gps原理第五章解析复习课程
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Cha5_GPS卫星定位基本原理解析
GPS原理及应用
二、测码伪距观测值的观测方程 观测历元t，卫星Sj与接收机Ti之间的测码伪距观测值为：
i (t ) c
j
因此，测码伪距的观测方程为：
j j j j j i (t ) i (t ) cti (t ) ct (t ) i,trop (t ) i,iono (t )
1～5m
广域增强系 统
WAAS
全球
C/A码伪距
精密 星历
1～5m
局域增强系 统
LAAS
<10km
C/A码伪距
广播 星历
0.1～0.5m
GPS原理及应用
表2：基于载波相位观测值的GPS相对定位
名称 简写 相对定位 距离 观测值 采用 星历 误差修正 方式 精度
双差静态 定位
DD
5m～ 3000km
双差 相位
12 ( X X 1 ) 2 (Y Y 1 ) 2 ( Z Z 1 ) 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( X X ) (Y Y ) ( Z Z ) 2 ( X X 3 ) 2 (Y Y 3 ) 2 ( Z Z 3 ) 2 3
GPS原理及应用
传播时间中包含了卫星钟差、接收机钟差（卫星钟与 接收机钟不同步）以及电离层延迟、对流层延迟等大 气延迟的影响：
1 ti t (trop iono ) c
j
卫星钟差 t j：卫星钟时间和标准GPS时之间的时间偏 差。 接收机钟差 ti :接收机钟时间和标准GPS时之间的时间 偏差。
GPS原理及应用
在初始时刻t0，包含整周数的相位观测值为：
(t0 ) 0 N
GPS原理及应用课件(第五章 卫星信号)
中英文日报导航站
假设单一正弦波的相位传播速度为相速vp，群波 的传播速度为群速vg，则有
vg
vp
v p
式中为通过大气层的电磁波波长。
若取通过大气层的电磁波频率为f，则相应的折射 率为
ng
np
f
n p f
在GPS定位中，群速vg与码相位测量有关，ห้องสมุดไป่ตู้相 速vp与载波相位测量有关。
vt
中英文日报导航站
1.电磁波的传播速度与大气折射
假设va电cf=磁波vac在/T=真空/k中vac的。传在播卫速星度大为地c测vac量，中则，有国cva际c= 上当前采用的真空光速为 c=2.99782458108(m/s)。
对GPS而言，卫星发射信号传播到接收机天线的 时间约0.1秒，当光速值的最后一位含有一个单 位的误差，将会引起0.1m的距离误差。表明准 确确定电磁波传播速度的重要意义。实际的电 磁波传播是在大气介质中，在到达地面接收机 前要穿过性质、状态各异且不稳定的若干大气 层，这些因素可能改变电磁波传播的方向、速 度和强度，这种现象称为大气折射。
中英文日报导航站
当电磁波的传播方向偏离天顶方向时，电子总量会明显 增加，在倾角为hs方向上，电子总数Nh有如下近似：
Nh N / sinh s
电离层对不频率电磁波沿天顶方向传播路径的影响如下
单频 平均
400MHz 1600MH 2000MH 8000MH
z
z
z
50m
由于大气湿度随地理纬度、季节和大气状况而变 化，尚难以建立折射数湿分量的理论模型，一 般采用与干分量相似的表示方法
4
Nw
Nw0
Hw Hw
H
式中Nw0为按（A）式计算的地面大气折射数的湿 分量，高程的平均值取为Hw=11000m
假设单一正弦波的相位传播速度为相速vp，群波 的传播速度为群速vg，则有
vg
vp
v p
式中为通过大气层的电磁波波长。
若取通过大气层的电磁波频率为f，则相应的折射 率为
ng
np
f
n p f
在GPS定位中，群速vg与码相位测量有关，ห้องสมุดไป่ตู้相 速vp与载波相位测量有关。
vt
中英文日报导航站
1.电磁波的传播速度与大气折射
假设va电cf=磁波vac在/T=真空/k中vac的。传在播卫速星度大为地c测vac量，中则，有国cva际c= 上当前采用的真空光速为 c=2.99782458108(m/s)。
对GPS而言，卫星发射信号传播到接收机天线的 时间约0.1秒，当光速值的最后一位含有一个单 位的误差，将会引起0.1m的距离误差。表明准 确确定电磁波传播速度的重要意义。实际的电 磁波传播是在大气介质中，在到达地面接收机 前要穿过性质、状态各异且不稳定的若干大气 层，这些因素可能改变电磁波传播的方向、速 度和强度，这种现象称为大气折射。
中英文日报导航站
当电磁波的传播方向偏离天顶方向时，电子总量会明显 增加，在倾角为hs方向上，电子总数Nh有如下近似：
Nh N / sinh s
电离层对不频率电磁波沿天顶方向传播路径的影响如下
单频 平均
400MHz 1600MH 2000MH 8000MH
z
z
z
50m
由于大气湿度随地理纬度、季节和大气状况而变 化，尚难以建立折射数湿分量的理论模型，一 般采用与干分量相似的表示方法
4
Nw
Nw0
Hw Hw
H
式中Nw0为按（A）式计算的地面大气折射数的湿 分量，高程的平均值取为Hw=11000m
第五章 GPS定位基本原理
第五章 GPS定位基本原理
8
2)、相对定位
• 确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对 位臵的方法。可以消除许多相同或相近的误差（如卫星钟、 卫星星历、卫星信号传播误差等），定位精度较高。但其 缺点是外业组织实施较为困难，数据处理更为烦琐。
• 在大地测量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域内 得到广泛的应用。
j为卫星数，j=1,2,3,…
第五章 GPS定位基本原理
27
三、用测距码来测定伪距的特点
• 利用测距码测距的必要条件
– 必须了解测距码的结构
（1）易于将微弱的卫星信号提取出来。
卫星信号的强度一般只有噪声强度的万分之一或更低。 只有依据测距码的独特结构，才能将它从噪声的汪洋大海中 提取出来；
第五章 GPS定位基本原理
接收机钟差
t tk t tk (G) t (G) tk t
j j
j
信号真正传播时 间
第五章 GPS定位基本原理 22
如果不考虑大气折射的影响，则有：
' ct c[tk t ]
j
c tk (G ) t (G ) c(tk t )
j j
ρ = τ*C= △t*C 上式求得的距离ρ并不等于卫星至地面测站的真正距 离，称之为伪距。
第五章 GPS定位基本原理 19
二、伪距测量的观测方程
• 码相关法测量伪距时，有一个基本假设，即卫星钟和接 收机钟是完全同步的。
• 但实际上这两台钟之间总是有差异的。因而在R(t) =max 的情况下求得的时延τ就不严格等于卫星信号的传播时间 Δt，它还包含了两台钟不同步的影响在内。
第五章 GPS定位基本原理 17
第五章GPS卫星定位基本原理
精品文档
测角交会法
B
P
P
A
C
A
B
前方交会
A
B
侧方交会
P
后方交会
A、B和C点坐标已知，P点坐标未知
精品文档
测边（距）交会法
3. 无线电接收机或卫星
▪ 无线电导航定位 ▪ 卫星激光测距定位
P
1)ABC为三个无线电信号发射台,坐标已
知
d1
d3
2)P为用户接收机
d2 A
C 3)采用无线电测距方法测得PA PB PC
3.由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的
λ·No取平均值后才能获得正确的整波段数。
精品文档
5.3.3.1静态方法
二 经典方法
❖ 将整周未知数当做平差中的待定参数
一) 整数解 二) 实数解
精品文档
5.3.3.1静态方法
二 经典方法—整数解
1. 短基线定位时一般采用这种方法。
2 具体步骤：
1)首先根据卫星位置和修复了周跳后的相位观测 值进行平差计算，求得基线向量和整周未知数。
五
Fast ambiguity resolution approach
精品文档
5.3.3.1静态方法 一 伪距法
1.
k j ( N k j) ( N 0 j I( n ) ) P t
所以，得 N0j PInt)(
2.将载波相位测量的观测值(化为以距离为单位)
减去伪距实际观测值后即可得到λ·No。
4.特点 1)适用于导航和低精度测量
2) 定位速度快；
3)可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模 糊度）的辅助资料。
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5.2 伪距测量 5.2.1伪距测量
测角交会法
B
P
P
A
C
A
B
前方交会
A
B
侧方交会
P
后方交会
A、B和C点坐标已知，P点坐标未知
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测边（距）交会法
3. 无线电接收机或卫星
▪ 无线电导航定位 ▪ 卫星激光测距定位
P
1)ABC为三个无线电信号发射台,坐标已
知
d1
d3
2)P为用户接收机
d2 A
C 3)采用无线电测距方法测得PA PB PC
3.由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的
λ·No取平均值后才能获得正确的整波段数。
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5.3.3.1静态方法
二 经典方法
❖ 将整周未知数当做平差中的待定参数
一) 整数解 二) 实数解
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5.3.3.1静态方法
二 经典方法—整数解
1. 短基线定位时一般采用这种方法。
2 具体步骤：
1)首先根据卫星位置和修复了周跳后的相位观测 值进行平差计算，求得基线向量和整周未知数。
五
Fast ambiguity resolution approach
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5.3.3.1静态方法 一 伪距法
1.
k j ( N k j) ( N 0 j I( n ) ) P t
所以，得 N0j PInt)(
2.将载波相位测量的观测值(化为以距离为单位)
减去伪距实际观测值后即可得到λ·No。
4.特点 1)适用于导航和低精度测量
2) 定位速度快；
3)可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模 糊度）的辅助资料。
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5.2 伪距测量 5.2.1伪距测量
GPS概论第五章GPS卫星定位基本原理PPT课件
线性化后：
i
X ( 0 0)x ii dX Y(0 0)yii dY Z (0 0)zii dZ (0)i NctV RctV S (Vio)niVtrop
x(i0X )i0dX y(i 0)Yi0dY z(i0Z )i0dZ (0)iNctV RctV S (Vio)niVtrop
误差方程为：
• 定义
– 单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位 置的方法
• 定位结果－与所用星历同属一坐标系的绝对坐标
– 采用广播星历时属WGS-84
– 采用IGS – International GPS Service精密星历时为 ITRF – International Terrestrial Reference Frames
~ N 0 Int ( ) Fr ( )
• 整周计数 Int
载波相位观测值
• 整周未知数（整周模糊度） N 0
19
载波相位测量的观测方程
原始形式：
(iN i) ictR V ctS V (V i o)in V trop i iN i ictR V ctS V (V i o)in V trop
接收机根据自身 的 钟 在 tR时 刻 所 接 收 到 卫 星 在 tS 时刻所发送信号 的相位
(tS)
tR tS
R
R
理想情况
实际情况
18
载波相位观测值 ti
• 观测值
Fr i Int() i N 0
首次观测：
0 Fr ( ) 0
t0
以后的观测：
Fr 0 N0
i Int ( ) i Fr ( ) i 通常表示为：
载波波长为原来波长的一半，信 号质量较差（信噪比低，降低了 30dB）
第五章 GPS卫星定位基本原理-1
GPS卫星定位基本原理是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，接收机接收到这些信息后，利用距离交会的原理，通过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。实际上，这是将卫星作为动态空间已知点来确定接收机的位置。GPS定位包括单点定位和相对定位，单点定位是根据一台接收机的观测数据来确定位置，通常用于车船等的概略导航定位。而相对定位是根据两台以上，GPS定位还分为动态定位和静态定位。在定位过程中，伪距测量起着关键作用，它是通过接收机对测距码的量测得到卫星到接收机的距离，但由于各种误差，这个距离被称为伪距。通过同步观测多颗卫星，并解算相关参数，可以更精确地确定接收机的位置。
GPS测量原理及应用备课课件(最新)第五章：GPS定位原理
31
3）.三差法： 原理：利用连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含 有相同的整周未知数N0，所以将相邻两个观测历元的载 波相位相减，就可将该未知参数消去，从而直接解出坐 标参数。 4). FARA 法--fast ambiguity resolution approach
原理：利用初始平差的解向量（接收机点的坐标及整周 未知数的实数解）及其精度信息（单位权中误差和方差协 方差阵），以数理统计理论的参数估计和统计假设检验为 基础，确定在某一置信区间整周未知数可能的整数解的组 合，然后依次将整周未知数的每一组合作为已知值，重复 地进行平差计算。其中使估值的验后方差或方差和为最小 的一组整周未知数即为整周未知数的最佳估值。
1
（X、Y、Z）
X、Y 、Z —— 测点点位坐标
Xi、Yi、Zi——卫星星历（坐标） 1、 1、 1 ——观测所得伪距（在 方程中是已知量）
2
GPS定位的基本原理
需解决的两个关键问题: --如何确定卫星的位置 --如何测量出站星距离
3
测距方法
双程测距
用于电磁波测距仪
单程测距
用于GPS
4
二.GPS定位方法分类
j (GPS)] cti
ct
j
c
j i
c ti
c t
j
ij
c ti
c t
j
上式当所卫确星定钟的与伪接距收即机为钟站严星格几同何步距时离(。 ti t j )，
13
通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的导航电文中获得，
经钟差改正后，各卫星之间的时间同步差可保持在109 s
以内。如果忽略卫星钟差影响，并考虑电离层、对流层折
所以⑦式可写为：
顾及载波相位整周数，观测方程可写为：
3）.三差法： 原理：利用连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含 有相同的整周未知数N0，所以将相邻两个观测历元的载 波相位相减，就可将该未知参数消去，从而直接解出坐 标参数。 4). FARA 法--fast ambiguity resolution approach
原理：利用初始平差的解向量（接收机点的坐标及整周 未知数的实数解）及其精度信息（单位权中误差和方差协 方差阵），以数理统计理论的参数估计和统计假设检验为 基础，确定在某一置信区间整周未知数可能的整数解的组 合，然后依次将整周未知数的每一组合作为已知值，重复 地进行平差计算。其中使估值的验后方差或方差和为最小 的一组整周未知数即为整周未知数的最佳估值。
1
（X、Y、Z）
X、Y 、Z —— 测点点位坐标
Xi、Yi、Zi——卫星星历（坐标） 1、 1、 1 ——观测所得伪距（在 方程中是已知量）
2
GPS定位的基本原理
需解决的两个关键问题: --如何确定卫星的位置 --如何测量出站星距离
3
测距方法
双程测距
用于电磁波测距仪
单程测距
用于GPS
4
二.GPS定位方法分类
j (GPS)] cti
ct
j
c
j i
c ti
c t
j
ij
c ti
c t
j
上式当所卫确星定钟的与伪接距收即机为钟站严星格几同何步距时离(。 ti t j )，
13
通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的导航电文中获得，
经钟差改正后，各卫星之间的时间同步差可保持在109 s
以内。如果忽略卫星钟差影响，并考虑电离层、对流层折
所以⑦式可写为：
顾及载波相位整周数，观测方程可写为：
(完整word版)GPS测量原理与应用复习资料
GPS 测量原理及应用第一章绪论•GPS 的含义：全球定位系统（GPS）是一个空基全天候导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。
•卫星导航系统分类：①按用户接收机是否发射信号分类：无源系统、有源系统。
②按测量的参数分类：测距导航系统、测距离差导航系统、卫星多普勒导航系统、测角导航系统、混合系统。
③按卫星运行轨道高度分类：低轨道（近地轨道）、中高轨道、同步轨道。
④④按工作区域分类：全球覆盖系统、区域覆盖系统。
–北斗一号卫星导航定位系统：①北斗导航系统同时具备定位与双向通信能力，可以独立完成移动目标的定位与调度功能；GPS 系统本身不具备通信能力，需要和其他通讯系统结合才能实现移动目标的远程定位与监控功能。
②北斗导航系统是区域性导航系统；GPS系统是全球性导航系统。
③北斗导航系统是由我国自主控制；GPS系统是由美国军方控制。
–欧盟伽利略系统：①空间段：由分布在三个轨道上的30 颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每个轨道面上有10 颗卫星（9 颗正常工作，1 颗运行备用）；轨道面倾角56 度。
②地面段：包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施地面管理机构。
③用户：用户端主要就是用户接收机及其同等产品，伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS 的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容型接收机。
–前苏联GLONASS 系统：星座轨道为3个等间距椭圆轨道，轨道面间夹角120°，轨道倾角64.8°，偏心率0.01，每个轨道上等间距地分布8颗卫星。
卫星离地高度19100km，绕地运行周期为11 时15 分，地迹重复周期为8 天，轨道同步周期17圈。
其卫星轨道倾角大于GPS卫星轨道倾角，所以在高纬度地区的可视性好。
面控制系统包括1 个系统控制中心、1 个指令跟踪站，网络分布于俄罗斯境内。
GPS测量原理及其应用复习资料
GPS测量原理及其应用第一章绪论一：全球导航卫星系统GNSS美国的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统，欧盟的伽利略（GALILEO）系统和中国的北斗二号卫星导航定位系统。
二：GPS系统组成合各部分的作用包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。
GPS工作卫星及其星座的作用：1)提供星历和时间信息2)发射伪距和载表信息，提供其他辅助信息地面监控系统的作用：1)监测卫星是否正常工作2)跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星3)保持各颗卫星时间同步GPS接收机的作用：接受GPS卫星发射的无线电信号，获得必要的信息并经数据处理完成定位工作。
三：GPS系统的特点定位精度高；观测时间段；测站间无需通视；可提供三维坐标；操作简便；全天候作业；功能多、应用广第二章坐标系统和时间系统各时间系统的应用1)恒星时：以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所定义的时间系统为恒星时系统。
恒星时在天文学中有着广泛的应用。
2）平太阳时MT：以平太阳为参考点，由平太阳的周日视运动所定义的时间系统为平太阳时系统，平太阳时与日常生活中使用的时间系统是一致的。
3）世界时UT：以平子夜为零时起算的格林尼治平太阳时定义为世界时UT，用于天球坐标系与地球坐标系之间的转换计算。
4）原子时：这一时间尺度被广泛用于动力学作为时间单位。
5）协调世界时：既保持时间尺度的均匀性，又能近似地反映地球自转的变化。
第三章卫星运动基础及GPS卫星星历一：人造卫星所受的作用力有地球对卫星的引力，太阳、月亮对卫星的引力，大气阻力，太阳光压，地球潮汐力等。
二体问题是忽略所有的摄动力，仅考虑地球质心引力研究卫星相对于地球的运动，在天体力学中，称之为二体运动。
二：GPS卫星星历分为预报星历和后处理星历。
三：GPS卫星广播星历预报参数(p40)第四章GPS卫星的导航电文和卫星信号一：GPS卫星的导航电文（简称卫星电文）是用户用来定位和导航的数据基础。
GPS原理及其应用_17_第5章
27
GPS原理及其应用
第五章
§5.6
距离测量与GPS定位
整周模糊度的确定
28
GPS原理及其应用
距离测量与GPS定位 > 整周未知数N0的确定 > 整周未知数
整周未知数（整周模糊度 － Ambiguity）
Fr (φ ) + Int (φ ) + N = 1
ti
λ
ρ
t0
(ϕ) i
N
Fr
0
Fr
0
δΔ ∇ 为 三 差 算 子
在双差的基础上，通过在历元间求双差，可以消掉双差模 糊度，同时进一步消弱了对流层延迟、电离层延迟误差， 但是进一步增大了观测噪声。
25
GPS原理及其应用
周跳的探测、修复方法
• • • • • 多普勒辅助法 小波分析法 Kalman滤波法 。。。。 。。。。
26
GPS原理及其应用
25
三差法
km km km km jm Δ∇ϕ km ji Lm (ti ) ⋅ λ = Δ∇ρ ji (ti ) − Δ∇N ji Lm ⋅ λ + Δ∇VIono ji Lm (ti ) + Δ∇VTrop ji (ti ) + Δ∇ε ji Lm (ti )
km km km km jm Δ∇ϕ km ji Lm (ti +1 ) ⋅ λ = Δ∇ρ ji (ti +1 ) − Δ∇N ji Lm ⋅ λ + Δ∇VIono ji Lm (ti +1 ) + Δ∇VTrop ji (ti +1 ) + Δ∇ε ji Lm (ti +1 )
–由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载 波相位测量的观测值也随时间在不断变化。但这 种变化应是有规律的，平滑的。周跳将破坏这种 规律性。 –将非差载波相位、双差载波相位时间序列或残差 组成一阶、二阶甚至高阶差分，凡在差分中出现 剧烈跳变者，表明该处数据含有周跳。 –组成阶数越高，周跳的放大倍数越明显，但同时 噪声也被放大
GPS原理及其应用
第五章
§5.6
距离测量与GPS定位
整周模糊度的确定
28
GPS原理及其应用
距离测量与GPS定位 > 整周未知数N0的确定 > 整周未知数
整周未知数（整周模糊度 － Ambiguity）
Fr (φ ) + Int (φ ) + N = 1
ti
λ
ρ
t0
(ϕ) i
N
Fr
0
Fr
0
δΔ ∇ 为 三 差 算 子
在双差的基础上，通过在历元间求双差，可以消掉双差模 糊度，同时进一步消弱了对流层延迟、电离层延迟误差， 但是进一步增大了观测噪声。
25
GPS原理及其应用
周跳的探测、修复方法
• • • • • 多普勒辅助法 小波分析法 Kalman滤波法 。。。。 。。。。
26
GPS原理及其应用
25
三差法
km km km km jm Δ∇ϕ km ji Lm (ti ) ⋅ λ = Δ∇ρ ji (ti ) − Δ∇N ji Lm ⋅ λ + Δ∇VIono ji Lm (ti ) + Δ∇VTrop ji (ti ) + Δ∇ε ji Lm (ti )
km km km km jm Δ∇ϕ km ji Lm (ti +1 ) ⋅ λ = Δ∇ρ ji (ti +1 ) − Δ∇N ji Lm ⋅ λ + Δ∇VIono ji Lm (ti +1 ) + Δ∇VTrop ji (ti +1 ) + Δ∇ε ji Lm (ti +1 )
–由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载 波相位测量的观测值也随时间在不断变化。但这 种变化应是有规律的，平滑的。周跳将破坏这种 规律性。 –将非差载波相位、双差载波相位时间序列或残差 组成一阶、二阶甚至高阶差分，凡在差分中出现 剧烈跳变者，表明该处数据含有周跳。 –组成阶数越高，周跳的放大倍数越明显，但同时 噪声也被放大
第五章 GPS卫星定位的基本原理(3)
将基准接收机的载波相位发送给用户，进行 求差解算坐标
载波相位差分观测量方程
R (N
j 0 j P0 j
N ) (N
j 0
j P
N )
j 2
j P j
j 0 2
(X
X P ) (Y
2
j
YP ) (Z
Z P ) d
RTK的工作原理
单站差分技术的局限
2
用户接收 机钟差
接收机 噪声
C/A码伪距的单点定位和DGPS测量 的精度估值比较
伪距差分定位精度高的原因
消除了GPS卫星时钟偏差的精度损失
（用户接收机计算出的伪距同伪距改正数中的钟差 相互抵消）
能够显著减小甚至消除电离层/对流层 效应和星历误差的精度损失
伪距差分的特性
优点：
基准接收机发送的DGPS数据，是所有在视 卫星的伪距改正数，动态接收机只需选用其中 4颗以上的伪距改正值。
伪距差分的计算步骤
1. 根据基准站已知坐标（X0,Y0,Z0）和观测到的卫 星星历,计算每颗卫星每一时刻到基准站的真实距 离，如下：
R
j
(X
j
X 0 ) (Y
2
j
Y0 ) ( Z
2
j
Z0)
2
伪距改正数为： 其变化率为：
d
j
j
R 0
j
j
t
j
伪距
伪距差分的计算步骤
2. 基准站将j 和dj发送给用户，用户在测出的 伪距j上加上改正，求出经改正后的伪距：
P (t ) (t ) (t0 ) d (t t0 )
载波相位差分观测量方程
R (N
j 0 j P0 j
N ) (N
j 0
j P
N )
j 2
j P j
j 0 2
(X
X P ) (Y
2
j
YP ) (Z
Z P ) d
RTK的工作原理
单站差分技术的局限
2
用户接收 机钟差
接收机 噪声
C/A码伪距的单点定位和DGPS测量 的精度估值比较
伪距差分定位精度高的原因
消除了GPS卫星时钟偏差的精度损失
（用户接收机计算出的伪距同伪距改正数中的钟差 相互抵消）
能够显著减小甚至消除电离层/对流层 效应和星历误差的精度损失
伪距差分的特性
优点：
基准接收机发送的DGPS数据，是所有在视 卫星的伪距改正数，动态接收机只需选用其中 4颗以上的伪距改正值。
伪距差分的计算步骤
1. 根据基准站已知坐标（X0,Y0,Z0）和观测到的卫 星星历,计算每颗卫星每一时刻到基准站的真实距 离，如下：
R
j
(X
j
X 0 ) (Y
2
j
Y0 ) ( Z
2
j
Z0)
2
伪距改正数为： 其变化率为：
d
j
j
R 0
j
j
t
j
伪距
伪距差分的计算步骤
2. 基准站将j 和dj发送给用户，用户在测出的 伪距j上加上改正，求出经改正后的伪距：
P (t ) (t ) (t0 ) d (t t0 )
2019GPS第五章-PPT精选文档
●
GPS星座示意图
GPS卫星基本功能 ：
——接收和储存由地面监控站发来的跟踪监 测信息； ——受地面监控站的指令，调整卫星姿态和 启用备用卫星；
——进行必要的数据处理工作； ——通过星载的高精度原子钟提供精密的标 准时间； ——向用户广播GPS信号。
二、地面监控部分
• 地面监控系统：由一个主控站、三个注入站 和五个监测站 组 成。 • 主控站作用： 收集各个监测站所测观测值、环境要素等数据 ，计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正量、状态数据、以及信号 的大气层传播改正，并按一定的形式编制成导航电文，传送到 主控站：此外还控制和监视其余站的工作情况并管理调度GPS卫 星。 • 注入站作用： 将主控站传来的导航电文，分别注入到相应的 GPS卫星中，通过卫星将导航电文传递给地面上的广大用户。 • 导航电文： GPS 用户所需要的一项重要信息，通过导航电 文能确定GPS卫星在各时刻的具体位置。
d) 操作简便：GPS测量自动化程度很高，操作员的主要任务只 是安置并开关仪器，量取仪器高，监视仪器的工作状态等 。接收机自动完成观测工作，如卫星捕获，跟踪观测和记 录等。GPS数据处理也由软件自动完成。
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。
• •
GPS卫星
相对于经典的测量技术来说，这一新技术的主要特点 如下：
a) 测站之间无需通视：因而不再需要建造觇标，可减少测量 工作经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。
b) 高精度三维定位：GPS可以精确测定测站的平面位置和大地 高。 c) 观测时间短：快速静态相对定位法，观测时间可少至数分钟 ；实时动态定位(RTK) 可提供厘米级的实时三维定位。
GPS星座示意图
GPS卫星基本功能 ：
——接收和储存由地面监控站发来的跟踪监 测信息； ——受地面监控站的指令，调整卫星姿态和 启用备用卫星；
——进行必要的数据处理工作； ——通过星载的高精度原子钟提供精密的标 准时间； ——向用户广播GPS信号。
二、地面监控部分
• 地面监控系统：由一个主控站、三个注入站 和五个监测站 组 成。 • 主控站作用： 收集各个监测站所测观测值、环境要素等数据 ，计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正量、状态数据、以及信号 的大气层传播改正，并按一定的形式编制成导航电文，传送到 主控站：此外还控制和监视其余站的工作情况并管理调度GPS卫 星。 • 注入站作用： 将主控站传来的导航电文，分别注入到相应的 GPS卫星中，通过卫星将导航电文传递给地面上的广大用户。 • 导航电文： GPS 用户所需要的一项重要信息，通过导航电 文能确定GPS卫星在各时刻的具体位置。
d) 操作简便：GPS测量自动化程度很高，操作员的主要任务只 是安置并开关仪器，量取仪器高，监视仪器的工作状态等 。接收机自动完成观测工作，如卫星捕获，跟踪观测和记 录等。GPS数据处理也由软件自动完成。
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。
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GPS卫星
相对于经典的测量技术来说，这一新技术的主要特点 如下：
a) 测站之间无需通视：因而不再需要建造觇标，可减少测量 工作经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。
b) 高精度三维定位：GPS可以精确测定测站的平面位置和大地 高。 c) 观测时间短：快速静态相对定位法，观测时间可少至数分钟 ；实时动态定位(RTK) 可提供厘米级的实时三维定位。
精品课程《GPS原理及应用》课件第5章 GPS卫星导航
利用（2）式解算运动载体的实时点位时，后续点位 的初始坐标值可以依据前一个点位坐标来假定，因 此，关键是要确定第一个点位坐标的初始值，才能 精确求得第一个点位的三维坐标。
5.2.2 伪距差分动态定位
所谓差分动态定位（DGPS）就是用两台 接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS 卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户 的精确位置，其中一个测站是位于已知坐标点， 设在该已知点（又称基准点）的GPS信号接 收机，叫做基准接收机。它和安设在运动载体 上的GPS信号接收机（简称动态接收机）同 时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。
基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进 行比较，便可获得GPS定位数据的改正值。 如果及时将GPS改正值发送给若干台共视卫 星用户的动态接收机，而改正后者所测得的实 时位置，便叫做实时差分动态定位。
由式（1）可知，基准站R测得至GPS卫星j的 伪距为
5.2.3 动态载波相位差分测量
GPS载波相位测量方位不仅适用于静态 定位，同样也适用于动态定位，并且已取得厘 米级的三维位置精度。 由载波相位观测方程得出动态差分方程：
不仅如此，GPS卫星的入轨运行，还为 大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体 力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学 提供了一种高精度和全天候的测量新技术。 GPS在导航领域的应用，有着比GPS静 态定位更广阔的前景，两者相比较，GPS导 航具有：用户多样、速度多变、定位实时、数 据和精度多变等特点。因此，应该依据GPS 动态测量的这些特点，选购适宜的接收机，采 用适当的数据处理方法，以便获得所要求的运 动载体的状态参数的测量精度。
定时有着广泛的应用。从日常生活到航天 发射，从出外步行到航空航海，都离不开定时。 随着使用目的的不同，人们对时间准确度的要 求也不一样。 GPS卫星都安装有4台原子时钟，GPS 时间受美国海军天文台经常性监测。GPS系 统的地面主控站能够以优于±5ns的精度，使 GPS时间和世界协调时之差保持在 以 内。此外，GPS卫星还向用户播发自己的钟 差、钟速和钟漂等时钟参数，加之利用GPS 信号可以测得站址的精确位置，因此，GPS 卫星可以成为一种全球性的用户无限的时间信 号源，用以进行精确的时间比对。
GPS卫星定位原理
被动式测距（单程测距）
发射站在规定时刻内准确发出信号，用 户根据自己的时钟记录信号到达时间，
根据时差Δt 求解距离ρ。
被动式测距的优点 用户无需发射信号，便于隐蔽自己；
所需装置也较简单，仅接收设备即可。
被动式测距的缺点 接收机钟和各卫星钟不能与GPS时间 系统保持绝对同步，由此所引起的 钟差对测距带来了影响。
静态定位与动态定位的不同点 静态定位 可靠性强，定位精度 高，在大地测量、工 程测量中得到了广泛 的应用，是精密定位 中的基本模式。 动态定位
可测定一个动点 的实时位置、运 动载体的状态参 数。如速度、时 间和方位等。
二、单点定位与相对定位
1. 单点定位(绝对定位) 独立确定待定点在坐标系中的绝对位置 的方法称为单点定位或绝对定位。由于目前 GPS系统采用WGS-84系统，因而单点定位 的结果也属于该坐标系统。 单点定位的优点： ① 只需用一台接收机即可独立定位；
在差分定位中所采用的数学模型仍然是单点 定位的数学模型。但必须使用多台接收机、必须 在基准点和流动站之间进行同步观测并利用误差 的相关性来提高定位精度等方面又具有相对定位 的某些特性，所以是一种介于单点定位和相对定 位之间的定位模式（或者说同时具有上述两种定 位模式的某些特性）。在划分时由于强调的标准 不同（有的强调数学模型，有的强调作业方式和 误差消除削弱的原理），可以得出不同的结论。
一、静态定位与动态定位
1. 静态定位 GPS接收机在进行定位时，待定点的位置相对其 周围的点位没有发生变化，其天线位置处于固定不 动的静止状态。 所谓固定点，就是说如果待定点相对于周围的固定 点没有可觉察到的运动，或者虽有可觉察到的运动， 但由于这种运动是如此缓慢以致在一次观测期间 （一般为数小时至若干天）无法被觉察到，而只有 在两次观测之间（一般为几个月至几年）这些运动 才能被反映出来，因而每次进行GPS观测资料的处 理时，待定点在地固坐标系中的位置都可以认为是 固定不动的。 静态定位的典型例子：测定板块运动以及监测地壳 形变。
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导航的概念首先起源于航海事业，其最初的 含义是引导运载体从一个地点航行到另一 个地点的过程。导航的首要问题就是确定 航行体的即时位置，还要测定其速度、时 间、姿态等状态参数。由此可见，导航是 一种广义的动态定位。 卫星导航是用导航卫星发射的导航定位信 息引导运动载体安全到达目的地的一门新 兴科学。GPS在导航领域的应用，有着比 GPS静态定位更为广阔的前景。
X [ X , Y , Z , ft k ]T ,
X
1 X 10
0
X 2 X0
A
X
20 3X
0
X
30 4X
0
40
Y 1 Y0
10 Y 2 Y0
20 Y 3 Y0
30 Y 4 Y0
40
Z1 Z0
10 Z 2 Z0
20 Z 3 Z0
30 Z 4 Z0
GPS实时差分动态定位 实时差分动态定位是用安设在一个运动载体上的 GPS信号接收机，及安设在一个基准站上的另一台 GPS接收机，联合测得该运动载体的实时位置，从 而描述出该运动载体的运行轨迹，故差分动态定位 又称为相对动态定位。例如，飞机着陆和船舰进港， 一般要求采用实时差分动态定位，以满足它们所要 求的较高定位精度。
6.2 GPS卫星导航原理
GPS后处理差分动态定位 后处理差分动态定位和实时差分动态定位的 主要差别在于，在运动载体和基准站之间， 不必像实时差分动态定位那样建立实时数据 传输，而是在定位观测以后，对两台GPS接 收机所采集的定位数据进行测后的联合处理， 从而计算出接收机所在运动载体在对应时间 上的坐标位置。例如，在航空摄影测量时， 用GPS信号测量每一个摄影瞬间的摄站位置， 就可以采用后处理差分动态定位。
§6.2.1 单点动态定位原理
原理：由单点动态定位基本方程输入动态用户接收机的初始三
维坐标值后，进行线性化，列出伪距观测值的误差方程式，解算 接收机瞬时位置。
1
j [( X j X ) 2 (Y j Y ) 2 ( Z j Z ) 2 ] 2 f t k ,
用户三维坐标初始值 X 0 ,Y0 , Z 0 ,求解的改正数为 X , Y , Z , 线性方程为 : X A 1B
gps原理第五章解析
§6.1 概述
导航的意义—确定并引导运载体从一个地点
航行到另一个地点的过程。包括航行中测 定并提供载体位置、航速、航向、时间以 及载体姿态等信息。 导航方法：天文导航、无线电导航、惯性导 航、卫星导航等。 卫星导航的特点及应用：全天候、全球、实 时、七维状态参数、三维姿态参数。
导航的首要问题就是确定航行体的即时位置，还要测定其速度、 时间、姿态等状态参数。由此可见，导航是一种广义的动态定 位。
卫星导航是用导航卫星发射的导航定位信息引导运动载体安 全到达目的地的一门新兴科学。
GPS在导航中的应用
GPS卫星所发出的导航定位信号，是一种可供无数用户共 享的空间信息资源；陆地、海洋和空间的广大用户，只要持有一 种能够接受、跟踪、变换和测量GPS信号的接收机，就可以全天 候和全球性的测量运动载体的七维状态参数（三维坐标、三维速 度、时间）和三维姿态参数；其用途之大，影响之大，是任何其 他接收装备望尘莫及的；
导航的发展和概念
导航的概念首先起源于航海事业，其最初的含义是引导运载体 从一个地点航行到另一个地点的过程。随着时代的变迁，各种 标志着近代、现代科学技术的众多的运载工具，诸如：飞机、 火箭、导弹、核潜艇、海洋地球物理调查船、巨型货轮、人造 卫星、宇宙飞船等的相继出现也大大扩展了“导航”的概念， 除了保证航行安全外，还需要为载体或者载体中的监视、测量、 装备等系统提供精确的导航信息。这样在不同的领域先后出现 了许多导航体制与导航仪表。除了最古老的推算船位导航术外， 还有天文导航、无线电导航、惯性导航、卫星导航等。
天文导航
一、恒星的位置与星下点 1、恒星的天球坐标（αδ）； 2、天球坐标转换为地球坐标（L B）
二、船位与星下点的距离测量 三、用船与星下点的距离交绘出船的位置
一、恒星的
位置与星下点测 量时间确定星 下点位置测量 船与两个星下 点的距离，交 会出船的位置。
x
S1
Zz
S2
N
P1 P2
o
船
x
赤道
y
基 准 站 测 得j卫 星 的 伪 距:
r j
j r
c(d r
d
j s
)
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j 1r
40
1
1
, B
1
10 20
30
40
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3 0
40
1
§6.2.2 伪距差分动态定位
对卫星同步观测。基准接收机测得三维位置与该点已 知值比较得改正数，及时将改正数发给动态接收机，动态接 收机改正所测得位置，叫实时差分动态定位。
S
y
二、船位与星下点的距离测 量
测量恒星的垂直角α，
计算天顶距Z=90- α ，
船与星下点的距离
用角度Z所对的圆弧度量， 1分为1海里，即1.852km。
三、用船与星下点的距离交 绘出船的位置
天顶
恒
星
船 Z α 地平线 距 离 星下点
Z
地心
无线电导航
海岸上设立两个以上的 无线电发射电台
船上的接收机测量船与 电台的距离或距离差 ，交会出船的位置
陆
地
S1
S2
S3 海洋
§6.2 GPS卫星导航原理
GPS导航是一种广义的GPS动态定位，从目前 的应用看来，主要分为以下几种方法：
（1）单点动态定位 （2）实时差分动态定位 （3）后处理差分动态定位（用于摄影测量）
6.2 GPS卫星导航原理
GPS单点动态定位 单点动态定位是用安设在一个运动载体上的GPS信 号接收机，自主地测得该运动载体的实时位置，从 而描述出该运动载体的运动轨迹。所以单点动态定 位又叫绝对动态定位。例如，行驶的汽车和火车， 常用单点动态定位。
GPS在导航领域的应用，有着比GPS静态定位更为广阔的前 景。与GPS静态定位相比较，GPS导航具有：用户多样、速度 多变、定位实时、数据和精度多变等特点。因此，应该依据 GPS动态测量的这些特点，选购适宜的接收机，采用适当的的 数据处理方法，以便获得所要求的运动载体的七维状态参数和 三维姿态参数的测量精度。