第四章 动态GPS定位原理,GPS动态绝对定位原理 GPS动态相对定位和差分GPS 差分GPS定位原理 载波相位动态定位 广域差分GPS,4.1-2 GPS动态相对定位和差分GPS,GPS动态相对定位 该作业方法是用两台GPS接收机,将一台接收机安置在基准站上固定不动,另一台接收机安置在运动的载体上,两台接收机同步观测相同的卫星,通过观测值之间求差,以消除具有相关性的误差,提高定位精度.而运动点位置是通过确定该点相对基准站的位置实现的,该方法也叫差分GPS定位。按观测量的不同分为测距码伪距的动态相对定位和载波相位伪距动态定位,差分GPS产生的诱因：绝对定位精度不能满足要求 GPS绝对定位的精度受多种误差因素的影响，完全满足某些特殊应用的要求 美国的GPS政策对GPS绝对定位精度的影响（选择可用性SA）,SA关闭前后GPS绝对定位精度的变化,4.2 GPS动态相对定位和差分GPS,差分GPS（DGPS Differential GPS） 利用设置在坐标已知的点（基准站）上的GPS接收机测定GPS测量定位误差，用以提高在一定范围内其它GPS接收机（流动站）测量定位精度的方法,4.2 GPS动态相对定位和差分GPS,主要误差 卫星轨道误差 卫星钟差 大气延迟（对流层延迟、对流层延迟） 多路径效应 对定位精度的影响,4.2 GPS动态相对定位和差分GPS,影响绝对定位精度的主要误差,4.3 差分GPS定位原理,误差的空间相关性 以上各类误差中除多路径效应均具有较强的空间相关性，从而定位结果也有一定的空间相关性。 差分GPS的基本原理 利用基准站（设在坐标精确已知的点上）测定具有空间相关性的误差或其对测量定位结果的影响，供流动站改正其观测值或定位结果 差分改正数的类型 距离改正数：利用基准站坐标和卫星星历可计算出站星间的计算距离，计算距离减去观测距离即为距离改正数。 位置（坐标改正数）改正数：基准站上的接收机对GPS卫星进行观测，确定出测站的观测坐标，测站的已知坐标与观测坐标之差即为位置的改正数。,差分GPS对测量定位精度的改进,根据时效性 实时差分 事后差分 根据观测值类型 伪距差分 载波相位差分,位置差分,距离差分,距离改正,坐标改正,4.3.1差分GPS的分类,根据差分改正数 位置差分（坐标差分） 距离差分 根据工作原理和差分模型 局域差分（LADGPS Local Area DGPS） 单基准站差分 多基准站差分 广域差分（WADGPS Wide Area DGPS）,4.3.1差分GPS的分类,位置差分和距离差分的特点,位置差分 差分改正计算的数学模型简单 差分数据的数据量少 基准站与流动站要求观测完全相同的一组卫星 距离差分 差分改正计算的数学模型较复杂 差分数据的数据量较多 基准站与流动站不要求观测完全相同的一组卫星,4.4 载波相位动态定位,RTK概述 RTK系统基准站的组成和作用 RTK流动站的组成和作用 RTK定位测量的外业准备工作 RTK的作业方法 GPS网络RTK技术,4.4.1 RTK概述,RTK的工作原理是将一台接收机置于基准站上，另一台或几台接收机置于载体（称为流动站）上，基准站和流动站同时接收同一时间相同GPS卫星发射的信号，基准站所获得的观测值与已知位置信息进行比较，得到GPS差分改正值。然后将这个改正值及时地通过无线电数据链电台传递给共视卫星的流动站以精化其GPS观测值，得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。,一、RTK的工作原理,精密GPS定位都采用相对技术。无论是在几点间进行同步观测的后处理(RTK)，还是从基准站将改正值及时地传输给流动站(DGPS)都称为相对技术。以采用值的类型为依据可分为4类：,差分的数据类型有伪距差分、坐标差分和相位差分三类，前两类定位误差的相关性会随基准站与流动站的空间距离的增加其定位精度迅速降低。故RTK采用第三种方法。,4.4.1 RTK概述,二、RTK的观测模型,RTK的观测模型为：,其中： 为相位测量值，单位为m； 为星站间的几何距离； 为光速； 接收机钟差； 卫星钟差 为载波相位波长； 为整周未知数； 为对流层折射影响； 为电离层折射影响； 为相对论效应； 为观测噪声。参数,4.4.1 RTK概述,因轨道误差、钟差、电离层折射及对流层折射影响难于精确模型化，所以实际的数据处理中常用双差观测值方程来解算，在定位前需先确定整周未知数，这一过程称为动态定位的“初始化”（On The Fly即OTF）。实现OTF的方法有很多种，美国天宝导航有限公司的做法是：采用伪距和相位相结合的方法。首先用伪距求出整周未知数的搜索范围，再用L1和L2相位组合和后继观测历元解算和精化。利用伪距估计初始位置和搜索空间，快速定出精确的初始位置。,4.4.1 RTK概述,三、RTK的系统组成,下面以美国天宝导航有限公司生产的4800GPS双频接收机为例，说明RTK的系统组成，天宝RTK系统由下列两部分组成：,4.4.1 RTK概述,RTK系统基准站由基准站GPS接收机及卫星接收天线、无线电数据链电台及发射天线、直流电源等组成。其作用是求出GPS实时相位差分改正值。然后将改正值及时地通过数传电台传递给流动站以精化其GPS观测值，得到经差分改正后流动站较准确的实时位置。,Trimble4800GPSRTK基准站配置图,4.4.2 RTK系统基准站的组成和作用,GPSRTK作业能否顺利进行，关键的问题是无线电数据链的稳定性和作用距离是否满足要求。它和无线电数据链电台本身的性能，发射天线的类型，参考站的选址，设备的架设，环境无线电的干扰情况等有直接的关系。 由于数据链电台采用400480MHZ高频载波发送数据，而高频无线电信号是沿直线传播的，这就要求参考站发射天线和流动站接收天线之间无遮挡信号的障碍物，这些障碍物在陆地上主要由地形、建筑物、无线电信号发射台等；在海上则主要是地球曲率的影响。 为了尽量避免参考站设备之间相互干扰，在作业时，大于25W的数据链电台发射天线距离GPS接收天线至少2m，最好6m以上；发射天线与电台的连接电缆必须展开，以免形成新的干扰源。,4.4.2 RTK系统基准站的组成和作用,RTK数据链无线电发射机（TRIMMRK）的工作频率为UHF频段（400480MHZ），当功率一定时，发射距离随天线高度增加而增加，如下式所示： 式中：4.24为天宝经验值； H1 电台的天线高； H2 流动站的天线高；,4.4.2 RTK系统基准站的组成和作用,例：天宝4800GPS接收机使用的TRIMMRK无线电数据链电台发射功率为25W，电台天线高为9m，流动站的天线高为2m，试计算流动站工作的最远距离？ 解：已知H1 = 9 m，H2 = 2m，根据公式可计算出流动站在开阔地带工作的最远距离为： 注：该距离是在无任何遮挡物的空旷地带的理论值，实际上要根据实地情况来确定，要留有余量，根据经验，在城市要将电台天线架设在高楼顶上，才可能达到10公里左右的距离。 由于无线电数据链电台发射功率为25W，耗电量大，故直流电源的电流选择应大一些，一般选择12V60A或12V120A为宜，这样，可保证一定的工作时间。,4.4.2 RTK系统基准站的组成和作用,从基准站接收到的信号由流动站的UHF电台接收，流动站同时也接收相同的卫星信号，用配备的TSC1控制器进行实时解算。,图 数据链传输的波特率关系,4.4.3 RTK流动站的组成和作用,流动站数据链电台的功率为2W，其电源和卫星接收机共用，不需另配电池。 基准站GPS接收机与TRIMMRK电台之间的数据传输波特率为38400，TRIMMRK电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为4800，流动站中的UHF数据链电台与流动站GPS接收机之间的数据传输波特率为38400。,天宝4800流动站配置,4.4.3 RTK流动站的组成和作用,为了保证流动站的测量精度和可靠性，应在整个测区选择高精度的控制点进行检测校对，选择的控制点应有代表性，均匀地分布在整个测区。 1.基准站可以安置在已知点上，也可以不安置在已知点上。若安置在已知点上，则输入已知点的坐标，进行坐标的转换（WGS84转换成BJ54或其它坐标系）。 2.基准站若安置在未知点上（在城市测量中，有时为了控制更远和更大的范围，根据RTK的特点，可将基准站架设在没有控制点的高楼顶上），在启动基准站时，则需输入该点的WGS84坐标，进行坐标的转换（WGS84转换成BJ54或其它坐标系）。求得WGS84坐标的方法是：开机后，在TSC1控制器上经过初始化操作后，显示一软键 here （译成汉语为“这里”），直接按该键即可求得该点的WGS84坐标。,4.4.3 RTK流动站的组成和作用,3.虽然RTK定位测量的基准站可以不放在已知点上，但测区内还必须有已知控制点，而且定位测量的精度和已知控制点的等级和个数有关，在安置好基准站并启动流动站后，必须用流动站分别到已知点上进行定位测量，以求得该点坐标，然后与该点的原有坐标相比，求出其差值，若差值很小（根据工程性质定），则不需改正，否则，必须将该点的原有坐标输入到TSC1控制器中进行改正。,测区内仅有一个已知控制点的情况。定位测量时，仅已知点上的精度最高,以本点为圆心，离此点越远，精度越低，理论上讲，在半径为10km的范围内，可达到25cm左右精度。其坐标转换的方法是WGS84和BJ54的坐标相减而得X、Y、Z。,4.4.3 RTK流动站的组成和作用,测区附近有二个已知控制点的情况（必须为整体平差结果）。定位测量时，仅两已知控制点和两点的连线上的精度最高，远离此直线则精度越低。,测区附近有三个已知控制点的情况（必须为整体平差结果）。如下图所示，定位测量时，仅三已知控制点和三角形内部的精度最高，远离此三角形则精度越低。,图 三个已知点的工作范围,4.4.3 RTK流动站的组成和作用,当然还有多于四个已知控制点的情况,可根据以上内容进行分析。,测区附近有四个已知点的情况（必须为整体平差结果）。如右图所示，定位测量时，若四个已知点均匀分布在测区四周，仅四个已知控制点和四边形内部的精度最高,远离四边形则精度越低。,图 四个已知点的工作范围,4.4.3 RTK流动站的组成和作用,RTK定位测量外业准备的过程如下： 1.外业踏勘； 2.收集资料； 3.制定观测计划； 4.星历预报； 5.器材准备：经检定合格的GPS接收机（基准站+流动站（含TSC1）一套，12V60A电源（含充电器），数据链电台一套，手机或对讲机（每台GPS接收机上配一个），每台GPS接收机配观测记录手簿一本； 6. 运输工具：自备汽车或租车。,4.4.4 RTK定位测量的外业准备工作,一、架设基准站,将基准站GPS接收机安置在开阔的地方，电台和天线架设好，连上电缆后开机，先启动基准站，在TSC1控制器中进行： 按on/off键，打开TSC1控制器，则自动调用主菜单，选择Files(文件)来建立新工程如下： 1.建立新工程：给工程起一个文件名，如当地的地名或工程名； 2.选择工程管理（Job management）并确认；若测量手簿中已有的工程则显示其名称，若测量手簿中没有工程名，就选中New（F1）输入工程名后确认； 3.在选择坐标系统窗口中选用手工键入参数（Key in parameter）； 4.在键入参数窗口中选设置投影参数（Projection）；,4.4.5 RTK的作业方法,5.在输入椭球参数窗口中选： 投影方式: Transverce Mercator(横轴墨卡托投影) False northing（北偏）: 0.000m (北偏为0) False easting（东偏）: 500000.000m (东偏500km) origin lat(纬度): 00000.0000N central meridian: 1140000.0000E(当地