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1、Chapter 4 GPS定位的基本观测量及误差分析1 GPS定位的基本观测量2 GPS测量的误差来源和影响3 GPS接收机使用距离测定基本原理XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离 = 传播时间 x 波速点 位 测 定S1S2S33 个球面相交成一个点3 个距离可以确定纬度、经度、高程因此，点 的 空 间 位 置 被 确 定一、GPS定位基本原理:= c.t接收机坐标 （Xk、Yk、Zk） （Receiver coordinates） 卫星坐标（Xj、Yj、Zj）（satellite coordinates）二、GPS卫星工作原理How Does GPS Work?Sele
2、ct and acquire the best group of satellites1Measure ranges to the satellites23Add known data to range measurementse.g.tropospheric,ionospheric, ephemerisNAVDATA, RTCM, etc.4Calculate your position三、GPS定位的基本观测值码相位观测伪距载波相位观测伪距卫星ri 是已知值Pij 是测量值R j 是未知值对于某颗卫星：4-1 GPS定位的基本观测量码相位观测伪距载波相位观测值C/A码：码元宽293m，精度
3、2.9mP码：码元宽29 . 3m，精度0. 29mL1载波：波长19cm，精度0. 19cmL2载波：波长24cm，精度0. 24cm原始观测量载波相位观测值优点：观测值精度高，用于精密定位存在问题整周不确定（模糊度解算）整周跳变现象GPS定位的基本观测值：码相位观测伪距载波相位观测伪距卫星一、码相位伪距测量 将伪码发生器产生的与卫星信号结构完全相同的码经过延时器延时同本机复制码进行相关处理，得到卫星信号延迟传播时间t，从而获得伪距：=c.t 。v 受钟差（卫星钟、接收机钟）、大气延迟（电离层、对流层）等影响。 1、基本信息：基准信号：F =10.23MHZ C/A码： f1 = 0.1F=
4、1.023MHZ，码元宽=293.1mP码： f2= F=10.23MHZ ，码元宽=29.3m2、测量原理： =c.t3、测量精度（取码元宽1%10%） C/A码：2.9329.3m P码：0.292.93m 测距码距离测定的基本思路利用测距码测距的必要条件：必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点：l 采用的是CDMA（码分多址）技术l 易于捕获微弱的卫星信号l 可提高测距精度l 便于对系统进行控制和管理（如AS）二、载波相位测量载 波：GPS的载波是L波段的微波，具有良好的穿透大气的能力，从卫星的发射天线发出后沿直线传播到达地球表面，发射信号强度为26.8dBw，接收最低信号强度为-
5、160dBw。常规GPS接收机可以进行正常接收的最弱信号为-160dBw，而经过稠密介质时信号强度大为衰减，例如在室内，GPS信号强度会衰减为-188dBw（比-160dBw约弱1000倍），因而常规GPS接收机在室内因信号太弱而不能进行定位，在这种弱信号环境下，特殊的GPS接收机仍然可以工作，例如：Indoor GPS。载波的作用：作为传输工具，把搭载于其上的测距码和导航电文从卫星传播到地面，对于测量型接收机，载波又同时用作为测量信号，接收机对接收到的载波进行相位测量，获得高精度的载波相位观测值，从而实现厘米乃至毫米级的高精度基线测量。1、载波相位测量基础（1）基本信息：基准信号：F =10
6、.23MHZ L1载波： f1 = 154F=1575.42MHZ， 1=19.03cmL2载波： f2= 120F=1227.60MHZ ， 2=24.42cm（2）测量原理： =.整周不确定（模糊度）Ambiguity载波相位观测值：小数部分精确可知整周（整数）不知t i 时刻的相位差：整周不确定（模糊度）Ambiguity载波相位观测值：小数部分精确可知整周（整数）不知t k时刻的相位差：周跳问题： 在跟踪卫星过程中，由于信号被障碍物挡住而暂时中断或受无线电信号干扰而造成信号失锁，发生周跳现象。（3）测量精度： （取波长1%）L1载波：1.9mm L2载波：2.4mm（4）要解决的问题：
7、v 载波重建技术v 整周未知数解算v 周跳判断、修复2、重建载波技术重建载波：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（1）码相关法1）基本原理： 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。卫星信号的生成接收机重建载波 2）特点：l 需要了解码的结构l 可获得导航电文l 可获得全波长的载波l 信号质量好（信噪比高）（2）载波平方法1）基本原理：将接收的卫星信号（弱）通过自乘，去掉调制码，获得载波信号以进行载波相位测量。2）特点： 不需要获取伪随机码结构，就能获得载波信号，也可以进行双频观测。必须用其他方法获得卫星星历，并
8、进行作业时间对比，使接收机相互同步。 没有进行码相关处理，信噪比较低。（3）载波互相关法1）基本原理：在L1信号通道中引进时延，使L1和L2信号进行互相关处理，在L1和L2信号之间达到最大相关时，记录时延值以求得观测值。2）特点： 不需要获取伪随机码结构，就能获得载波相位观测值。 可以得到L1和L2信号的伪距差。 延时后L1和L2信号相关，信噪比要比平方法略高一些。（4）码相关平方法1）基本原理：在已有P码的基础上，将L2信号上的Y码信号和机内生成的P码相关，使频带变窄，然后再通过平方求解。2）特点： 当美国执行AS技术时，可以通过已知P码结构，获得P码伪距。 增益比平方法、互相关法要高，信噪
9、比仍然比码相关法要低。（5）z 跟踪技术法1）基本原理：将机内产生的伪随机P码分别与L1、 L2信号进行相关处理，获得载波频率变低、频带宽度变窄且带有保密码的信号，然后将通过低通滤波的信号进行处理，利用保密码的估值来达到削弱保密码影响的目的。2）特点： 采用P码相关技术，信噪比较高，高于码相关法。 可以获得P1、P2码伪距值。 可以获得全波长的L1、 L2载波相位观测值。三、GPS观测值形式1、C/A码伪距（L1）2、P码伪距（L1、L2）3、载波相位（L1、L2）4、多普勒频移（L1、L2）多普勒频移：由于卫星和接收机之间的相对运动，接收到的载波频率发生变化。多普勒频移反映了卫星和接收机的相
10、对运动速度，卫星的速度是已知的，再利用多普勒频移观测值可以求得接收机的瞬时运动速度。-RINEX格式（统一格式）：Receiver Independent Exchange Format 4-2 GPS测量的误差来源和影响与GPS卫星有关的误差与信号传播有关的误差观测误差和接收设备误差GPS观测误差来源卫星钟差卫星轨道误差相对论效应电离层对流层多路经效应测站点选择和安置（相位中心）GPS接收机钟差载波相位整周未知数误差来源对距离测量影响（m）卫星部分星历误差、钟误差、相对论效应1.515信号传播电离层、对流层、多路径效应1.515信号接收钟的误差、位置误差、天线相位中心变化1.55其它影响地球
11、潮汐、负荷潮1.0GPS绝对定位中的误差GPS相对定位中的误差一、与GPS卫星有关的误差1、卫星钟差：卫星时钟频率不稳定 偏差、漂移和漂移速率：总量可达1 ms 钟差为1 ms-等效距离为300 km通过钟差改正后可达到： 偏差20 ns （nano，10-9） -等效距离为6m卫星钟残差部分通过观测值差分技术来消除2、卫星星历误差：卫星位置误差（卫星轨道误差）v 广播星历： 短基线相对定位，对距离不太远的两个测站定位影响大致相同（同步观测求差）。v 精密星历： 长基线、高精度定位，通过在：wuhn(武汉)、bjfs(北京)、shao(上海)、xian(西安)、lhas(拉萨2)、kumn(昆
12、明)、urum(乌鲁木齐2)、chan（长春）、xinzu（新竹2）、twtf（桃园）基准站跟踪监测解算精密星历，或通过有偿服务提供，或通过相关网站下载事后精密星历。3、地球自转影响： 采用WGS-84协议地球坐标系 旋转角度影响：= n.t n-地球自转的速度 t-地球自转引起的时间延迟 引起的卫星位置变化：对高精度定位需要考虑影响4、相对论效应影响：（1）相对论: 由于卫星钟和接收机钟所处的状态不同而引起卫星钟和接收机钟之间产生相对误差的现象。 （2）相对论效应影响：狭义相对论：处在不同运动速度的载体上（在卫星上时钟变慢），产生频率偏移广义相对论：处在不同等位面（引力位不同），产生引力偏移
13、总偏移：结论：卫星钟比地面钟快，差值为0.45 ns /s（nano，10-9）（3）相对论残差： 受地球运动、卫星轨道高度变化、地球重力场变化影响，卫星钟偏差也有微小变化。电离层 70km以上平流层对流层地球自然体对于高精度定位，结论：相对论残差对卫星钟影响可达0.01ns/s（nano，10-9）二、与信号传播有关的误差1、大气结构：（1）对流层 040km（2）平流层 4070km（3）电离层 7010万km地球大气结构2、电离层折射的影响 电离层含有较高密度的电子，当GPS信号通过电离层时，信号的路径会发生弯曲，传播速度也会发生变化。 结论： 电离层折射率变化与大气中的电子密度、电磁波频率有关 大气中的相折射率和群折射率是不同的 GPS载波为单一频率，伪随机码为多种频率（波）的叠加（1）群速度（多种频率）与相速度（单一频率）的关系电磁场理论（折射率）：推导得
