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  qmkfgkli8464 2016-12-01 22:33:44

  一、靜態定位與動態定位 （一）定義 1．靜態定位 2．動態定位 （二）動態定位和靜態定位 1．靜態定位：由于接受機的位置固定不動，就可以進行大量的重復觀測，所以靜態定位可靠性強，定位精度高，在大地測量、工程測量中得到了廣泛的應用，是精密定位中的基本模式。 2．動態定位：其特點是測定一個動點的實時 位置，多余觀測量少、定位精度低。目前，導航型的GPS接受機可以說是一種廣義的動態定位，它除了要求測定動點的實時位置外，一般還要求測定運動載體的狀態參數，如速度、時間和方位等。 二、單點定位和相對定位 1．定義 GPS單點定位也叫定位，就是采用一臺接受機進行定位的模式，它所確定的是接受機天線在WGS-84世界大地坐標系統中的位置，所以單點定位的結果也屬于該坐標系統。 2．單點定位的優缺點： 優點是只需一臺接受機即可獨立定位，外業觀測的組織及實施較為方便，數據處理也較為簡單。 缺點是定位精度較低，受衛星軌道誤差，鐘同步誤差及信號傳播誤差等因素的影響，精度只能達到米級。所以該定位模式不能滿足大地測量精密定位的要求。但它在地質礦產勘察等低精度的測量領域，仍有著廣泛的應用前景。 3．相對定位定義： 4．單點定位、相對定位與動、靜態的關系 在單點定位和相對定位中，又都可能包括靜態定位和動態定位兩種方式。其中靜態相對定位一般均采用載波相位觀測值為基本觀測量。這種定位方法是當前GPS測量定位中精度Z高的一種方法，在大地測量、精密工程測量、地球動力學研究和精密導航等精度要求較高的測量工作中被普遍采用。 三、主動式測距和被動式測距 1．主動式測距 用電磁波測距儀發射測距信號，通過另一端的反射器回來，再由測距儀接受。如圖4-2所示： 根據測距信號的往、返傳播時間求解出往、返距離2ρ 。由于電磁波測距儀需在測站點上主動發出測距信號，故稱這種測距方式為主動式測距。主動式測距只需要求一起鐘自身能在信號往、返時間段中保持穩定，就不會影響測距精度。其缺點是用戶必須發射信號，因而難以隱蔽自己，這對軍事用戶十分不利。此外，要求用戶同時具有發射設備和接收設備，裝置較為復雜。 2．被動式測距 發射站在規定的時刻內準確地發出信號，用戶則根據自己的時鐘記錄信號到達的時間，根據時差Δt 求得單程距離ρ。如圖4-2所示： 由于用戶只需被動地接收信號，故稱為被動式測距。其優點是用戶無需發射信號，因而便于隱蔽自己，用戶裝置也較簡單，只配備接收設備即可。為了眾多用戶同時工作，要求接收機鐘和各衛星鐘都要和GPS時間系統保持同步，所以對鐘的穩定提出了很高的要求，或者要求采取特殊措施解決鐘差對測距帶來的影響。 四、用GPS信號進行定位的基本方法 前面所述的靜態定位或動態定位，所依據的觀測量都是所測的衛星至接收機天線的偽距。但是，偽距的基本觀測量又區分為碼相位觀測（簡稱測碼偽距）和載波相位觀測（簡稱測相偽距）。這樣，根據GPS信號的不同觀測量，可以區分為四種定位方法。 1．衛星射電干涉測量 GPS衛星的信號強度比類星體的信號強度大10萬倍，利用GPS衛星射電信號具有白噪聲的特性，由兩個測站同時觀測一顆GPS衛星，通過測量 這顆衛星的射電信號到達兩個測站的時間差，可以求得站間距離。由于在進行干涉測量時，只把GPS衛星信號當作噪聲信號來使用，因而無需了解信號的結構，所以這種方法對于無法獲得P碼的用戶是很有引引力的。其模型與在接收機間求一次差的載波相位測量定位模型十分相似。 2．多普勒定位法 多普勒效應是1942年奧地利物理學家多普勒首先發現的。它的具體內容是： 當波源與觀測者做相對運動時，觀測者接收到的信號頻率與波源發射的信號頻率不相同。這種由于波源相對與觀測者運動而引起的信號頻率的移動稱為多普勒頻移，其現象稱為多普勒效應。 根據多普勒效應原理，利用GPS衛星較高的發射頻率，由積分多普勒記數得出偽距差。當采用積分多普勒記數法進行測量時，所需觀測時間一般較常（數小時），同時，在觀測過程中接收機的震蕩器要求保持高度穩定。 1．偽距定位法 偽距定位法是利用衛星定位系統進行導航定位的Z基本的方法，其基本原理是：在某一瞬間利用GPS接收機同時測定至少四顆衛星的偽距，根據已知的衛星位置和偽距觀測值，采用距離交會法求出接收機的三維坐標和時鐘改正數。偽距定位法定一次位的精度并不高，但定位速度快，經幾小時的定位也可達米級的若再增加觀測時間，精度還可以提高。 2．載波相位測量 載波信號的波長很短，L1載波信號長為19cm ，L2載波信號波長為24.4cm。若把載波作為量測信號，對載波進行相位測量可以達到很高的精度。通過測量載波的相位而求得接收機到GPS衛星的距離，是目前大地測量和工程測量中的主要測量方法。 第二節 偽距法定位 一、測定偽距的方法 偽距法定位是利用定位系統進行導航定位的Z基本方法。它的優點是速度快、無多值性問題，利用增加觀測時間可以提高定位精度；缺點是測量定位精度低，但足以滿足部分用戶的需要。 前已述及，GPS定位采用的是被動式單程測距。它的信號發射書機由衛星鐘確定，收到時刻是由接收機鐘確定，這就在測定的衛星至接收機的距離中，不可避免地包含著兩臺鐘不同步的誤差和電離層、對流層延遲誤差影響，它并不是衛星與接受機之間的實際距離，所以稱之為偽距。 在無線電通訊技術中，一般將頻率較低的信號調制到頻率較高的載波上，GPS 衛星的測距碼和數據碼采用了調相技術。圖 4－3描繪了調制后載波相位的變化。 當衛星發射機依據自己的時鐘發出的含有測距碼的調制信號，經過了時間的傳播后到達地面的接收機，如圖4－4，此時接收機收到的測距碼為 U(t-∆t)。而接收機的偽隨機噪聲碼發生器，又產生了一個與衛星發播的測距碼結構完全相同的復制碼U′(t-∆t) 。 并且通過接收機的時間延遲器進行移相，對測距碼和復制碼作相關處理，當信號之間的自相關系數達到Z大，即近于1時，說明在積分間隔T內復制碼 。已經和測距碼“對齊”。 否則繼續調整時間延遲，直至R（t）=max，于是就由時延器測定出兩信號間的時間延遲。測定自相關系數的工作由接收機鎖相環路的相關器和積分器來完成。在理想的情況下，時延就等于衛星信號的傳播時間，此時將乘以光速值c，就可以求得衛星至接收機的距離。 二、偽距法定位的原理 為了解決定位問題，首先需將觀測時得到的偽距 改正為衛星至接收機之間的實際距離 。 如果已知衛星的鐘差 和接收機的鐘差 ，又可精確求得電離層折射改正和對流層折射改正，那么測定了偽距 ，就可求得實際距離 。實際距離 與衛星坐標（x、y、z）和接收機坐標（X、Y、Z）之間又有下列關系： （4－6） 式中的衛星坐標可以根據收到的衛星電文求得，所以上式中只包含有三個坐標未知數。這就是說，如果對三顆衛星同時進行偽距測量，就可以求出接收機的位置。 然而在實用中，我們將接收機的鐘差 也視作未知數。因為要想知道精確的鐘差，必須使用穩定度極高的原子鐘，這在數目有限的衛星上能夠辦到；可是廣大接收機生產廠家卻難以辦到，他們為了降低接收機成本，減小其體積和重量，擴大用戶數量，普遍使用了石英鐘。為此就要求 任何一個觀測瞬間至少要測定四顆衛星的距離，以便同時解出四個未知數：X，Y，Z， 。這樣，根據式（4－5）和（4－6），偽距定位法的數學模型應該寫為 （4－7） 式中各符號的腳注i 表示觀測的四顆（或其以上）衛星的序號；第i顆衛星發射信號瞬間的鐘差 可以根據衛星電文所給出的系數計算出來。 當方程式（4－7）的個數大于4時，可用Z小二乘法求解未知數的Z或是值。 三、偽距法定位的計算 討論只觀測4顆衛星情況下的偽距定位計算。 上述是僅觀察4顆衛星情況下的求解。這時沒有多余觀測量，解算是唯yi的。在同步觀測的衛星數多于4個，例如n個時，則需通過Z小二乘平差求解。 四、偽距定位法的應用 偽距定位法是單點定位的基本方法，它的定位速度很快，又無多值性問題，數據處理也比較簡捷。由于它的測量信號是衛星發播的測距碼，故測量精度就和測距碼與復制碼的相關（對齊）精度有關，也與測距碼元寬度有關。 根據經驗，接收機的復制碼與測距碼的對齊精度約為碼元寬度（或碼的波長）的1%。對于C/A碼，其碼元寬度約為293m，偽距測量精度則為2.9m；對于P碼，其碼元寬度約為29.3m，偽距測量精度則為0.29m，比C/A碼的測量精度約高10倍。 但是，由于P碼受美國軍方控制，一般用戶無法得到，只能利用C/A碼進行偽距定位，加之美國對利用GPS有限制政策，在采用SA技術時，利用C/A碼進行偽距定位的精度降低至約100m，遠遠不能滿足高精度單點定位的要求。 若要提高測站點間的相對位置精度，則可用若干臺接收機同時對相同的衛星進行偽距測量，此時衛星星歷誤差、衛星鐘的誤差、電離層和對流層折射誤差對同步觀測站的影響基本相同，在求坐標差時可以自行消除。 偽距法進行相對定位可以采用兩種辦法： 1．間接相對定位，各同步測站分別進行單點定位，求得各測站坐標，然后相減求得坐標差； 2．直接相對定位，當兩個測站進行同步觀測時，產生兩個數學式，相減后建立起偽距定位法用于相對定位的數學模型，然后解算出坐標差。 第三節 載波相位測量 一、載波相位測量原理 GPS接收機所接收到的衛星信號中，已用相位調制技術在載波上調制了測距碼和衛星導航電文，所以載波已不再連續（圖4－3）。為此要在載波相位測量之前先進行解調，設法將調制在載波上的測距碼和衛星電文去掉，恢復載波的相位。衛星信號的解調可采用兩種方法，一種是碼相關法，第二種是平方法。 如果接收機在某一時刻跟蹤衛星信號，并對恢復后的載波進行相位測量。與此同時，接收機的本機振蕩器又能產生一個頻率和初相均與衛星載波信號相同的基準信號，其相位就等于衛星載波信號的相位。 二、載波相位測量觀測方程 設在標準時刻為 、衛星鐘讀數為 的瞬間，衛星發射的載波相位 ，該信號在標準時刻 到達接收機。根據波動方程，信號到達接收機的相位應保持不變，即在 時刻，接收機收到的載波信號的相位為 。對應與標準時刻 的接收機鐘讀數為 ，這時接收機產生的基準信號的相位為 。可以得到線性化的載波相位測量基本觀測方程： （4－25） 上式等號左端各項為未知數項，其中（x，y，z）是 時刻的衛星坐標；上式等號右端各項可根據衛星電文或多普勒觀測資料算得，而 為載波相位的實際觀測值，其總和即為誤差方程式的常數項。 方程（4－25）可用以進行單點定位，但更多地用以進行相對定位。由于作為已知量的衛星位置，其誤差遠比相位觀測值誤差大，加之大氣延遲改正的精度也難以與相位觀測的精度匹配，所以在相對定位中常采用差分法解決這些問題。三、載波相位測量差分法 在載波相位測量基本方程中，包含著兩類不同的未知數：一類是必要參數，如測站的坐標；另一類是多余參數，如衛星鐘和接收機的鐘差、電離層和對流層延遲等。并且多余參數在觀測期間隨時間變化，給平差計算帶來麻煩。 解決這個問題有兩種辦法：一種是找出多余參數與時空關系的數學模型，給載波相位測量方程一個約束條件，使多余參數大幅度減少；另一種更有效、精度更高的辦法是，按一定規律對載波相位測量值進行線性組合，通過求差達到消除多余參數的目的。 第四節 GPS 動態定位原理 要使艦船、飛機和航天器等成功地完成預定的任務。除了起始點和目標位置之外，就是必須知道航行體所處的實時位置，只有知道現勢位置才能考慮怎樣到達下一目的地的問題。為了解決這個問題，可以在車輛、艦船、飛機和航天器等運動載體上安設GPS接收機，全天侯和性地測量運動載體的七維狀態參數（三維坐標、三維速度、時間）和三維姿態參數， 實時地測得載體上GPS接收機天線的所在位置。和GPS靜態定位相比較，GPS動態定位有用戶多樣、速度多變、定位定時、數據和精度多變等特點。 一、動態定位的特點 1．用戶的廣泛性； 2．定位的實時性； 3．速度的多異性。 由上所述，動態定位顯著區別于靜態定位。在用戶天線以沒秒幾米到幾公里的速度相對于地球運動的情況下，需要用GPS信號測定它們的七維狀態參數：三維坐標、三維速度、時間。 二、單點動態定位：單點動態定位又叫動態定位。 單點動態定位又叫動態定位。在單點動態定位的情況下，由于觀測站是運動的，為了獲得瞬時定位結果，必須至少同步觀測4顆衛星，以便獲取4個同步偽距觀測值，解得4個未知參數。 研究表明，單點動態定位所確定的三維位置精度為+120m左右，速度測量誤差為±30cm/s ，時間測量精度為±300～400ns。 三、偽距差分動態定位 使用兩臺接收機分別置于兩個測站上，其中一個測站是已知的基準點；另一臺安設于運動載體上。所謂差分動態定位（DGPS），就是使用兩臺接收機分別置于兩個測站上同時測量來自相同GPS衛星的導航定位信號，用以聯合測出動態用戶的精確位置。 其中一個測站是已知的基準點，該點的GPS接收機稱為基準接收機；另一臺安設于運動載體上，稱為動態接收機。兩臺接收機同時測量來自相同GPS衛星的導航定位信號。基準接收機所測得的三維位置與該點已知值進行比較，可以獲得GPS定位數據的改正值，據此來改正動態接收機所測定的實時位置。此時多項誤差得到抵消，可以得到更為精確的動態用戶位置。這種方法稱為偽距差分動態定位。其原理框圖如圖4－7所示。 差分動態定位的結果，消除了星鐘誤差、星歷誤差、電離層與對流層時延誤差，從而顯著地提高了動態定位的精度。 近年來以載波相位為觀測量的高精度動態相對定位的研究工作，日益受到關注。在汽車和飛機上的差分動態定位實驗表明，載波相位測量能高有效地用于動態定位，并且已取得了厘米級的三維位置精度。 四、GPS測速 實時地測得載體運行速度。 利用GPS信號實時地測得載波的運動速度，稱之為GPS測速。只要在這些運動載體上安置GPS接收機，就可以在進行動態定位的同時，利用GPS信號進行速度測量，是基于站星距離的測量。 另外，還可用GPS差分法測速，從而消除星歷誤差對測速精度的損失，可顯著削弱電離層或對流層效應對測速精度的影響。 五、GPS定時 可以獲得較高的定時精度。 當同時觀測4顆GPS衛星時，一站單機法可以在不知測站的情況下， 同時測得用戶時鐘偏差和測站坐標。當時偏差為正值時，表示用戶時間超前于GPS時間；為負值時表示用戶時間落后于GPS時間。若要求定時更加準確，可采用共視比對定時法，即在兩個測站A和B上安設一臺GPS信號接收機，在相同的時間內觀測同一顆GPS衛星。通過無線數據傳輸將測站A的用戶鐘差送到測站B，對兩個共視用戶的鐘差進行比對，從而測定用戶時鐘的偏差。實驗表明，兩個測站共同見到同一顆衛星的時間并不要求嚴格同步，前后相差20min以內對定時準確度無顯著區別；由于它有效地消除了衛星鐘差和星歷誤差的影響，達到了±5ns的定時準確度，所以這種方法成為目前用GPS信號傳遞時間的主要方法。 當同時觀測4顆GPS衛星時，一站單機法可以在不知測站的情況下，同時測得用戶時鐘偏差和測站坐標。當時偏差為正值時，表示用戶時間超前于GPS時間；為負值時表示用戶時間落后于GPS時間。若要求定時更加準確，可采用共視比對定時法，即在兩個測站A和B上安設一臺GPS信號接收機，在相同的時間內觀測同一顆GPS衛星。通過無線數據傳輸將測站A的用戶鐘差送到測站B，對兩個共視用戶的鐘差進行比對，從而測定用戶時鐘的偏差。實驗表明，兩個測站共同見到同一顆衛星的時間并不要求嚴格同步，前后相差20min以內對定時準確度無顯著區別；由于它有效地消除了衛星鐘差和星歷誤差的影響，達到了±5ns的定時準確度，所以這種方法成為目前用GPS信號傳遞時間的主要方法。 六、本章小結 本章主要介紹了GPS定位的兩種方式和四種定位的方法：衛星射電干涉測量法、多普勒法、偽距法、載波相位測量法。目前，在測量工程中應用的主要方法是靜態定位中的偽距法和載波相位測量法，采用這兩種方法可以獲得高精度的定位成果 利用GPS進行定位，就是把衛星視為“動態”的控制點，在已知其瞬時坐標的條件下，以GPS衛星和用戶接收機天線之間的距離（或距離差）為觀測量，進行空間距離后方交會，從而確定用戶接收機天線相位ZX所處的位置。 利用GPS進行定位有多種方式，如果就用戶接收機天線所處的狀態而言，定位方式分為靜態定位和動態定位；若按參考點位置的不同，又可分為單點定位和相對定位。 靜態定位是指GPS接收機在進行定位時，待定點的位置相對其周圍的點位沒有發生變化，其天線位置處于固定不動的靜止狀態。 動態定位是指在定位過程中，接收機位于運動著的載體，天線也處于運動狀態的定位。動態定位是用GPS信號實時地測得運動載體的位置。 GPS單點定位，就是采用一臺接收機進行定位，它所確定的是接收機天線在WGS-84世界大地坐標系統中的位置，其實質就是空間距離后方交會。 相對定位又稱為差分定位，是采用兩臺以上的接收機（包含兩臺）同步觀測相同的GPS衛星，以確定接收機天線間的相互位置關系的一種方法。 根據GPS信號的不同觀測量，可以區分為四種定位方法：1、衛星射電干涉測量；2、多普勒定位法；3、偽距定位法；4、載波相位測量。

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