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1、第六章 GPS卫星定位基本原理,6.1 GPS定位方法分类 6.2 测距交会法 6.3 伪距测量 6.4 载波相位测量 6.5 GPS 绝对与相对定位 6.6 SA和AS政策及其对策 6.7 差分GPS定位原理 6.8卫星导航原理 6.9 GPS用于测速 测时 测姿态 6.10卫星导航方法,6.1 GPS定位方法分类 根据定位模式：单点定位、相对定位、差分定位 单点定位（绝对定位）：绝对定位是以地球质心为参考点，测定接收机天线在协议地球坐标系中的绝对位置。该定位模式在船舶、飞机的导航，地质矿产勘探，暗礁定位，建立浮标，海洋捕鱼及低精度测量领域应用广泛。,静态绝对定位示意图,相对定位：确定测站与
2、某一地面参考点之间的相对位置。 确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对位置的方法。可以消除许多相同或相近的误差（如卫星钟、卫星星历、卫星信号传播误差等），定位精度较高。但其缺点是外业组织实施较为困难，数据处理更为烦琐。 在大地测量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域内得到广泛的应用。,注在绝对定位和相对定位中，又都包含静态定位和动态定位两种方式。因此形成了动态绝对定位和静态绝对定位，动态相对定位和静态相对定位。 为缩短观测时间，提供作业效率，近年来发展了一些快速定位方法，如准动态相对定位法和快速静态相对定位法等。,差分定位：用两台GPS接收机，将一台接收机安设在基准站上固定不动
3、，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，通过在观测值之间求差，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相对位置实现的。,差分技术很早就被人们所应用。其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数。在以前的无线电定位系统中已被广泛地应用。差分定位采用单点定位的数学模型，具有相对定位的特性（使用多台接收机、基准站与流动站同步观测）。,根据定位时接收机天线的运动状态： 静态定位：如果在定位过程中，用户接收机天线处于静止状态，或者更明确地说，待定点在协议地球坐标系中的位置，被认为是固定不动的，那么确定这些待定点位置的定位测量就称为静态定位。静态
4、定位仅需使用一台接收机，速度快，灵活方便，且无多值性问题等优点。 静态定位主要应用于测定板块运动、监测地壳形变、大地测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等领域。,静态绝对定位示意图,动态定位：如果在定位过程中，用户接收机天线处在运动状态，这时待定点位置将随时间变化。确定这些运动着的待定点的位置，称为动态定位。 主要应用于飞机、船舶和陆地车辆等运动载体的导航中。,动态定位,根据定位时效： 实时定位：在用户站接收到GPS卫星信号的同时计算出定位结果。 事后定位：在测后进行有关的数据处理，求得用户站的定位结果。,根据观测值类型： 伪距测量：利用C/A码伪距或P码伪距作为观测量进行定位测量。 载波
5、相位测量：利用L1载波或L2载波测得的载波相位伪距作为观测量进行定位测量。,总结定位分类,6.2 测距交会法 测距交会法是常用的定点方法 空间距离后方交会 (无线电导航定位 卫星激光测距定位 GPS卫星定位) 巳知三个以上卫星的空间位置可以交会出地面用户接收机位置,巳知三个以上地面控制站位置可以交会出卫星位置. 用户接收机在某一时刻同时接收到三颗以上卫星信号,测量出天线至三颗卫星距离,解算该时刻卫星空间坐标,据此交会解算测站位置. 实时测距 实时解算卫星坐标 (静态/动态 绝对/相对),空间距离后方交会,6.3 伪距测量,伪随机噪声码（PRN） 模二相加 二进制信号 码元、时间周期（TP）与长
6、度周期（LP）,测距码,随机噪声的自相关性:,自相关函数 1 j=0, m, 2m -1/m j0, m, 2m,. ( m=2n-1 为m序列的周期),6.3 伪距测量,GPS的测距码,C/A码：码速1.023MHz,时间周期（TP）=1ms, 长度周期（LP）=1023, 码元长度293.052m,P码：码速10.23MHz, TP=266天9小时45分55.5秒, LP=235469592765000, 码元长度29.3052m。,实际被截为7天一个周期，共38段，每一段赋予不同的卫星，卫星的PRN号也由此得到。,6.3 伪距测量 1.伪距法定位 由接收机在某一时刻测出四颗以上卫星的伪距
7、及卫星坐标采用距离交会法求得接收机天线的三维坐标,称 伪距法定位. 伪距即是由卫星发射的测距码信号到达接收机天线的传播时间乘以光速得出的量测距离(与真实的几何距离还有一点差距). 该法一次定位精度不高,但定位速度快,无多值性问题.,2.伪距测量 (测距码信号的相位测量) 接收机用码相关技术来确定伪距.使自相关系数R()达到最大,从而确定传播时间. 码相关法测量伪距时，有一个基本假设，即卫星 钟和接收机钟是完全同步的。但实际上这两台钟之间总是有差异的。因而在R(t) =max的情况下求得的时延就不严格等于卫星信号的传播时间t，它还包含了两台钟不同步的影响在内。此外，由于信号并不是完全在真空中传播
8、，因而观测值中也包含了大气传播延迟误差。在伪距测量中，一般把在R(t) =max的情况下求得的时延和真空中的光速c的乘积当作观测值，需建立卫星与接收机之间的距离同观测值之间的关系。,2.伪距测量 (测距码信号的相位测量),2.伪距测量 (测距码信号的相位测量) 测距码具一定规律(一个周期内每个码对应着某一特定时间),但其带有随机误差,又经长距离传输可能发生变形,故根据码的某一标志来推算时延就会产生较大误差,而采用码相关技术使自相关系数最大可排除随机误差的影响(相当于采用多个码特征).,GPS时刻 t 卫星钟控制测距码 a(t) 发出,经时间延迟到达接收机, 接收机收到信号 a(t-); 接收机
9、钟控制本地码发生器产生一个与卫星码相同的本地码 a(t+t) ,t为卫星钟与本地钟钟差,经码移位电路延迟送至相关器进行相关运算,经积分器输出R(), 调整 使R() 最大,此时 t -=t +t - =+t =+ct 几何距离(真距) 伪距 T 测距码周期 =cT 相应波长 c 光速,t=tk+tj (接收机钟差,卫星钟差),再考虑电离层 、对流层延迟 =+1+2+ctk-ctj,3伪距定位观测方程 2=(Xs-X)2+(Ys-Y)2+(Zs-Z)2 1,2 可按一定模型计算 ,tj 可由卫星电文得到 (Xs-X)2+(Ys-Y)2+(Zs-Z)21/2-ctk=+1+2-ctj,伪距法定位原
10、理,线性化以后的伪距观测方程,6.4 载波相位测量,伪距测量观测精度低，载波相位测量精度高,伪距测量和码相位测量是以测距码为量测信号的。量测精度是一个码元长度的百分之一。由于测距码的码元长度较长，因此量测精度较低（C/A码为3m，P码为30cm）。载波的波长要短得多（L1 = 19cm, L2 = 24cm），对载波进行相位测量，可以达到很高的精度。目前大地型接收机的载波相位测量精度一般为12mm。但载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定其不足一个波长的部分，因而存在整周不确定性问题，解算复杂。,6.4 载波相位测量,由于GPS信号中已用相位调制的方法在载波上调制了测距码和导航电文，
11、因而接收到的载波的相位已不再连续（凡是调制信号从0变1或从1变0时，载波的相位均要变化180）。所以在进行载波相位测量之前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获得载波，即所谓载波重建。,码相关法 特点：需要了解码的结构，可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好,平方法 特点：无需了解码的结构，无法获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了30dB）,1、载波相位测量原理,载波相位观测量是GPS接收机接收的卫星载波信号与接收机本机振荡参考信号的相位差.,接收机钟面时刻tk观测量 接收机收到的j卫星载波信号观测值 接收机钟面时刻
12、tk产生的本地参考信号相位值.,Int(),从t0到ti时间的整周数变化量,在初始 t0 时刻测得小于一周的相位差0 ,其整周数为 Nj0 ，此时包含整周数的相位观测值为,接收机继续跟踪卫星信号,不断测定小于一周的相位差(t) 并利用整周计数器记录从t0到ti时间的整周数变化量Int(),只要卫星Sj从t0到ti之间信号不中断,则初始时刻整周模糊度Noj 就为一常数,这样任一时刻ti卫星Sj到k接收机的相位差为,观测量包括相位差的小数部分和累计的整周数,2. 载波相位测量观测方程 GPS标准时间时刻Ta卫星Sj发播载波相位为(ta),经传播延迟,在Tb时刻为接收机接收.即在接收机钟面时刻tb收
13、到的j (Tb),就是卫星Sj在GPS Ta时刻的载波相位j(ta),再考虑接收机钟面时刻与GPS标准时刻的钟差,则有: =(Tbtb) j(Tata) Tb=Ta+ = (Tb)=j(Ta)+f =(12)/c 载波相位观测方程:,其中Njk可以认为是第一次观测时刻相位差的整周数模糊度参数（对于不同的接收机,不同的卫星,其模糊度参数不同）.,3. 整周未知数的确定 *模糊性:在任一周期里的载波相位观测的初始偏差.当接收机第一次锁定信号时初始相位观测要延迟几个周期,因为接收机无法知道卫星和接收机之间载波波形周期的正确数目.在处理载波相位数据时出现这种模糊性,只要接收机仍锁定信号,这种现象一直存
14、在.,3. 整周未知数的确定方法 a.伪距法 载波相位测量同时进行伪距测量,将伪距值减相位观测值可得n0, 较多的n0取平均 可获得较精确的整周波数. b.经典方法 将整周未知数当作平差 中的待定参数 把整周未知数作为基线向量平差计算中的待定参数，在平差过程中与其他参数一起求解确定。静态相对定位中常采用这种方法，即可采用如下的数学模型，根据最小二乘原理，通过平差求解相应的整周未知数，而整周未知数的取值有两种取值方法。整数解和实数解,c.多普勒法(三差法) 连续跟踪的所有载波相位观测值中均含相同的整周未知数,故将相邻两个观测历元的载波相位相减就将该未知项消去,从而直接解出坐标参数.此即多普勒法.
15、 由于时钟随机误差影响, 精度不够好.往往用来解算未知参数的初始值 . d.整周未知数快速确定法 1990年 E.Frei和G.Beutler用快速模糊度法 解算 可快速定位 ( 短基线 双频机 只须观测1分钟 ),4.整周跳变修复 (Cycle Slip周跳),跳变:由于某种原因(如信号中断),使整周计数不正确,但不到一个整周的相位观测值是正确的,这种现象称为周跳.周跳的发现和修复是载波相位测量中的重要问题.,a.屏幕扫描法 观测每个测站,每个时段,每个卫星的相位观测值变化图像，发现不规则的突然变化即是出了现周跳，可手工修复. b.高次差或多项式拟合法 根据周跳的出现将破坏载波相位观测值随时
16、间变化的规律性这一特性. 相邻相位 观测值依次求差 (高次差) or 曲线拟合 (多项式),c.在卫星间求差 多颗卫星的观测受接收机本机振荡器随机误差影响相同,卫星间求差可消除此项误差的影响. d. 双频机观测值组合(电离层残差法) e.据平差后的残差来发现及修复周跳 用观测值进行平差计算求得各观测值的残差，由于载波相位测量精度很高,通常残差很小,而有周跳处残差将会很大.,5.5 GPS 绝对与相对定位 绝对定位(单点定位):确定接收机天线在WGS-84中相对于地球质心的坐标. 静态精度 m级,动态精度10-40m,用于一般导航定位. 相对定位(差分定位):至少两台接收机同步观测相同的卫星以确定两接收机天线
