第五章gps卫星定位基本原理

《第五章gps卫星定位基本原理》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第五章gps卫星定位基本原理（146页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第五章GPS卫星定位基本原理,5.1 概述 5.2 伪距测量 5.3 载波相位测量 5.4 整周跳变的修复 5.5 GPS绝对定位与相对定位 5.6 美国的GPS政策 5.7 差分GPS定位原理,5.1 概述,1.测角交会法 1)前方交会 2)恻方交会 3)后方交会 2. 测边交会法(距离交会),测角交会法,测边（距）交会法,飞机轮船仍旧使用的一种导航定位方法 如只有两个无线电发射台，可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置,无线电导航定位 卫星激光测距定位,无线电发射台或激光测距仪,3. 无线电接收机或卫星,1)ABC为三个无线电信号发射台,坐标已知 2)P为用户接收机 3)采用无线

2、电测距方法测得PA PB PC 4)以ABC为球心,以三个长为半径作出三个定位球面,即可交出接收机的平面位置,5.1概述,1)P点为激光测距卫星 2)A B C为固定于地面上 三个的卫星激光测距仪(坐标已知) 3)确定出P点位置 4)利用三个卫星位置在地面上有第 四个位置 ,利用所测定的三个空间 距离交会出该地面点的位置,4.近代卫星大地测量(卫星激光测距）,5.GPS卫星定位的基本原理(1),观测方程,P点的三维坐标（X，Y，Z）,5.1 概述,1)内容:应用测距交会原理,利用三颗以上卫星的已知空间位置 交会出地面未知点的位置,2).,3)GPS卫星定位方法 a.依据测距的原理划分： 1）伪

3、距法定位（测码） 2）载波相位测量定位（测相） 3）差分GPS定位 b.根据待定点的运动状态划分： 1）静态定位(绝对) 2）动态定位(相对) c.获得定位结果的时效(补充） 1) 事后定位(静态) 2) 实时定位 (RTK),5.GPS卫星定位的基本原理(2),5.1 概述,5.2 伪距测量,1.伪距：由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于各种误差的存在，与卫星到测站的实际几何距离有一定差值。 2.两种测量值： - CA码伪距 误差20-30米 - P码伪距 误差10米 3.伪距定位法: 由GPS接收机在某一时刻测出到达四颗以上GPS卫星的伪距以及已知

4、的卫星位置，采用测距交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。 4.特点 1)适用于导航和低精度测量 2) 定位速度快； 3)可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。,5.2.1伪距测量,1.卫星发出一个测距码，该测距码经过时间后到达接收机； 2.接收机产生一组结构完全相同的测距码复制码，并通过时延器使其延迟时间；,5.2 伪距测量,5.2.1.1伪距测量的方法,3.将两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的自相关系数 R()=1为止，此时，复制码已和测距码对齐，复制码的延迟时间 就等于卫星信号的传播时间； 4.将 乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。,5.2.1.1

5、伪距测量的方法(续),5.2 .1伪距测量,5.2.1.2为什么利用码相关法测定伪距？,为什么不利用码的标志来推算时延值？ 1.随机误差的存在： 每个测距码在产生时；测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形；复制码在产生时。 2.仅根据测距码中的某一标志来进行量测会带来较大误差。利用码相关技术在自相关系数R() = max 的情况下来确定信号的传播时间，实质上是采用了多个码特征来确定 ，排除了随机误差的影响。,5.2.1伪距测量,5.2.1.3伪距测量的原理(1),1.三种时间系统： 1) 各颗GPS卫星的时间标准 2) 各台GPS信号接收机的时间标准 3) 统一上述时间标准的GPS时间系统,5

6、.2.1伪距测量,5.2.1.3伪距测量的原理（2）,伪噪声码从卫星到接收天线的传播时间：,伪噪声码从卫星到达接收天线的时元,伪噪声码在其卫星的发射时元,5.2.1伪距测量,2.,5.2.1.3伪距测量的原理（3）,dt 卫星时钟相对于GPS时间系统的时间偏差（可根据导航电文求得） dT 接收机时钟相对于GPS时间系统的时间偏差（接收机钟差）,5.2.1伪距测量,5.2.1.3伪距测量的原理（4）,卫星到接收天线的真实距离：,卫星到接收天线的“伪距（pseudorange）”：,5.2.1伪距测量,3：,5.2.1.3伪距测量的原理（5）,4.考虑电离层/对流层影响的伪距值：,C (dt dT

7、 ) 时钟偏差引起的距离偏差 dion电离层效应引起的距离偏差 dtrop对流层引起的距离偏差,5.2.1伪距测量,5.2.2伪距定位观测方程, 是卫星在轨位置和用户位置的函数，即：, 第j 颗卫星在时元t 的三维坐标，可从导航电文中求得, 用户接收天线在时元t 的三维坐标，为待求的未知数,上式中有4个未知数（用户三维坐标和接收机的钟差dT ）。这样在任何一个观测瞬间，用户至少需要同时观测4颗卫星，以便解算4个未知数。,5.2.2伪距测量的基本方程（续）,5.3 载波相位测量(1),1.伪距测量的不足： 测距码的码元长度较长，因此量测精度较低。 （对C/A码而言精度3m左右，P码约为30cm）

8、 2.如果把载波作为量测信号，载波的波长要短得多（L1=19cm， L2=24cm ），比P码码元的长度小两个数量级。对载波进行相位测量，可以达到很高的精度。 3.载波信号是一种周期性正弦信号，相位测量只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数不确定性的问题，使解算过程变得比较复杂。,5.3 载波相位测量(2),4.重建载波： 1)概念:将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获得载波。 2)方法： 码相关法：(1)方法:将所接收到的调制信号(卫星信号)与接收机产生的复制码相乘 (2)特点:局限制 需了解码的结构 优点 可获得导航电文,可获得全波长的载波,信号质量好 平方法 :(1)方法

9、:将所接收到的调制信号(卫星信号)自乘 (2) 优点 无需了解码的结构 缺点 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,5.3 载波相位测量(3),5.3.1 载波相位测量原理 5.3.2 载波相位测量的观测方程 5.3.3 整周未知数N0的确定,5.3.1 载波相位测量原理,k 接收机在接收机钟面时刻tk 时观测j 卫星所取得的相位观测量,k 接收机在接收机钟面时刻tk 时所产生的本地参考信号的相位值,k 接收机在接收机钟面时刻tk 时所接收到的j 卫星载波信号的相位值,1.载波相位测量的观测量 GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振 参考信号的相位差。,2.,初始

10、t0时刻，小于一周的相位差为0，其整周数为 ，则此时的相位观测值为：,3.,任一时刻ti卫星Sj 到k接收机的相位差：,整周数变化量,整周模糊度（常数）,三差法,5.3.2 载波相位测量的观测方程(1),1. 载波相位测量是接收机（天线）和卫星位置的函数。只有得到了它们之间的函数关系，才能从观测量中求解接收机（或卫星）的位置。 2.1) 设在GPS标准时刻Ta（卫星钟时刻ta）卫星Sj发射的载波信号相位为（ta），经传播延迟后，在GPS标准时刻Tb（接收机钟时刻tb）到达接收机。 2) 根据电磁波传播原理， Tb时接收到的和Ta时发射时的 相位不变，即j（Tb） = j（ta） 3) 在Tb

11、时，载波相位观测量为： = （tb）- j（Tb） = （tb）- j（ta）,5.3.2 载波相位测量的观测方程(2),4)考虑卫星钟差和接收机钟差，有Ta =ta+ta , Tb =tb+tb , 则： = （Tb - tb）- j（ Ta - ta ） (1) 5) 载波信号的相位与频率的关系为: （t +t）= （t）+f t （2） 6) 将(2)代入(1)得 = （Tb ）-fi tb- j（Ta ）+ f j ta （3） fi =f j =f 7)Tb =Ta + ，由公式（2），得： Nkj+（Tb）= j（Ta）+f 8) 公式（3）可改写为： = j（Ta）+f -f t

12、b- j（Ta ）+ f ta- Nkj = f -f tb+ f ta- Nkj （4）,5.3.2 载波相位测量的观测方程(3),3.传播延迟中考虑电离层和对流层的影响1和2 ，则： 代入公式（4），得：,5.3.2 载波相位测量的观测方程(3),f：接收机产生的固定参考频率 c: 光速 ：卫星至接收机之间的距离（未知数）,1：电离层影响 2：对流层影响 ta ：卫星钟差 tb ：接收机钟差（未知数）,4.1)接收机 k 对卫星 j 的载波相位测量的观测方程：,5.3.2 载波相位测量的观测方程(4),由于=c/f，则上式为：,两边同乘,得:,2)伪距测量与载波相位测量的观测方程的联系,5

13、.3.3 整周未知数N0的确定,静态方法 动态方法,5.3.3.1静态方法,伪距法 经典方法 多普勒法 快速测定整周未知数法(FARA) Fast ambiguity resolution approach,一 伪距法,2.将载波相位测量的观测值(化为以距离为单位)减去伪距实际观测值后即可得到No。 3.由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的No取平均值后才能获得正确的整波段数。,所以，得,5.3.3.1静态方法,1.,二 经典方法,将整周未知数当做平差中的待定参数,一) 整数解 二) 实数解,5.3.3.1静态方法,二 经典方法整数解,1. 短基线定位时一般采用这种方法。 2 具体步骤： 1

14、)首先根据卫星位置和修复了周跳后的相位观测值进行平差计算，求得基线向量和整周未知数。 2)解得的整周未知数是一个实数，将其固定为整数(四舍五入法)，并重新进行平差计算。 3)在计算中整周未知数采用整周值并视为已知数，以求得基线向量的最后值。,5.3.3.1静态方法,二 经典方法实数解,1.基线较长时采用这种方法。 2.具体步骤类似整数解方法，区别在于解得的整周未知数是一个实数。 注:采用经典方法时，需要较长的观测时间，影响了作业效率，所以只有在高精度定位领域中才应用,5.3.3.1静态方法,三 多普勒法（三差法）,1.由于连续跟踪的所有载波相位观测值中均含有相同的整周未知数N0，所以将相邻两个

15、观测历元的载波相位相减，就可消去N0，从而解出坐标。然后再根据坐标值求解N0 。,5.3.3.1静态方法,2. 1)tm时刻卫星Sj到k接收机的相位差：,(1),2) tn时刻卫星Sj到k接收机的相位差：,(2),公式（1）-（2），即可消除N0,3.两个历元间的载波相位观测值之差受接收机钟及卫星钟的随机误差影响， 所以精度不太好，往往用来求整周数的初始值。,1. 1990年EFrei和GBeutler提出 2. 基本思路： 1)利用初始平差的解向量及其精度信息，以参数估计和统计假设检验为基础，确定在某一置信区间内N0的可能的整数解的组合； 2)依次将N0的每一组合作为已知值，重复进行平差计算

16、。使估值的验后平差或方差和为最小的一组N0 ，即为最佳估值。 3)利用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只须观测一分钟即可确定整周未知数 此方法已在快速静态定位中得到了广泛应用,四 快速确定整周未知数法(FARA) Fast ambiguity resolution approach,补充 静态法的不足,使用静态方法时，一旦对所测卫星失锁，则接收机载体必须停下来，重新确定整周未知数，严重限制了载波相位观测法在高精度动态定位中的有效应用。,5.3.3.2动态初始化法AROF Ambiguity resolution on the fly,1993年徕卡公司开发成功 基本思想： 根据接收机在运动过程中