地球2周，这也就是说，不论任何时间，任何地点，包含北极, 南极，至少有4 颗以上的卫星出现在我们的上空。
讯号部分GPS卫星产生两组随机电码，一组称为C/A码，一组称为P码。
C/A码主要开放给民间使用，因此在精度上刻意降低，P码则是美国国防部保留为其军事用途的电码，精度比C/A码高很多，因此设有密码，一般民间使用者无法解读。
一般而言，GPS卫星传送两种频率的载波，L1 (Link 1) 载波的频率为1575.42 MHZ，L2 (Link 2)载波的频率为1227.60MHZ。
地面部分地面设施部分主要包含GPS监控站与使用者接收设备两部份。
监控站包括一个主要控制站（Master Control Station）、五个监测站（Monitor Station）－分布於夏威夷、亚森欣岛、迪亚哥加西亚、瓜加林岛、科罗拉多州、三个地面控制站（Ground Control Station）等。
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GPS测量的误差
GPS测量的误差
GPS测量的误差
• • • • • • 其它模型 – 萨斯塔莫宁模型（Saastamoinen） – 勃兰克模型（Black） • 气象元素的测定 – 气象元素：气压、干温、湿温、相对湿度
GPS测量的误差
GPS测量的误差
• • • • • • 电子密度 – 与高度有关 – 与地方时有关 – 与太阳活动有关 – 与季节有关 – 与位置有关
整周未知数（整周模糊度）的确定
• （１）整数解(固定解) • 整周未知数从理论上讲应该是一个整数，但是， 由于各种误差的影响，平差求得的整周未知数往 往不是一个整数，而是一个实数。 • 对于短基线，当进行1 h以上的静态相对定位，由 于测站间星历误差、大气折射等误差具有强相关 性，相对定位可以使这些误差大大消弱；同时也 由于在较长的观测时间，观测卫星的几何分布会 产生较大的变化，因此能以较高的精度来求定整 周未知数。此时，平差求出的整周未知数一般为 较接近于邻近整数的实数，且如果整周未知数估 值的中误差甚小，则可直接取相邻近的整数为整 周未知数；或者从统计检验的角度，取整周未知 数估值加上3倍的中误差(即)为整周未知数的整数 取值范围，该范围内包含的所有整数均作为整周 未知数的候选值。
整周未知数（整周模糊度）的确定
• • • • • 六、整周未知数（整周模糊度）的确定 ������ 整周未知数的平差待定参数法 ������ 三差法 ������ 伪距双频法 ������ 交换天线法
整周未知数（整周模糊度）的确定
• 1 整周未知数的平差待定参数法 • 把整周未知数作为基线向量平差计算中的待定 参数，在平差过程中与其他参数一起求解确定。 静态相对定位中常采用这种方法，即可采用如下 的数学模型，根据最小二乘原理，通过平差求解 相应的整周未知数，而整周未知数的取值有两种 取值方法。
载波相位观测量的线性组合
• • • • 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的 线性组合（7） ������ 几类特殊的线性组合观测值 ������ 无电离层折射的组合（iono-free）
周跳的探测与修复
• • • • • • • • • • 五、周跳的探测与修复 ������ 周跳产生的原因 ������ 信号被遮挡 ������ 干扰 ������ 接收机运动速度过快 ������ 接收机暂时的故障 ������ 高次差法/多项式拟合法 ������ 简单的高次差 ������ 星间差分的高次差 ������ 残差法
GPS定位方法分类
• 根据定位时效： • ������ • 实时定位：在用户站接收到GPS卫星信号 的同时计算出定位结果。 • ������ • 事后定位：在测后进行有关的数据处理， 求得用户站的定位结果。
GPS定位方法分类
• 根据观测值类型： • ������ • 伪距测量：利用C/A码伪距或P码伪距作为 观测量进行定位测量。 • ������ • 载波相位测量：利用L1载波或L2载波测得 的载波相位伪距作为观测量进行定位测量。
GPS测量的误差
• • • • 3、与传播途径有关的误差 • 对流层延迟 • 电离层延迟 • 多路径效应
Hale Waihona Puke GPS测量的误差GPS测量的误差
GPS测量的误差
• • • • • • • • • 2）大气层的结构 • 对流层 – 0km~40km – 各种气体元素、水蒸气和尘埃等 – 非色（弥）散型介质 • 电离层 – （50）70km以上 – 带电粒子 – 色（弥）散型介质
载波相位观测量的线性组合
• 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的 • 线性组合（3） • ������ 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间线 性组合的 • 一般形式（续）
载波相位观测量的线性组合
• 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的 • 线性组合（4） • ������ 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间线性组合 的 • 一般形式（续） • ������ ϕn,m（续）
第三章GPS静态定位原理
教材五、六、七章
GPS定位方法分类
• 根据定位模式： • ������ 单点定位（绝对定位）：绝对定位是以地球质心 为参考点，测定接收机天线在协议地球坐标系中的绝 对位置。 • ������ • 相对定位：确定测站与某一地面参考点之间的相 对位置。 • ������ • 差分定位：用两台GPS接收机，将一台接收机安 设在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的 载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观 测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位 精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准站的相 对位置实现的。
静态绝对定位原理（测码伪距定位）
静态绝对定位原理（测码伪距定位）
• 伪距法单点定位（四） • ������ DOP值– Dilusion Of Precision（几 何精度因子） • ������ PDOP（三维位置精度因子） • ������ HDOP（水平分量精度因子） • ������ VDOP（垂直分量精度因子） • ������ GDOP（反映卫星空间几何分布对接 收机钟差和位置综合影响的精度因子） • ������ TDOP（钟差精度因子）
载波相位测量
载波相位测量
载波相位测量
载波相位测量
载波相位测量
• • • • • • • • • • • • • • • •
GPS测量的误差
1、概述 • 系统误差（影响） – 与卫星有关的误差 • 星历误差 • 卫星钟差 • 相对论效应 – 与传播途径有关的误差 • 对流层折射 • 电离层折射 • 多路径效应 – 与接收机有关的误差 • 接收机钟差 • 天线相位中心的偏差及变化 • 各通道间的信号延迟误差 – 其它 • 偶然误差
载波相位观测量的线性组合
• 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间 的线性组合（1） • ������ 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测 值间线性组合的一般形式������ • 一般形式 • ������ 特性 • ������ L1的特性
载波相位观测量的线性组合
• 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间 的线性组合（2） • ������ 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测 值间线性组合的一般形式（续） • ������ L2的特性
GPS测量的误差
GPS测量的误差
GPS测量的误差
• 多路径效应与以下一些因素有关 • – 卫星、接收机、信号反射体三者间的相对 位置关系 • – 反射信号的强度（信号反射体的反射率） • – 接收机处理信号的方法
GPS测量的误差
• 应对方法 • – 选择测站 • • 避开易发生多路径的环境，如建构筑物、山坡、 成片水域等 • – 长时间观测 • – 改进接收设备硬件 • • 接收机天线– 抑径板，扼流圈（Choke Ring） • • 信号处理方法– 窄相关技术 • – 其它数据处理的方法 • • 模型法 • • 滤波
GPS测量的误差
• • • • • • 5、其它误差（因素） • 地球潮汐 – 固体潮 – 负荷潮 • 海洋负荷潮 • 大气负荷潮
载波相位观测量的线性组合
• • • • • 四、载波相位观测量的线性组合 1、单差 2、双差 3、三差 4、其它线性组合：L1和L2间的线性组合
载波相位观测量的线性组合
载波相位观测量的线性组合
载波相位观测量的线性组合
载波相位观测量的线性组合
载波相位观测量的线性组合
载波相位观测量的线性组合
• • • • • • • • • • 差分观测值（6） ������ 非差法 ������ 求差法与非差法的比较 ������ 求差法数据利用率低 ������ 求差法引入了基线向（矢）量的概 念 ������ 差分观测值之间具有了相关性 ������ 求差法无法确定出一些多余参数 ������ 著名的非差软件 ������ 美JPL研制的GIPSY
静态相对定位原理（测相伪距定位）
• 静态相对定位原理（测相伪距定位） • 静态绝对定位，由于受到卫星轨道误差、接收机 钟不同步误差，以及信号传播误差等多种因素的 干扰，其定位精度较低，2～3h C/A码伪距绝对定 位精度约为±20m，远不能满足大地测量精密定 位的要求。而静态相对定位，由于采用载波相位 观测量以及相位观测量的线性组合技术，极大地 削弱了上述各类定位误差的影响，其定位相对精 度高达10-6～10-7，是目前GPS定位测量中精度最 高的一种方法，广泛应用于大地测量、精密工程 测量以及地球动力学研究。
GPS定位方法分类
• 依确定整周模糊度的方法及观测时段的长短
• ������ • 常规静态定位 • 快速静态定位
静态绝对定位原理（测码伪距定位）
• • 静态绝对定位是在接收机天线处于静止状 态下，确定测站的三维地心坐标。 • • • 定位所依据的观测量，是根据码相关测距 原理测定的卫星至测站间的伪距。 • • • 由于定位仅需使用一台接收机，速度快， 灵活方便，且无多值性问题等优点，广泛 用于低精度测量和导航。
GPS测量的误差
• 2）卫星钟差 • • 什么是卫星钟差： • 指卫星时钟的时间读数与GPS标准时 间之间的偏差。 • • 物理同步误差与数学同步误差
GPS测量的误差
• 3）相对论效应 • • 什么是相对论效应： • 指由于卫星上的时钟和地球上的时钟所处 的状态（主要指运动速度和重力位）不同 而引起的卫星时钟与地球上的时钟产生相 对钟误差的现象。 • • 广义相对论效应与狭义相对论效应 • • 相对论效应对卫星钟的影响 • • 处理方法
载波相位观测量的线性组合
• • • • 两个不同频率的载波(L1,L2)相位观测值间的 线性组合（5） ������ 几类特殊的线性组合观测值 ������ 宽巷组合（wide-lane）(n=1, m=-1)