第5章 距离测量与定位方法

1、主要误差源的改正措施：卫星钟差、电离层折射、对流层折射 精密星历的下载与插值方法，处理卫星钟差 电离层三频改正 电离层改正模型的对比 对流层改正模型的对比 2、公式推导、编程`实现 单点定位的观测方程，并数据测试； 相对定位的观测方程，并数据测试； 3、进行三频观测值的线性组合： 宽巷、窄巷 去电离层组合 去几何关系组合 W-M组合 4、GPS定位新技术的数学模型及应用
Xi= [Xi Yi Zi]T为观测站坐标改正数向量，
同时考虑观测站至卫星的方向余弦：
ij (t)
X j

i
1
j 0
(t
)
[
X
j 0
(t
)

Xi0]
lij (t)
ij (t)
Y j

i
1
j 0
(t
)
[Y0j
(t
)

Yi
0
]

mij (t)
ij (t)
Z j

i
1
j 0
实验一：GPS RTK
课时
4 讲座
2 讲座
6
教学方法
教室
3.10
选择主题做报告：讲清楚
是什么，为什么，怎么做？
2
推导相关题目的数学模型，
进行程序设计与实现
小组论文报告
4
讲座 8
多媒体
CAI 教室
3.26
研讨交流：相关题目的数学模
型，程序设计与实现
2
过程，并做PPT报告
要求学生经过文献检索后小组
讨论
提交读书报告
概述
2.观测量的基本概念
目前广泛应用的基本观测量: C/A码码元宽度293m；P 码码元宽度29.3m L1波长为19.03cm；L2波长为24.42cm；L5为25.50cm 由于载波的波长远小于码长，在分辨率相同的情况 下， 观测误差不同 载波相位观测是目前最精确的观测方法。
有关整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理而解决，但将 使数据处理复杂化。
5.1 利用测距码测定卫地距

a b
a
b

j i
b a
5.1 利用测距码测定卫地距
b a
~ij ij cVtR cVtS Vion Vtrop
5.2 载波相位测量
接收机产生的 基准震荡信号 （复制的载波）
第5章 距离测量与GPS定位
刘智敏 山东科技大学
我国成功发射首颗新一 代北斗导航卫星
2015年3月30日21时52分， 我国在西昌卫星发射中心用长征 三号丙运载火箭成功将首颗新一 代北斗导航卫星发射升空，卫星 顺利进入预定轨道。
这次是我国发射的第17颗北斗 导航卫星。它将开展新型导航信 号体制、星间链路等试验验证工 作，为北斗卫星导航系统全球组 网建设提供依据。
概述
2.观测量的基本概念
上述通过码相位观测或载波相位观测所确定的站星距
离都不可避免地含有卫星钟与接收机钟非同步误差、 电离层、对流层等的影响，含钟差影响的距离通常称
为伪距。
由码相位观测所确定的伪距简称测码伪距 由载波相位观测所确定的伪距简称为测相伪距。
概述
2.观测量的基本概念
观测方程的线性化
2.测相伪距观测方程的线性化
由载波相位观测方程

j i
(t
)

ij(t ) cVtiS(t ) cVtR

[Vion(t )
Vtrop(t )]

N
j i
(t0
)
wenku.baidu.com
可得载波相位观测方程线性化形式(方法同前):
ij(t ) ij0(t ) [lij(t ) mij(t ) nij(t )][Xj(t ) Xi ]
概述
2.观测量的基本概念
载波相位观测的主要问题
无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周 数，存在整周不确定性问题（AR，Ambiguity Resolution）
在接收机跟踪GPS卫星进行观测过程中，常常由于接收机天 线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整周跳 变现象。（Cycle Slip）
干涉法测量时，所需设备较昂贵，数据处理复杂。
概述
2.观测量的基本概念
目前广泛应用的基本观测量: 码相位观测是测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A 码或P码）到达用户接收机天线（观测站）的传播时 间。也称时间延迟测量。
载波相位观测是测量接收机接收到的具有多普勒频 移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间 的相位差。
1、坐标转换：天球-地球坐标系，地心-参心-站心坐标系 2、时间系统转换：年积日，儒略日，GPS周 3、卫星定轨：开普勒三大定律 4、二体问题、多体问题； 5、广播星历求出卫星瞬时位置 6、广播星历的跳跃值拟合方法 7、精密星历的插值方法
GPS的误差源
1. 观测方程 2. 线性组合：一次差、二次差、三次差 3. 整周模糊度的确定、周跳的探测与修复 4. 定位新技术：PPP，Network RTK
5.2 载波相位测量
ij(t) = ij(t)+Nij(t0)= ij(t)+ int（t）+Nij(t0) ij(t)是载波相位的实际观测量。
t0
ij(t0)
t1
ij(t1)
Nij(t0) Nij(t0) Nij(t0)
t2
ij(t2)
Ti
地球
5.2 载波相位测量
Nij(t0)一般是未知的，通常称为整周未知数（整周待定值或整 周模糊度）。一个整周的误差会引起19cm－26cm的距离误差。
cVtiS(t ) cVtR

[Vion(t )
Vtrop(t )]
N
j i
(t0
)
观测方程的线性化
上式中Xj(t)项，可用于估算卫星位置误差对测相伪距的影响， 当采用轨道改进法进行精密定位时，可作为待估参数一并求解。
当已知卫星瞬时位置时，可简化为
ij(t ) ij0(t ) [lij(t )
概述
1.定位方法分类
按用户接收机作业时所处的状态划分： 静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不 动，是固定的。
静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态 通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化， 或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。
动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运 动状态。
选作： 1、几种GPS软件学习与对比分析 2、GPS数据处理编程实现
合计
课时
教学方法
教室
6
讲座
多媒体CAI 教 室
2
4.7:小组讨论，提交设计方案
2
4.9:按照设计方案施测并下载数 据保存，提交实验报告
实验场地
将实验二的数据软件处理，得出
2
5.1:数据处理平差报告
4.25:选做一题，经过文献检索后，
第5章 距离测量与GPS定位
5.1 利用测距码测定卫地距 5.2 载波相位测量 5.3 单差、双差、三差观测值 5.4 其他一些常用的线性组合观测值 5.5 周跳的探测及修复 5.6 整周模糊度的确定 5.7 单点定位 5.8 相对定位 5.9 网络RTK及CORS 5.10 差分GPS
授课章节 第1部分
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
测码伪距
根据载波相位观测得出的伪距
测相伪距
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
多普勒计数法、干涉法测量，尚难以获得广泛应用
采用积分多普勒计数法进行定位时，所需观测时间较长，一般数小时，同时观测过程中， 要求接收机的震荡器保持高度稳定。

[Vion(t )
Vtrop(t )]
N
j i
(t0
)
小结
1. GPS定位的方法分类 2. 测码伪距观测方程 3. 测相伪距观测方程
第5章 距离测量与GPS定位
5.1 利用测距码测定卫地距 5.2 载波相位测量 5.3 单差、双差、三差观测值 5.4 其他一些常用的线性组合观测值 5.5 周跳的探测及修复 5.6 整周模糊度的确定 5.7 单点定位 5.8 相对定位 5.9 网络RTK及CORS 5.10 差分GPS
cVtR(t ) Vion(t ) Vtrop(t )
在定位数据处理中，如果把导航电文获得的卫星坐标视为固定值， 则上式可简化为
~ij(t ) ij0(t ) [lij(t ) mij(t ) nij(t )]Xi
cVtR(t ) Vion(t ) Vtrop(t )
m
j i
(t
)
nij(t )][Xj(t ) Xi ]
cVtiS(t ) cVtR [Vion(t ) Vtrop(t )] N ij(t0 )
ij(t ) ij0(t ) [lij(t ) mij(t ) nij(t )]Xi
cVtiS(t ) cVtR
观测方程的线性化
Z sj(t1) Xj(t1)
ij(t1) ij(t2)
sj(t2)
Xi
Xj(t2)
Zi Y
Xi
X
Yi GPS定位的几何关系
观测方程的线性化
进一步假设X0j(t)为卫星sj于历元t的坐标近似向量，Xi0为观 测站Ti坐标近似向量，
Xj(t)= [Xj(t) Yj(t) Zj(t)]T为卫星坐标改正数向量，
绪论
第2部分 定位的时空基准和卫星
定轨理论 GPS卫星的信号分类；
第3部分 GPS的误差源； 定位方法：绝对定位、
相对定位，定 位新技术
主要内容
GPS、Galileo、GLONASS和北斗导航二代等全球卫星定位系统的发展历 程和应用现状
坐标系统与时间系统
卫星运动的基础知识及卫星坐标计算 GPS卫星的信号分类

N
j i
(t0
)
i ( mul)i i

j i
(t
)

ij(t ) cVtiS(t ) cVtR

[Vion(t )

Vtrop(t )]

N
j i
(t0
)
观测方程的线性化
1.测码伪距观测方程的线性化
设卫星sj和观测站Ti在协议地球坐标系中瞬间空间直角坐标向
2
3.28:完成实验，提交实验报告
实验场 地
授课章节
主要内容
第4部分 GPS测量的技术设计
及其外业实 施
1、 技术设计 2、 外业实施和外业数据检核
以某一测区为例，做出技术设计报告
实验二：GPS静态控制网观测
实验四：GPS静态控制网软件数据处理
1.对完成的实验二和实验四，提交技术总结报告 2.常用GNSS数据处理软件分类、特点 3.数据处理新方法 4.文献检索：GNSS的发展与应用 GNSS技术最新发展，尤其BDS 按海陆空应用领域不同分类 按军、民、科研领域分类 按定位、导航、授时、气象等分类 GNSS课程知识点汇集
量和空间直角坐标向量分别为：
j (t) X j (t) X j (t),Y j (t), Z j (t) T
i Xi X i ,Yi , Zi T
则站星瞬时距离为：
ij (t) ρ j (t) ρi ( X j (t) Xi )2 (Y j (t) Yi )2 (Z j (t) Zi )2 1 2
2
提交读书报告，并进行 小组汇报与讨论，并进
多媒体CAI 教室
行课程论文报告
54
概述
1.定位方法分类
按参考点的不同位置 绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，
确定观测站相对地球质心的位置。
相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站
与地面某一参考点之间的相对位置。
在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态 两种形式。
2
取至一次微小项后，站星距离线性化形式：
ij (t)

i
j 0
(t
)
[lij (t)
mij (t)
nij (t)][X j (t) Xi ]
由此，测码伪距观测方程线性化的一般形式为：
~ij(t ) ij0(t ) [lij(t ) mij(t ) nij(t )][Xj(t ) Xi ]
如何准确确定整周未知数，是利用载波相位观测量进行精密定
位的关键。
t0
ij(t0)
t1
ij(t1)
t2
ij(t2)
Nij(t0) Nij(t0) Nij(t0)
Ti
地球
5.2 载波相位测量
~ij(t )
ij(t ) cVtiS(t ) cVtR

[Vion(t )

Vtrop(t )]
(t
)
[
Z0j
(t
)

Zi0]
nij (t)
ij (t)
X i

lij (t)
ij (t)
Yi

mij (t)
ij (t)
Zi

nij (t)
在上式中
i
j 0
(t
)

{[
X
j 0
(t
)

X i0 ]2

[Y0j (t)
Yi0 ]2

[
Z
j 0
(t
)

Zi0 ]2}1