GPS原理及其应用demo_5

武汉大学测绘学院空间大地测量研究所GPS原理及其应用徐晓华——地理信息系统专业200111301－03——土地资源管理专业200194501－02武汉大学测绘学院空间大地测量研究所§5.1概述•GPS系统利用距离交会的原理进行定位五、GPS卫星定位基本原理武汉大学测绘学院空间大地测量研究所§5.2伪距测量•利用测距码进行测距的原理–基本思路:=·c=t·c–伪距–伪距的测定方法1(')()(')TRatattdtT自相关系数：武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•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–便于对系统进行控制和管理武汉大学测绘学院空间大地测量研究所武汉大学测绘学院空间大地测量研究所–C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上–P（Y）码（PrecisionCode）–精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上–L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cm–L2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•伪距测量的观测方程RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc~)()()]()[()(~)(~故：站星真实距离：则：；设：伪距：武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•伪距测量的误差方程2220220000()()()()()()()()()()SRiiiiiiionitropittiiiiiiiiiixXyYzZiVVcVcVdXdYdZXYZxXyYzZ000000令真实的站星距离：，为卫星则站星距离的观测值：设测站坐标近似值为（X,Y,Z），将在（X,Y,Z）处用泰勒级数展开，保留一阶项，其中：2000000000000000000;;()()()()()()()()()(iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiXXdXYYdYZZdZxXyYzZlmnXYZxXyYzZdXdYdZldXmdYndZldXmdYndZ；；；将＝－＝－＝－代入有伪距测量的观测方程为：00)(),(),()SRSRRionitropittiiiontroptiiiiitiiiitiiiiVVcVcVrVVcVrldXmdYndZcVVldXmdYndZcVLLr经过卫星钟差修正，且电离层和对流层影响经过模型改正的伪距观测值：带入上式得到：则误差方程为：其中＝武汉大学测绘学院空间大地测量研究所§5.3载波相位测量•载波相位测量的特点–优点•精度高,测距精度可达mm甚至亚mm级–难点•整周未知数问题•整周跳变问题武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•关键技术－重建载波–码相关法•特点：需要了解码的结构，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）–平方法•特点：无需了解码的结构，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）–互相关（交叉相关）•方法：获取两个频率间的伪距差和相位差•特点：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）–Z跟踪•特点：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，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）21,/2,1,21,/21()()LLCALYLYLLCALLRRRR武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•载波相位测量的基本原理–利用载波测定卫地距–载波相位观测值的测定利用载波测定卫地距SRSR)()()(()())()()RbSabaabab为卫星发射的载波信号相位；为接收机所复制的载波相位；为信号发送时刻的GPS时；为信号接收时刻的GPS时()RS武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•载波相位观测值–观测值N0Fr0N0Int()iFrit0ti载波相位观测值武汉大学测绘学院空间大地测量研究所0000000():()():()()()()()()()iiiiiiiiFrNFrFrNIntFrIntIntFrNIntFr相位差的测量值为不足一周的小数部分，首次观测的测量值为＝，对应的总相位差为以后的观测,不足一周的测量值，对应的总相位差为其中为载波相位变化的整周数，在测量中自动计数，故载波相位实际观测量为＝通常表示为：–是整周未知数（整周模糊度）–是整周计数0N()Int武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•载波相位测量的观测方程0000000()()()()()()()()(),(SRSiiiiiitionitropitiiiiiionitropitiiiiNxXyYzZdXdYdZNcVcVVVRVVcVRldXmdYndZ原始形式：线性化，载波相位测量的观测方程为：考虑卫星钟差由导航电文修正、电离层与对流层由模型改正，设：带入上式有：00),()()RRitiiiiiitiiiiiionioncVNvldXmdYndZNcVLLRVV误差方程为：其中＝注：上式中的与伪距观测方程中的的绝对值相等，但符号相反武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•整周未知数的确定–伪距法–走走停停法–参数法：将整周未知数当做平差中的特定参数——经典方法•整数解•实数解–多普勒法（三差法）–快速确定整周模糊度方法–其他•新的整周模糊度确定方法的研究涉及了一些基本的数学问题武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•整周未知数的确定方法–伪距法niiLLiLIonogriPLniiLLiLIonogriPLLLLIonogrPLLLLIonogrPLLionogrLionogrLIonogrPLIonogrLLLLLIonogrPLIonogrLLLLVnNVnNVNVNVVVVNVVN12222211111122222111112122222221111111)2(1)2(1)2()2(54573.254573.1；常采用下式计算一般，为保证精度，通；则有：；其中：武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•整周未知数的确定方法（续）–走走停停法（StopandGo）•基本方法•整周未知数初始化的方法–已知基线法–交换天线法武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•整周未知数的确定方法（续）–参数法（搜索法）•基本方法–初始平差，确定基线向量的实数解和整周未知数的实数解–根据初始平差结果，确定整周未知数的整数备选解–从备选解中选出最终的整数解（RMS最小）武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•整周未知数的确定方法（续）–参数法（搜索法）•快速确定整周未知数法（FARA）–由瑞士的E.Frei和G.Beutler提出–精髓：在基本方法基础上增加了进一步的判据–若有双频观测值，也可得出类似的双频检验法武汉大学测绘学院空间大地测量研究所§5.4整周跳变的修复•整周跳变（周跳）–什么是整周跳变（周跳）–产生周跳的原因•信号被遮挡•仪器故障•信号被干扰•接收机在高速动态的环境下进行观测–周跳的特点•只影响整周计数－周跳为波长的整数倍•将影响从周跳发生时刻（历元）之后的所有观测值武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•周跳的探测与修复–GPS测量中站星距离的变化特点–周跳的探测与修复方法•屏幕扫描法•高次差/多项式拟合法–高次差/多项式拟合法–接收机钟差对此方法有效性的影响–克服接收机钟差影响的方法－卫星间求差–残差法残差（周）时间（周）0.00100.002-100.00SV12-SV15。周为载波相位观测值的影响则接收机钟对相邻历元）（对于秒，，接收机采样间隔为设接收机钟的稳定度为)(36.21057542.11510,1057542.1115109109110HzfLL武汉大学测绘学院空间大地测量研究所§5.5GPS绝对定位与相对定位–定位模式•绝对定位（单点定位）•相对定位•差分定位–定位时接收机天线的运动状态•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–获得定位结果的时效•事后定位•实时定位–观测值类型•伪距测量•载波相位测量武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•绝对（单点）定位–定义：仅单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中的绝对位置的方法–定位结果－与所用星历同属一坐标系的绝对坐标•采用广播星历时属WGS-84•采用IGS–InternationalGPSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrames–特点•优点：一台接收机单独定位，作业方法简单•缺点：定位精度低–应用领域•低精度导航•资源普查•军事，等...武汉大学测绘学院空间大地测量研究所•伪距绝对（单点）定位的观测方程RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc~)()()]()[()(~)(~故：站星真实距离：则：；设：伪距：222)()()jjjsssXXYYZZ其中：(武汉大学测绘学院空间大地测量研究所思考题1：如何将GPS到测站的距离表示为线性形式？思考题2：载波相位测量中的关键问题是什么?思考题3：分别写出载波相位测量和伪距测量的观测方程与误差方程.