GPS定位基本原理

第四章GPS定位基本原理概述GPS定位的基本原理和过程概论中已经简述GPS定位依据的是空间几何三点定位原理。为了消除时差引入的误差，GPS系统技术上采取四星定位。定位除依据星座的几何构图外，还必须有准确的定时。GPS卫星导航系统的定位精度取决于卫星和用户间的几何结构、卫星星历精度、GPS系统时同步精度、测距精度和机内噪声等诸因素的组合。GPS系统的定位过程可简述为如下步骤：跟踪、选择卫星、接收选定卫星的信号。解读、解算出卫星。测量得到卫星和用户之间的相对位置。解算得到用户的最可信赖位置。“交会法”定位已知一颗卫星的位置和接收器到它的距离，就可以确定接收器在一个球面上。已知两颗卫星的位置和接收器到它们的距离，就可以确定接收器在一个环上。如果知道三颗卫星的位置和接收器到它们的距离，通常可以确定接收器一定位于两点之一。若排除一点接收器的位置就确定了。GPS术语：•卫星（Satellite）----SpaceVehicle(SV)；•接收器（Receiver）----UserEquipment(UE)。三个未知量需要三个方程,,(,,)iiiisvsvsvueueueirixyzixyz：卫星的索引号；：到第颗卫星的距离；：第颗卫星的位置；：用户的位置，三个未知量。112121222222223323232()()()()()()()()()svuesvuesvuesvuesvuesvuesvuesvuesvuerxxyyzzrxxyyzzrxxyyzz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系统的实质（关键），是要得到用户（载体）的高精度的瞬时位置。若根据前面在概论中所描述的几何模型，定位过程就是：首先，根据卫星广播的星历，计算出第i颗卫星的准确位置xi，yi，zi；其次，根据测量的码伪距或相位的伪距，计算出用户与第i颗卫星之间的相对距离；最后，根据导航方法计算出用户的三维位置x，y，z；。''''PositionisBasedonTimeT+3Distancebetweensatelliteandreceiver=“3timesthespeedoflight”TSignalleavessatelliteattime“T”Signalispickedupbythereceiverattime“T+3”PseudoRandomNoiseCodeReceiverPRNSatellitePRNTimeDifferenceDistanceMeasuringRate=186,000milespersecond(SpeedofLight)Time=timeittakessignaltotravelfromtheSVtoGPSreceiverDistance=RatexTimeEachsatellitecarriesaroundfouratomicclocksUsestheoscillationofcesiumandrubidiumatomstomeasuretimeAccuracy?plus/minusasecondovermorethan30,000years!!Thewholesystemrevolvesaroundtime!!!确定时间的必要性至少有两个原因用户需要知道精确的时间：1.用户通过测量卫星信号的延迟来确定与卫星之间的距离。2.卫星、用户以及它们所在的坐标系（固定在地球上）都是运动的。它们的位置都需要时间来确定。假设用户的时钟慢千分之一秒，于是延迟就多了0.001秒，所测量得的距离也就多了三百公里。GPS卫星的速率大约是每秒3.87公里。赤道上一点由于地球自转移动的速率是每秒456米。所以以上千分之一秒的误差将引起大约3870*0.001=3.87米的误差。测距及定位基本方法与分类GPS定位包括确定一个点的三维坐标与实现同步四个未知参数。精确定位必须解决两个问题：确定卫星准确位置；准确测定卫星到地面测点的距离。1．测距方法伪距测量（伪码测距）：测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间。载波相位测量：测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考信号之间的相位差。多普勒测量：由积分多普勒计数得出的伪距。所需观测时间较长，一般数小时，同时观测过程中，要求接收机的震荡器保持高度稳定。干涉测量：由干涉法测量得出的时间延迟。所需设备较昂贵，数据处理复杂。后两种种方法在GPS定位中，尚难以获得广泛应用。目前广泛应用的基本观测量主要有码相位观测量和载波相位观测量。所谓码相位观测是测量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。也称时间延迟测量。上述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，含钟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。2．定位分类按测距方法不同：伪距法定位（速度快）载波相位测量定位（精度高）按接收机运动状态分类：静态定位绝对定位相对定位动态定位绝对定位相对定位绝对定位将接收机安置在固定点上观测数分钟或更长时间，以确定该点三维坐标。在一个待定点上，利用GPS接收机观测4颗以上的GPS卫星，独立确定待定点在地固坐标系的位置（目前为WGPS－84坐标系），称之为绝对定位。绝对定位的优点只需用一台接收机独立定位，观测的组织与实施简便，数据处理简单。主要问题受卫星星历误差和卫星信号在传播过程中的大气延迟误差的影响显著定位精度较低。相对定位：将两台或更多台接收机置于不同点上，通过一段时间的观测确定点间的相对位置关系。在两个或若干个测量站上，设置GPS接收机，同步跟踪观测相同的GPS卫星，测定它们之间的相对位置，称为相对定位。在相对定位中，至少其中一点或几个点的位置是已知的，即其在WGS－84坐标系的坐标为已知，称之为基准点。相对定位是高精度定位的基本方法广泛应用于高精度大地控制网、精密工程测量、地球动力学、地震监测网和导弹和火箭等外弹道测量方面。动态定位至少一台接收机处于运动状态，确定各观测时刻运动中的接收机的绝对或相对位置关系。动态、静态定位的区别过去动态、静态定位的区别动态定位基本上就是指GPS导航，所采用的技术是P码或C/A码的伪码距测量定位。相位测量由于存在整周模糊问题，不能用于动态测量定位。静态定位被测点固定，实时性不高，因而可以采取大量的重复观测，基本上采用载波相位测量定位技术少数对精度要求不高的情况下才使用伪码测量定位方式。近几年情况变化：GPS动态用户越来越多，精度要求也越来越高。C/A码定位精度不能满足广大用户的要求，人们积极研究高精度的动态定位技术。近年来国际上模糊度快速解算技术取得突破性进展，从而使载波相位测量定位技术在动态定位中得到迅速发展和应用。所以动态和静态定位不再能简单的从使用相位或伪码测量技术上区分。近来基本区分方法静态：接收机天线在测量期间静止不动。测量的参数在测量期间是不随时间变化的。目的是测量点位的坐标。动态：接收机天线在测量期间是运动的。测量的参数在测量期间是随时间变化的，所以测量期间同时要定时。目的是测量载体的运动轨道，要确定其七维坐标参数（三维空间坐标、三维速度、时间）。动态定位的特点与分类用户广泛陆地运动载体水上运动载体空中运动载体。运动速度差异大。低速：几米~几十米/秒中速：几十米~1000米/秒高速：大于1000米/秒采样时间短用于运载火箭或飞船定位时每次采样时间为0.3秒左右。动态实时性强例如为导弹导航，为火箭定轨。精度要求差别大为船类导航，精度几十米即可。为飞机进场导航，精度1~2米即可。为导弹测轨，精度要求约在0.1米。动态定位和静态定位的差异由于静态定位可以多次重复观测，可以采取事后处理，对随机误差进行平差处理，这些办法动态定位无法采取，所以定位精度更高。动态定位的独特优点是实时性好。§4.1伪距测量一、伪距概念通过测量GPS卫星发射测距码到达接收机的传播时间，从而算出接收机到卫星的距离：ρ’=Δt·c实际距离=——电离层和对流层改正；——接收机时钟相对于标准时间的偏差；——卫星时钟相对于标准时间的偏差。C/A码伪距（20米精度）、P码伪距（2米精度）'iontropkjctct,iontropkctjct测距方法双程测距用于电磁波测距仪单程测距用于GPS测距码C/A码（测距时有模糊度）P码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采用的是CDMA（码分多址）技术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（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Z跟踪技术ASP码+W码Y码W码的码元宽度比Y码大几十倍（严格保密）无法对其进行直接跟踪与测量Z跟踪技术ASHTECH公司的专利技术核心：基于Y码是P码和一显著低速率的保密码W的模二和，从而打破Y码，将其重新分解为P码和W码，然后再利用P码来测距0100100（1）W码010010P码Y码+=0100101（-1）W码101101P码Y码+=Z跟踪技术原理将接收到的L1和L2信号分别和接收机生成的、以P码信号为基础的复制信号相关，频带宽度降低到保密W码的带宽，从而得到未知的W码调制信号的估值应用反向频率信号处理法，将接收到的信号减去这一W码的估值，就可以大部分消除W码的影响，进而恢复P码相关处理的积分间隔限制为W码的一个码元对应很小的时间间隔根据CDMA测量原理可知，信噪比与相关处理的积分时间的平方根成正比，从而采用Z跟踪技术所获取的P（Y）码伪距的精度有所下降。由于增加了处理环节和使用近似的W码（准确的W码是未知的）信息，也增加了测量噪声。实施AS后双频P码接收机仍能利用P码来测距,但相关处理的积分间隔限制为W码的一个码元对应的很小的时间间隔,根据CDMA的测量原理可知,信噪比与相关处理的积分时间的平方根成正比,从而采用Z跟踪技术所获取的P码伪距的精度有所下降采用其它方法获取P码伪距时,由于增加了处理环节和使用近似的W码(准确的W码是未知的)信息,也增加了测量噪声非特许用户得到的P码精度将有所降低。作为特需用户,可以直接得到P码伪距,其精度高于C/A码伪距对于非特需用户,采用Z跟踪技术进行PRN相关处理的积分时间很短,导致测量精度降低,对于其他方式,由于利用W码的近似信息和增加处理环节导致伪距测量结果的误差增大原来的高精度P码在最终的伪距测量结果中并不是总能得到保证虽然是采用同样的P码,由于测量方式和过程不同,非特需用户得到的P码伪距精度低于特需用户的相应结果。Z跟踪技术精度利用Z跟踪技术所获取的P（Y）码伪距观测值中，P1码伪距的精度与C/A码基本相同，而P2码伪距观测值的精度较低。P1码、C/A码伪距单点定位的精度基本相同，而P2码伪距单点定位的精度较低。Z跟踪技术下C／A码与P(Y)码伪距的精度比较《勘察科学技术》2019年第2期伪距测量的特点优点无模糊度（相对相位测距而言）缺点精度低二、伪距测量伪距定位法根据GPS接收机在某时刻同时量测至少4颗卫星伪距及卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机位置的方法。伪码测距是将延迟后的本地测距码与接收到的测距码进行相关运算处理，通过测量相关函数的最大值位置来测定卫星信号的传播延迟，从而计算出卫星到接收机的距离。被测点接收机与卫星之间