第四章GPS卫星定位基本原理

池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理主要内容4.1GPS定位方法与基本观测量4.2GPS定位的基本观测方程4.3整周跳变的修复4.4GPS绝对定位与相对定位4.5美国的GPS政策4.6差分GPS定位原理池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理GPS定位实质：空间距离后方交会池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理4.1GPS定位的方法与基本观测量4.1.1定位方法的分类按参考点的不同位置划分为：绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。这时可认为参考点与地球质心重合。相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理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。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。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内（例如数天或数星期）可以忽略。动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。所测得的是个观测时刻运动中的接收机的点位。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理第四章GPS卫星定位基本原理GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHz的控制下产生，GPS卫星信号示意图如下：4.1.2GPS定位基本观测量池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理原始观测量伪距观测值载波相位观测值C/A码，码元宽293M，精度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池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理GPS卫星信号中含有多种定位信息，根据不同的要求可以从中获得不同的观测量，目前广泛采用的基本观测量主要有两种，即码相位观测量和载波相位观测量。利用GPS定位，无论取何种方法都是通过观测GPS卫星而获得的某种观测量来实现的。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理根据码相位观测得出的伪距码相位观测是测量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。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理载波相位观测是测量接收机接收到的、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。根据载波相位观测得出的伪距池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理通过码相位观测或载波相位观测所确定的站星距离都不可避免地含有卫星钟与接收机钟非同步误差的影响以及电离层、对流层延迟误差的影响，这种含有误差影响的距离通常称为伪距。由码相位观测所确定的伪距简称测码伪距；由载波相位观测所确定的伪距简称为测相伪距。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理4.2GPS定位的基本观测方程4.2.1伪距测量的基本观测方程码相位伪距观测值是由卫星发射的测距码到接收机天线的传播时间（时间延迟）乘以光速所得出的距离。由于卫星钟和接收机钟的误差及无线电信号经过电离层和对流层的延迟，实际测得的距离与卫星到接收机天线的真正距离有误差，因此一般称测得的距离为伪距。因此，在建立伪距观测方程时，需考虑卫星钟差、接收机钟差及大气折射的影响。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理时间延迟实际为信号的接收时刻与发射时刻之差，即使不考虑大气折射延迟，为得出卫星至测站间的正确距离，要求接收机钟与卫星钟严格同步，且保持频标稳定。实际上，这是难以做到的，在任一时刻，无论是接收机钟还是卫星钟，相对于GPS时间系统下的标准时（以下简称GPS标准时）都存在着GPS钟差，即钟面时与GPS标准时之差。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理(4.2.1)111pppTtt设接收机p1在某一历元接收到卫星信号的钟面时为tp1，与此相应的标准时为Tp1，则接收机钟钟差为若该历元第i颗卫星信号发射的钟面时为ti，相应的GPS标准时为Ti，则卫星钟钟差为)2.2.4(iiiTtt池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理若忽略大气折射的影响，并将卫星信号的发射时刻和接收时刻均化算到GPS标准时，则在该历元卫星i到测站p1的几何传播距离可表示为)3.2.4()(111ipipipcTTc式（4.2.3）中的τ为相应的时间延迟。顾及到对流层和电离层引起的附加信号延迟Δτtrop和Δτion，则正确的卫地距为)4.2.4()(11iontropipipc池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理由式（4.2.1）、（4.2.2）和式（4.2.3）可得)5.2.4()()(111iontropipipipttcttc式（4.2.5）中左端的卫地距中含有测站p1的位置信息，右端的第一项实际上为伪距观测值，因此可将伪距观测值表示为)6.2.4(~111iontropipipiptctc式（4.2.6）中,δρtrop和δρion分别为对流层和电离层的折射改正。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理设测站p1的近似坐标为（X0p1Y0p1Z0p1）,其改正数为(δXp1δYp1δZp1)，利用近似坐标将式（4.2.6）线性化可得伪距观测方程)7.2.4(0)sin~(1110,1110,10110,10110,101ippiontropiipipppipippipippipiphtctcZZZYYYXXX式（4.2.7）中,（Xi,Yi,Zi）为卫星i的瞬时坐标。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理)8.2.4()()()(2012012010,1pipipiipZZYYXX为由测站近似坐标和卫星坐标计算得的伪距；h为天线高，θ为测站p1到卫星i的高度角，h•sinθ为将卫星到天线相位中心的距离改正到至测站标石中心距离的改正项。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理载波相位测量是测量接收机接收到的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，通过相位差来求解接收机位置。载波相位观测是目前最精确的观测方法。4.2.2载波相位测量的基本观测方程池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理以GPS标准时为准，卫星i在历元Ti发射的载波信号相位为φi(Ti)，而测站p1的接收机在历元Tp1的参考载波信号相位为φp1(Tp1)，则相位差为)9.2.4()()()(111iippipTTT对于一个稳定性良好的振荡器来说，相位与频率之间有关系)10.2.4()()(tfttt池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理上式中，f为信号频率，Δt为一微小时间间隔。则有ipiippTTfTT111于是由式（4.2.9）可得11.2.411111ipipiippipfTTfTTT式（4.2.11）中的τ是在卫星钟和接收机钟同步的情况下，卫星信号的传播时间。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理由于卫星信号的发射历元是未知的，因此需要根据已知的观测历元tp1（顾及对流层和电离层延迟改正）按下式计算信号的传播时间：)12.2.4()(11)11(111111iontroppipipipipctccc其中ρ为卫星与测站间的几何距离，ρ(dot)为卫地距变率。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理由于卫星钟和接收机钟都不可避免地含有钟差的影响，在处理多测站多历元对不同卫星的同步观测结果时，必须统一时间标准。由式（4.2.1）、（4.2.2）、（4.2.10）及相位差的定义，可得卫星i在历元ti发射的载波信号相位φi(ti)，与测站p1的在接收历元tp1的参考载波信号相位φp1(tp1)之间的相位差为)13.2.4()()()(1111ipippipttfTt池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理考虑到式（4.2.11）有)14.2.4()()(1111ipippipttfft将式(4.2.12)代入式(4.2.14)得以观测历元为基础的载波相位差)15.2.4()()11()11()(111111iontropipipipippipcftftcfccft池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理因为通过测量接收机振荡器所产生的参考载波信号与接收到的卫星载波信号之间的相位差，只能测定其不足一整周的小数部分。若假设δφip1(t0)、Nip1(t0)为起始历元t0时相位差的小数部分及整周数，则起始历元t0时的总相位差为)16.2.4()()()(010101tNttipipip池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理当卫星于历元t0被锁定以后，载波相位变化的整周数便被自动计数，所以对其后任一历元tp1的总相位差为)17.2.4()()()()(010111111tNttNttippippippip式(4.2.17)右端的第二项由接收机自动连续计数确定，为已知量。第四章GPS卫星定位基本原理记)18.2.4()()()(0111111ttNttpippippip则式（4.2.17）可改写成)19.2.4()()()(011111tNttippippipφip1(tp1)实际上是在观测历元tp1接收机p1对卫星i的载波相位观测值。将式（4.2.15）代入式（4.2.19）即得载波相位的观测方程为)20.2.4()()()11()11()(01111111iontropipipipipippipcftNtftcfccft池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理上式中，Nip1(t0)称为整周未知数或整周模糊度。对于GPS载波频率而言，一个整周的误差将引起19cm（L1载波）～24cm（L2载波）的误差。在式(4.2.20)中，考虑λ=c/f，则可得测相伪距的观测方程为)21.2.4()()11()11()(01111111iontropipipipipippiptNtctccct池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理周跳:在观测过程中，如果卫星信号被阻挡或受到干扰，则接收机对卫星的跟踪便可能中断（失锁），而当卫星被重新锁定后，载波相位的小数部分是连续正确的，而这时整周数却不正确，这种现象称为周跳。因此如何准确地确定整周模糊度及对周跳进行探测和修复，便成为利用载波相位观测值进行精密定位的关键问题。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理4.2.3载波相位差分观测方程载波相位测量的基本方程中包含了两种不同类型的未知参数：一种是必要参数[如测站坐标(X，Y，Z)等]；另一种是多余参数[例如观测瞬间接收机钟的钟差，观测瞬间信号的电离层延迟等]。必要参数和多余参数是相对的。池州学院资源环境与旅游系第四章GPS卫星定位基本原理引入多余参数的目的是为了精化模型，以便求得精确的必要参数。然而多余参数的数目往往是十分惊人的。以接收机钟的信号为例，设