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GPS动态定位原理

  随着我国经济的高速发展,为了满足工程施工、测绘等工作的需要,采用GPS实时动态定位技术的测绘系统逐步进入我国市场。

 

  一、动态定位的特点

 

  GPS动态定位和GPS静态定位相比较,有以下显著特点:

 

  1.用户的广泛性

  GPS动态定位是运动状态下的一种实时定位方法。其绝大多数用户均在陆、海、空军事领域。同时,在交通运输、地球物理勘探、航空摄影测量、采矿生产等领域中,也有着广泛的应用。运动载体可以是地面运动的、水上航行的、空中飞行的,所以它的用户具有广泛性,比GPS静态定位具有更加广阔的应用天地。

 

  2.定位的实时性

  在静态定位时,用户天线相对于地球是固定不动的;而动态定位,用户天线将随着运动载体不停的运动,特别是对于高动态定位,要求以极短的时间(如亚秒级)采集一个点的实时定位数据,适时的处理定位数据,及时的给出定位成果。所以动态定位具有强烈和紧迫的实时性。

 

  3.速度的多异性

  GPS动态定位时的载体多种多样,这些载体的速度从每秒几米到每秒几公里。据此GPS动态定位分为低中高三种定位形式:低动态定位,载体的运动速度每秒几米至几十米;中等动态定位,载体的运动速度每秒100m至1000m;高动态定位,载体的运动速度在每秒一公里以上。

 

  由上所述,动态定位显著区别于静态定位。在用户天线以每秒几米到几公里的速度相对于地球运动的情况下,需要用GPS信号测定它们的七维状态参数:三维坐标、三维速度、时间。

 

  二、单点动态定位

 

  单点动态定位又叫绝对动态定位。例如在行驶的火车和汽车上,安置GPS信号接收机,独立自主地测得运动载体的实时位置,进而描绘出运动载体的运行轨迹。

 

  在单点动态定位情况下,由于观测站是运动的,为了获得瞬时定位结果,必须至少同步观测4颗卫星,以便获取4个同步伪距观测值,解得4个未知参数。

 

  单点定位的基本方程为

          GPS动态定位原理                                 (4-28)

  式中X,Y,Z为动态用户在时元t的瞬时位置, 是第i 颗 卫星在其运行轨道上的瞬时位置,它可以根据卫星电文的星历参数计算而得;为接收机测得的接收天线和第i颗卫星之间的距离,称为站星距离;d是接收机时钟偏差等因素引起的站星距离偏差。

 

  在用上式解算用户位置时,直接求各个坐标分量的改正值。如果给定的用户三维坐标初始值为,则应求解三维坐标改正值和距离偏差d。

 

  将上式用泰勒级数展开后可表示为下列线性形式:

  GPS动态定位原理                (4-29)

  式中, GPS动态定位原理;i分别为1,2,3,4。

  若令矩阵:

GPS动态定位原理

  式中为用户至第i颗卫星的伪距观测值。

  于是由(4-29)式可写出

                     GPS动态定位原理                                       

  由上式求解

                       GPS动态定位原理                              (4-30)

  按式(4-30)解算运动载体的实时位置时,需要正确确定点位的初始坐标值。其中第一个点位的初始坐标值,可以按照第二节所述的用矢量表示载体状态的方法,通过若干次迭代计算,得到第一个点位的三维坐标和时钟偏差。直接解算出第一个点的三维位置后,就可作为后一个点位的坐标初始值,通过解算式(4-30),取得第二个点的三维坐标和时钟偏差,余点类推。

 

  研究表明,单点动态定位所确定的三维位置精度为 ±120m左右,速度测量误差为±30cm/s,时间测量精度为±300~400ns。如果动态用户要求达到再高的精度,就不能采用单点动态定位了。

 

  三、伪距差分动态定位

 

  所谓差分动态定位(DGPS),就是使用两台接收机分别置于两个测站上同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号,用以联合测出动态用户的精确位置。其中一个测站是已知的基准点该点的GPS接收机称为基准接收机;另一台安设于运动载体上,称为动态接收机。两台接收机同时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进行比较,可以得GPS定位数据的改正值,据此来改正动态接收机所测得的实时位置。此时多项误差得到抵消,可以得到更为精确的动态用户位置。这种方法称为伪距差分动态定位。