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1、GPS原理及其应用 (八),第四章 距离测量与GPS定位,4.1 利用测距码测定卫地距,4.1 利用测距码测定卫地距,GPS定位的基本原理,需解决的两个关键问题 如何确定卫星的位置 如何测量出站星距离,？,测距方法,双程测距 用于电磁波测距仪 单程测距 用于GPS,距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距方法,测距码,C/A码（测距时有模糊度）,P码,距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距码,测距码测距原理,距离测定的基本思路 信号（测距码）传播时间的测定,信号传播时间的测定,距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距码测距原理,测距码测距原理,利用测距码测距的必要条件
2、 必须了解测距码的结构 利用测距码进行测距的优点 采用的是CDMA（码分多址）技术 易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度 便于对系统进行控制和管理（如AS）,每颗GPS卫星都采用特定的 伪随机噪声码,微弱信号的捕获,距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距码测距原理,Z跟踪技术,AS P码+W码Y码 W码的码元宽度比Y码大几十倍 Z跟踪技术 原理 将相关间隔（积分间隔）限定在一个W码码元内,距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 Z跟踪技术,伪距测量的特点,优点 无模糊度 缺点 精度低,距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 伪距测量的特点,GPS测量的基本观测方程,距离测量
3、与GPS定位 利用测距码测定卫地距 GPS测量的基本观测方程,测距码测距的观测方程,距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距码测距的观测方程,站星真实距离是用坐标反算的距离,伪距测量的误差方程,距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距码测距的误差方程,Essence of absolute positioning(绝对定位的实质),Absolute positioning is a kind of spatial distance backward intersection (空间距离后方交会）. At least 4 range observables are needed
4、in order to estimate 4 parameters.(至少观测四颗卫星) Currently, absolute positioning accuracy is about 10-40 m using broadcast ephemeris due to orbital error, clock error and atmospheric errors. （精度10-40 m ） Question : What is the difference between absolute positioning and traditional distance intersection
5、 on the ground ？,In the case of multiple epochs of observation (or more than 4 satellites) Least Squares Adjustment problem!) The number of unknowns: 3 coordinates + n receiver clock error terms, each corresponding to a separate epoch of observation (1 to n)。 Error equation in form of matrix： A: des
6、ign matrix L: observation vector P: weight matrix Y: vector of unknowns The estimated unknowns: Covariance (协方差阵)：,Estimated unknowns: If P is a unit weight matrix, then covariance matrix is: Cofactor matrix (协因数阵),Dilution of Precision (精度因子) DOP）,Unit weight standard deviation,According to error p
7、ropagation law, cofactor matrix in form of geodetic coordinates is,HDOP-Horizontal DOP (平面位置精度因子）：dilution of precision VDOP-Vertical DOP (高程精度因子）： PDOP-Position DOP (空间位置精度因子）：,TDOP-Time DOP (接收机钟差精度因子)： GDOP-Geometric DOP (几何精度因子 )：,Geometric strength of Constellation (星座),The relationship between
8、 geometric strength and GDOP,Good GDOP,Distribution of Satellites and Geometric Strength,Absolute positioning error is proportional to DOP) Absolute positioning error is inversely proportional to the volume PDOP is interpreted as the reciprocal value（倒数） of the volume of pyramid（棱锥） that is formed f
9、rom the satellite and user positions,Bad GDOP,Good GDOP,Geometric Strength of Constellation,Computation of the azimuth and elevation of a satellite: According to broadcast ephemeris. Computation of DOP: According to satellite coordinates and the approximate coordinates of a station,Prediction of sat
10、ellite visibility and DOP,Satellite visibility,卫星可见性预报,Sky plot (卫星天空图）,PDOP预报,GDOP预报,HDOP预报,VDOP预报,TDOP,TDOP预报,全部精度因子预报,全部精度因子预报,4.2 载波相位测量,载波相位测量,距离测量与GPS定位 载波相位测量,载波相位测量的关键技术重建载波,重建载波 将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。,载波调制了电文之后 变成了非连续的波,伪距测量与载波相位测量,距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波,载波相位测量的关键技术重建载波,码相关法 方法 将所接
11、收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。 技术要点 卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。 特点 限制：需要了解码的结构。 优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）,码相关法,距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波,载波相位测量的关键技术重建载波,平方法 方法 将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。 技术要点 卫星信号（弱）自乘。 特点 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（信噪比低，降低了30dB）,平方法,距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波,
12、载波相位测量的关键技术重建载波,互相关（交叉相关） 方法 在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差 技术要点 不同频率的卫星信号（弱）进行相关。 特点 优点：无需了Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）,距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波,载波相位测量的关键技术重建载波,Z跟踪 方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相关处理。 在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进行相关。 特点 优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，可获得导航电文
13、，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了14dB）,距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波,载波测距,距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波测距,GPS载波相位测量的基本原理,距离测量与GPS定位 载波相位测量 GPS载波相位测量的基本原理,理想情况,实际情况,载波相位观测值,观测值 整周计数 整周未知数（整周模糊度）,载波相位观测值,距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位观测值,载波相位测量的特点,优点 精度高，测距精度可达0.1mm量级 难点 整周未知数问题 整周跳变问题,距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的特点,载波相位测量的观测方程,原始形式：,线性化后：,距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的观测方程,If nj satellites are tracked simultaneously, then we get nj equations : The number of unknowns is 4+nj It is impossible using single epoch data to compute coordinates and ambiguities if nj4 , minimum of 2 epochs is required to estimate unknowns.,
