李玉柏卫星导航与定位005-GPS定位算法(第五版).

卫星导航与定位第五讲：GPS卫星导航定位技术——无线电定位技术概述——卫星导航定位观测量卫星导航与定位第五章：GPS卫星导航定位技术§5.1无线电定位技术基础§5.2GPS定位观测量与定位分类§5.3绝对定位的基本方程与求解•定位解算基本方法•用户位置与速度计算§5.4基于载波相位测量的定位解算§5.5跳周的探测与修复§5.6整周模糊度的确定卫星导航与定位1、无线电导航定位基本原理•确定点在某一坐标系中的位置•相关的英语单词–Positioning–Location–Orientation–Navigation–Guidance–Tracking卫星导航与定位1）多边定位（三边定位技术）基本原理•设已知A、B、C三个确定位置的传感器，坐标分别为(xa,ya,za)、(xb,yb,zb)、(xc,yc,zc)，以及它们到目标D的距离分别为da/db/dc，假设目标D的坐标为(x,y,z)，则存在公式：222222222()()()()()()()()()aaaabbbbccccxxyyzzdxxyyzzdxxyyzzd(,,)THXDXxyz卫星导航与定位多边定位（三边定位技术）基本原理•如果n个传感器到目标D的导航信号时延为：t1、…、tn。•假设目标D的坐标为(x,y,z)，则存在公式：2222211111222222222222222()()()()()()()()()()()()nnnnnxxyyzzrCtxxyyzzrCtxxyyzzrCt•上面表达式两两相减得到线性方程组。卫星导航与定位多边定位（三边定位技术）基本原理12121222222222121212121112222222211112()2()2()()()2()2()2()()()nnnnnnnnnnnnnnxxxyyyzzzxxyyzzCtCtxxxyyyzzzxxyyzzCtCtHXR•上面表达式两两相减得到线性方程组。卫星导航与定位2）双曲线定位基本原理•利用导航信号达到时间差TDOA进行定位，就称双曲线定位。•达到时间差是传感器与目标之间的实际距离差，决定了目标在以两个传感器为焦点，且距离差恒为Δd的双曲线上。卫星导航与定位双曲线定位基本原理•多个传感器的TDOA可以计算目标位置：222222222111212122222211111()()()()()()()()()()()()nnnnnxxyyzzxxyyzzrrCtxxyyzzxxyyzzrrCtHXCt卫星导航与定位3）三角定位基本原理•多个传感器观测信号是方位角βi：211122122112121212tantantantantantan()tantantantanttyyxxxyyxxy传感器1(x1,y1)传感器2(x2,y2)xy辐射目标(xt,yt)NNβ1β2卫星导航与定位三角定位基本原理•多个传感器观测信号是方位角βi和俯仰角i：卫星导航与定位三角定位基本原理•多个传感器观测信号是方位角βi和俯仰角i：1111111111tantantansintansintantantansintansinnnnnnnnnnnxyxyyzyzxyxyyzyz卫星导航与定位4）多普勒频率定位基本原理•多普勒频率差定位是利用多次侦收运动平台上的导航信号的频率差来确定目标位置的一种定位技术。00222()()()()()()iiiiiiiiiiiiitttdtxyztttttttttvrffcrvxxvyyvzzfcxxyyzz卫星导航与定位卫星导航•卫星导航定位技术采用是多边定位技术–假设接收机根据当前接收的导航信号，能精确推算空中多颗GPS卫星位置，以及导航信号对应的发射时间，从而推算该信号的传输时间（推算出到用户的距离）；只要保证能够接收三颗以上的卫星导航信息，那么在三维空间中，就可以联立方程组解出用户位置。X1,Y1,Z10yzxX2,Y2,Z2X3,Y3,Z3Xu,Yu,Zu卫星导航与定位卫星导航•卫星导航的基础是如何知道卫星的位置？–坐标系统和时间系统是描述卫星运动、处理观测数据和表达观测站位置的数学与物理基础。–天体运动理论和卫星运动理论可以建立卫星运动轨迹计算。–绝对定位方程可以完成用户位置计算。卫星导航与定位2、GPS卫星导航定位观测量与定位方法2.1GPS的基本观测量码相位伪距：C/A码伪距、P码伪距；载波相位伪距或载波相位观测值：L1、L2和L5载波相位观测值。以上两类观测值是GPS定位中最经济、理想的观测量，被广泛采用。积分多普勒伪距差，即L1/L2多普勒频移；干涉法测量得到的时间延迟。上述两类观测对GPS设备要求较高。卫星导航与定位2.2GPS基本观测量的观测精度1）测距码伪距精度：–测距码伪距测量原理：接收机在接收卫星传送来的测距码时，本地产生完全相同的PRN码，通过延时器使码对齐并确定测距码在空间传播的时间，进而可确定伪距。–C/A码、P码的码元宽分别为：0.98μs和0.098μs，等效距离分别为293m和29.3m，现代技术进行码对齐的误差为码元宽度的1/10，因而两种测距码伪距的观测误差最大分别为29m和2.9m。卫星导航与定位GPS基本观测量的观测精度2）载波相位测量精度：–与测距码比，可将载波视作码元宽度（波长）更小的测距码，因载波L1、L2波长分别为19.03cm和24.42cm，对齐误差仍为码元宽度的1/10，则最大观测误差分别为2.0mm和2.5mm。–载波相位观测值测定的星地伪距精度要比用测码伪距法高。卫星导航与定位2.3GPS卫星导航定位方法•依定位时接收机天线的运动状态：–静态定位：在定位过程中，接收机天线位置固定或者缓变化的。静止是相对的，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，以致在观测期内可以忽略。–动态定位：定位过程中接收机天线处于运动状态。•依定位模式：–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。–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。卫星导航与定位GPS卫星导航定位方法相对定位的类型•静态定位–普通静态定位–快速静态定位：GoandStop；快速确定整周未知数•动态定位–动态定位中整周未知数的确定•静态初始化；动态初始化（OTF）–实时动态定位（RTK–RealTimeKinematic）•单基准站RTK•多基准站RTK（网络RTK）卫星导航与定位GPS卫星导航定位类型测距码伪距测量定位非北约用户无法获得P码，而CA码定位精度较低，在高精度测量中一般不使用。优点：原理简单、成本低、实时性好。教学中常以单点静态定位为例讲解GPS定位原理相对定位单点绝对定位动态定位静态定位动态定位静态定位卫星导航与定位GPS卫星导航定位类型载波相位伪距测量定位单点绝对定位动态定位静态定位精度仍达不到测绘要求，测量专业一般不使用动态定位相对定位---GPS增强系统（全球或大区域交通、导航等）单站式差分局域差分广域差分---GPSRTK（小区域地形、工测）---网络GPS（城市级交通等）---（用于大规模、高精度全球或全国性GPS大地网测量；用于工程控制网、城市控制网测量）静态定位卫星导航与定位3、绝对定位的基本方程以及求解•绝对定位又称单点定位–独立确定待定点在坐标系中的绝对位置。由于目前GPS系统采用WGS-84系统，因而单点定位的结果也属该坐标系统。–绝对定位的优点是一台接收机即可独立定位，但定位精度一般。–独立单点定位模式在个人、汽车船舶、飞机的导航，地质矿产勘探，暗礁定位，建立浮标，海洋捕鱼及低精度测量领域应用广泛。卫星导航与定位3.1绝对定位的基本方程•绝对定位的基本原理：以GPS卫星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）观测量为基础，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。•假设测量距离是精确的，原则上观测站位于以3颗卫星为球心，相应距离为半径的球与观测站所在平面交线的交点上。在这种情况下，3颗卫星就足够了，如图所示。卫星导航与定位确定用户位置的基本方程222111122222222223333()()()()()()()()()uuuuuuuuuxxyyzzxxyyzzxxyyzz•假设用户位置在协议地球坐标系中的坐标（x,y,z），三颗卫星的位置为。(,,),1,2,3iiixyzi•实际观测的站星距离是通过检查卫星发射时刻和接受时刻之差（TOA）得到的，含有电离层、对流层、噪声、卫星钟和接收机钟同步差等因素的影响（称为伪距）。卫星导航与定位绝对定位的基本方程()()()iiTOAisiuiiiisLocsiTOALociiiiiisiuDcttcTIvwttcttDTIvwtt其中：卫星i导航信号精确发射时刻用户接收的精确时刻精确伪距，伪距为卫星位置误差的影响为对流层延迟误差，为电离层延迟误差为相对论时间修正接收机噪声卫星时钟误差，用户时钟误差卫星导航与定位绝对定位的基本方程•卫星钟差可根据导航电文中给出的有关钟差参数加以修正，其他因素一方面可以利用导航电文的参数进行修正，另一方面也较小。而接收机的钟差一般难以预料，需要将其作为一个未知参数，在数据处理中与观测站坐标一并求解。•一个观测站实时求解4个未知数，至少需要4个同步伪距观测值，即4颗卫星。2221111222222222233332224444()()()()()()()()()()()()SuSuSuuSuSuSuuSuSuSuuSuSuSuuxxyyzzctxxyyzzctxxyyzzctxxyyzzct卫星导航与定位绝对定位的基本方程•卫星导航定位的基本方程是非线性方程组，不易求解，通信线性化实现求解。•首先对方程组求微分得到下列方程组：222222123()()()()()()()()()()()(),,,,,,iSiuSiuSiuuSiuuSiuuSiuuiuSiuSiuSiuSiuuSiuuSiuuuiuTiiiuuuuxxyyzzctxxxyyyzzzctxxyyzzxxxyyyzzzctctcxyzt卫星导航与定位绝对定位的基本方程123,,siusiusiuiiiiuiuiuxxyyzzctctct,,,uuuuxyzt,,,uuuuxyzt•假设为已知，计算。1231112131212223231323334142434iiuiuiuuuuuuxyzctcxcyczctAx卫星导航与定位绝对定位的基本方程•以上方程可以推广到多颗卫星导航定位：1231,2,3,4,,iiuiuiuuxyzctin1112131212223233132334414243123uuuunnnnccxcyzctc144