第五章-距离测量与GPS定位1.

GPS原理及应用第五章距离测量与定位方法GPS原理及应用§0GPS定位的方法与观测量GPS原理及应用一、概述•1、定位原理：–距离交会–原理：通过测定到若干已知点的距离，来进行定位。•2、进行定位的两个条件：–测距信号–导航电文•利用测距信号确定站星距离•利用导航电文确定卫星位置GPS定位的方法与观测量概述GPS原理及应用一、概述•一个站星距离–测站位于以卫星为球心，站星距离为半径的球面上GPS定位的方法与观测量概述GPS原理及应用一、概述•两个站星距离–作两个球面–两个球面相交为圆–测站位于圆圈上GPS定位的方法与观测量概述GPS原理及应用一、概述•三个站星距离–作三个球面–三个球面两两相交于两点–测站位于其中一点GPS定位的方法与观测量概述GPS原理及应用一、概述•GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会–一个站星距离=球面–两个站星距离=圆–三个站星距离=两点–三个站星距离+地球=一点GPS定位的方法与观测量概述GPS原理及应用一、概述GPS定位的方法与观测量概述2121211)()()(ZZYYXXRsss2222222)()()(ZZYYXXRsss2323233)()()(ZZYYXXRsss阈值earthRZYX222GPS原理及应用二、定位方法的分类•1、定位模式分：–绝对定位（单点定位）–相对定位–差分GPS定位•2、按用户接收机在作业中所处状态分：–静态定位－天线相对于地固坐标系静止–动态定位－天线相对于地固坐标系运动GPS定位的方法与观测量定位方法的分类GPS原理及应用二、定位方法的分类•3、按照测距原理分：–测距码伪距法定位–载波相位测量定位•4、按获得定位结果的时效–事后定位–实时定位GPS定位的方法与观测量定位方法的分类GPS原理及应用三、观测量的基本概念•GPS卫星信号含有多种定位信息，根据不同的要求，可以从中获得不同的观测量，其中主要包括：–根据测距码观测得出的伪距–根据载波相位观测得出的伪距–由积分多普勒计数得出的伪距差–由干涉法测量得出的时间延迟•目前广泛采用的基本观测量主要有两种，即测距码观测量和载波相位观测量。GPS定位的方法与观测量观测量的基本概念GPS原理及应用三、观测量的基本概念•所谓测距码观测，即测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码），到达用户接收机天线（观测站）的传播时间，因此这种观测方法，也称为时间延迟测量。只能用于单点绝对定位，如导航型GPS接收机。•载波相位观测，是测量接收机接收到具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。主要的应用是进行相对定位，如测地型GPS接收机。GPS定位的方法与观测量观测量的基本概念GPS原理及应用三、观测量的基本概念•由于载波的波长远小于码的波长，所以在分辨率相同的情况下，载波相位的观测精度远高于码相位的观测精度。•但是载波相位观测的主要问题是，它无法直接测定卫星载波信号在传播路线上相位变化的整周数，因而存在整周不确定性问题。另外，在接收机跟踪GPS信号进行观测的过程中，常常由于多种原因，还可能产生整周跳变现象。这样一来，使得数据处理变得很复杂。GPS定位的方法与观测量观测量的基本概念GPS原理及应用三、观测量的基本概念•高精度GPS基线向量的获取：将两台GPS接收机分别安置在两个不同的点上，同时观测卫星载波信号，利用载波相位差分观测值，消除或削弱多种误差的影响，从而获得高精度GPS基线向量。GPS定位的方法与观测量观测量的基本概念GPS原理及应用三、观测量的基本概念•由于全球定位系统采用单程测距原理，所以，要准确地测定卫星至观测站的距离，就必须使卫星钟与用户接收机钟保持严格同步。但在实践中这是难以实现的。因此，实际上，通过上述码相位观测或载波相位观测所确定的卫星至观测站的距离，都不可避免地会含有卫星钟和接收机钟不同步的误差的影响。为了与上述的几何距离相区别，这种含有误差影响的距离，通常均称为“伪距”，并把它视为GPS定位的基本观测量。GPS定位的方法与观测量观测量的基本概念GPS原理及应用三、观测量的基本概念•伪距：GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟和接收机钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。•测码伪距：由测距码观测所确定的伪距。•测相伪距：由载波相位观测所确定的伪距。GPS定位的方法与观测量观测量的基本概念GPS原理及应用三、观测量的基本概念GPS定位的方法与观测量观测量的基本概念接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiPijPjriRjRj=ri+Pij有关各观测量及已知数据如下：r—为已知的卫地矢量P—为观测量（伪距）R—为未知的测站点位矢量GPS原理及应用三、观测量的基本概念GPS定位的方法与观测量观测量的基本概念•接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的•接收机本身按同一结构复制码信号•将接收机复制的码信号和到达的码信号进行比较，确定传播延迟的时间t•传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C•tttGPS原理及应用§5.1利用测距码测定卫地距GPS原理及应用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GPS原理及应用测距方法•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GPS原理及应用测距码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GPS原理及应用信号传播时间测距码测距原理①•距离测定的基本思路•信号（测距码）传播时间的测定dtTutTuTRT)()(1相关系数：ctc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GPS原理及应用测距码测距原理②•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–易于捕获微弱的卫星信号–可提高测距精度–采用的是CDMA（码分多址）技术–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GPS原理及应用伪距测量的特点•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原理及应用GPS测量的基本观测方程距离测量与GPS定位利用测距码测定卫地距GPS测量的基本观测方程SR()tR()tS接收机根据自身的钟在时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtStRtSGPS原理及应用对流层折射延迟改正电离层折射延迟改正接收机钟的改正数卫星钟的改正数信号离开卫星的时刻(由卫星钟测定）信号到达接收机的时刻（由接收机钟测定）RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc~)()()]()[()(~)(~故：站星真实距离：则：；设：伪距：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GPS原理及应用222222000000000000()()()()()()()()()()()()()SRiiiiiiiiiontropttiiiiiiiiiiiiiiixXyYzZixXyYzZVVcVcVxXyYzZxXyYzdXdYdZdXdY令真实的站星距离：，为卫星则站星距离的观测值：将用泰勒级数展开，保留一阶项，有0022200000000000000()()()()()()()()()()()SiRiiiiiiiiiiiiiiiiiionitropitiiiitiZdZxXyYzZXXdXYYdYZZdZxXyYzZlmnLcVVVVldXmdYndZcVL其中：；；；令：；；则误差方程为：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GPS原理及应用§5.2载波相位测量GPS原理及应用卫星信号的结构载波相位测量概述基准频率10.23MHZC/A码1.023MHZP码10.23MHZL21227.60MHZL11575.42MHZP码10.23MHZ数据码D码50BPS数据码D码50BPS154120÷204600÷10GPS卫星信号示意图GPS原理及应用由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度293m，P码码元宽度29.3m，而L1载波波长为19.03cm，L2载波波长为24.42cm，在分辨率相同的情况下，L1载波的观测误差约为2.0mm，L2载波的观测误差约为2.5mm。而C/A码观测精度为2.9m，P码为0.29m。载波相位观测是目前最精确的观测方法。载波相位测量概述GPS原理及应用载波相位测量的特点•优点–精度高，0.1毫米级精度•难点–载波重建–整周未知数问题–整周跳变问题载波相位测量概述GPS原理及应用•重建载波：–在GPS信号中，由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波的相位已不再连续，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卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载波。载波相位测量概述GPS原理及应用载波相位测量的关键技术－重建载波①•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GPS原理及应用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SRSR)SR()tR()tS接收机根据自身的钟在时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtStRtS理想情况实际情况GPS原理及应用若卫星S发出一载波信号，该信号向各处传播。设某一瞬间，该信号在接收机R处的相位为R，在卫星S处的相位为S。R和S为从某一起始点开始计算的包括整周数在内的载波相位，为方便计，均以周数为单位。若载波的波长为，则卫星S至接收机R间的距离：但因无法观测S，因此该方法无法实施。Rsλρ载波相位测量的原理距离测量与GPS定位载波相位测量GPS载波相位测量的基本原理GPS原理及应用载波相位测量的原理•如果接收机的震荡器能产生一个频率与初相和卫星载波信号完全相同的基准信号，问题即可解决，因为任何一个瞬间在接收机处的基准信号的相位等于卫星处载波信号的相位。•因而，（S-R）等于接收机产生的基准信号的相位和接收到的来自卫星的载波信号相位之差：（S-R）=(b)-(a)•因此，根据某一瞬间的载波相位测量值可求出该瞬间从卫星到接收机的距离。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GPS原理及应用载波相位测量的实际观测值跟踪卫星信号后的首次量测值假定：a）接收机跟踪上卫星信号，并在t0时刻进行首次载波相位测量，b）此时接收机所产生的基准信号的相位为0(R)，c）接收到的来自卫星的载波信号的相位为0(S)，d）0(R)和0(S)相位之差是由N0个整周及不足一整周的部分F0r()组成，即0(R)-0(S)=s-R=N0+F0r()GPS原理及应用载波相位观测值•观测值其中：整周计数整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值000()()()()()iiiFrIntFrNIntFr以后的