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
§51GPS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027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/ 陆地和航空重力测量 ±1m(高程)<±0.cm/ 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 则图 ±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
（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 由干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(CA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,L1载波的观测误差约为2.0mm, L载波的观测误差约为2mm。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
§5.2测码伪距观测方程 符号约定:t(GPS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。At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,δt为接收 机钟相对理想GPS时的钟差。则有 t=t(GPS)+δt,tt(GPS)+δt1 信号从卫星传播到观测站的时间为 △t}=tt=t(GPS)-t(GPS)+δt-δt
§ 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