第六章GPS定位的观测量、观 测方程和误差分析
第六章 GPS定位的观测量、观 测方程和误差分析
§5.GPS定位的方法与观测量 1定位方法分类 按参考点的不同位置划分为: (1)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 (2)相对定位:在地球协议坐标系中,确定观测站与地面某 参考点之间的相对位置 按用户接收机作业时所处的状态划分: (1)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 (2)动态定位:在定位过程中,接收机天线处于运动状态。 在绝对定位和相对定位中,又都包含静态和动态两种形式
§5.1GPS定位的方法与观测量 1.定位方法分类 按参考点的不同位置划分为： （1）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。 （2）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。 按用户接收机作业时所处的状态划分： （1）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。 （2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。 在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式
2GPS动态定位发展特点 (1)用户多样性:概括为地面行驶的车辆、水 中航行的舰船和空中飞行的航空航天器。 (2)速度多异性:根据运动载体的运行速度, GPS动态定位分为低中高三种定位形式。运动 速度为几米秒到几十米/秒时称为低动态定位 当运动速度为100m到1000m/s时称为中等动 态定位。当载体的运动速度在1km/s以上时, 成为高动态定位。对于地球板块运动,由于速 度极其缓慢,要求长时间的数据采集才能测得 动态参数
2.GPS 动态定位发展特点 （1）用户多样性：概括为地面行驶的车辆、水 中航行的舰船和空中飞行的航空航天器。 （2）速度多异性：根据运动载体的运行速度， GPS动态定位分为低中高三种定位形式。运动 速度为几米/秒到几十米/秒时称为低动态定位。 当运动速度为100m/s到1000m/s时称为中等动 态定位。当载体的运动速度在1km/s以上时， 成为高动态定位。对于地球板块运动，由于速 度极其缓慢，要求长时间的数据采集才能测得 动态参数
(3)定位的实时性:当用三级火箭发射人造地球 卫星时,从第一级火箭发动机点火开始到卫星 入轨运行,共需17分19秒。从第859秒关闭第三 级火箭发动机结束制导,到第1039秒卫星脱离 第三级火箭入轨运行共计3分钟。在入轨历程中, 每秒钟至少要测得一个动态点位,以便用180个 实测点位描述出3分钟历程,监测卫星准确入轨。 (4)数据短时性:在高动态定位场合,要求以较 短的时间如亚秒级来采集一个点位的定位数据。 1960年7月,苏联向太平洋发射一颗射程为 13000km的导弹,从发射到着陆飞行了37分钟 若要在14775km的弹道上每隔2km测一个点位 则每0.27s便应定位一次,即数据采集时间约为 0.26s
（3）定位的实时性：当用三级火箭发射人造地球 卫星时，从第一级火箭发动机点火开始到卫星 入轨运行，共需17分19秒。从第859秒关闭第三 级火箭发动机结束制导，到第1039秒卫星脱离 第三级火箭入轨运行共计3分钟。在入轨历程中， 每秒钟至少要测得一个动态点位，以便用180个 实测点位描述出3分钟历程，监测卫星准确入轨。 （4）数据短时性：在高动态定位场合，要求以较 短的时间如亚秒级来采集一个点位的定位数据。 1960年7月，苏联向太平洋发射一颗射程为 13000km的导弹，从发射到着陆飞行了37分钟。 若要在14775km的弹道上每隔2km测一个点位， 则每0.27s便应定位一次，即数据采集时间约为 0.26s
(5)精度要求多变性: 应用目的 位置精度速度精度 海洋重力测量 ±20m ±10cm/s 陆地和航空重力测量 ±1m(高程)<±0.1cm/s 航空重力梯度测量 ±20m <±10cm/s 相对大地水准面测量 ±1m ±10cm/s 陆地和海洋的三维地震监测±1-3m ±50cm/s 航空磁场测量 ±1m ±10cm/s :5万资源测图 m ±100cm/s :2万资源测图 Sm 25cm/s 1万资源测图 ±0.1m
（5）精度要求多变性： 应用目的 位置精度 速度精度 海洋重力测量 20m < 10cm/s 陆地和航空重力测量 1m（高程） < 0.1cm/s 航空重力梯度测量 20m < 10cm/s 相对大地水准面测量 1m 10cm/s 陆地和海洋的三维地震监测 1-3m 50cm/s 航空磁场测量 1m 10cm/s 1：5万资源测图 2m 100cm/s 1：2万资源测图 0.5m 25cm/s 1：1万资源测图 0.1m 5cm/s
3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。 由千涉法测量得出的时间延迟
3.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
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。 干涉法测量时,所需设备较昂贵,数据处理复杂 这两种方法在GPS定位中,尚难以获得广泛应用 目前广泛应用的基本观测量主要有码相位观测量 和载波相位观测量。 所谓码相位观测是测量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
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。 干涉法测量时，所需设备较昂贵，数据处理复杂。 这两种方法在GPS定位中，尚难以获得广泛应用。 目前广泛应用的基本观测量主要有码相位观测量 和载波相位观测量。 所谓码相位观测是测量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。 由于载波的波长远小于码长,C/A码码元宽度 293m,P码码元宽度29.3m,而L载波波长为 19.03cm,L2载波波长为2442cm,在分辨率相 同的情况下,L载波的观测误差约为2.0mm, 2载波的观测误差约为25mm。而C/A码观测 精度为29m,P码为0.29m。载波相位观测是目 前最精确的观测方法
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。 由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度 293m，P 码码元宽度29.3m，而L1载波波长为 19.03cm， L2载波波长为24.42cm，在分辨率相 同的情况下， L1载波的观测误差约为2.0mm， L2载波的观测误差约为2.5mm。而C/A码观测 精度为2.9m，P码为0.29m。载波相位观测是目 前最精确的观测方法
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。此外,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。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。 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
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。此外，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。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。 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
§52测码伪距观测方程 符号约定:tGPS)为卫星s发射信号时的理想GPS 时刻,t(GPS)为接收机T收到该卫星信号时的 理想GPS时刻,t为卫星s发射信号时的卫星钟 时刻,t为接收机T收到该卫星信号时的接收机 钟时刻。Δt为卫星信号到达观测站的传播时间 δ为卫星钟相对理想GPS时的钟差,8为接收 机钟相对理想GPS时的钟差。则有 t=t(GPS)+δt,t=t(GPS片δt 信号从卫星传播到观测站的时间为 △t=t七=t(GPS)-tGPS)+δt-8t
§ 5.2测码伪距观测方程 符号约定：t j (GPS)为卫星s j发射信号时的理想GPS 时刻，t i (GPS)为接收机Ti收到该卫星信号时的 理想GPS时刻，t j为卫星s j发射信号时的卫星钟 时刻， t i为接收机Ti收到该卫星信号时的接收机 钟时刻。t i j为卫星信号到达观测站的传播时间。 t j为卫星钟相对理想GPS时的钟差， t i为接收 机钟相对理想GPS时的钟差。则有 t j= tj (GPS)+ t j， t i= ti (GPS)+ t i 信号从卫星传播到观测站的时间为 t i j=ti -t j= t i (GPS) - t j (GPS)+ t i - t j