GPS卫星定位基本原理

GPS原理与应用第四章GPS定位的基本原理第四章GPS定位的基本原理主要内容4.1GPS定位的方法与基本观测量4.2GPS定位的基本观测方程4.3载波相位差分观测方程4.4GPS伪距绝对定位4.5GPS载波相位相对定位4.6GPS事后伪距差分定位4.7CORS系统简介第四章GPS定位的基本原理GPS的观测量，是用户利用GPS进行导航和定位的重要依据之一。这一章将在前几章预备知识的基础上，介绍利用GPS进行定位的基本方法和观测量的类型，并着重阐述与测码伪距和载波相位观测量相应的观测方程及其线性化形式，最后介绍载波相位观测值的线性组合及几种定位方法的定位原理，为下一章分析GPS测量的误差来源打基础。第四章GPS定位的基本原理4.1GPS定位的方法与观测量4.1.1定位方法的分类利用GPS进行定位的方法有多种，若按参考点的不同位置则可分为◆绝对定位(或单点定位)。即在地球协议坐标系统中，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相重合。1)单点定位的结果也属该坐标系统。2)优点:一台接收机即可独立定位，但定位精度较差。3)在船舶、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。第四章GPS定位的基本原理◆相对定位。确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对位置的方法。可以消除许多相同或相近的误差，定位精度较高。但其缺点是外业组织实施较为困难，数据处理更为烦琐。在大地测量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域内得到广泛的应用。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。第四章GPS定位的基本原理◆静态定位在定位过程中，接收机天线的位置是固定的，处于静止状态。不过，严格说来，静止状态只是相对的。在卫星大地测量学中，所谓静止状态，通常是指待定点的位置相对其周围的点位没有发生变化，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。第四章GPS定位的基本原理◆动态定位即在定位过程中，接收机天线处于运动状态。第四章GPS定位的基本原理GPS定位实质：空间距离后方交会第四章GPS定位的基本原理4.1.2观测量的基本概念利用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。RINEXGPS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。第四章GPS定位的基本原理◆根据码相位观测得出的伪距所谓码相位观测，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。第四章GPS定位的基本原理伪距测量和码相位测量是以测距码为量测信号的。量测精度是一个码元长度的百分之一。对C/A码来说，由于其码元宽度约为293m，所以其观测精度约为2.9m；而P码的码元宽度为29.3m，所以其观测精度约为0.3m，比C/A码的观测精度约高10倍在卫星钟与接收机钟完全同步并且忽略大气折射影响的情况下，所得到的时间延迟乘以光速便为所测卫星的信号发射天线至用户接收机天线之间的几何距离，通常简称为所测卫星至观测站之间的几何距离。第四章GPS定位的基本原理载波相位观测值：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。◆根据载波相位观测观测得出的伪距载波的波长远小于码的波长，在分辨率相同(1%)的情况下，载波相位的观测精度远较码相位的观测精度为高。对于L1和L2载波，其波长分别为0.19m和0.24m，则相应的观测精度为1.9mm和2.4mm。第四章GPS定位的基本原理以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)()()(111iippipTTT第四章GPS定位的基本原理另外，在接收机跟踪GPS卫星进行观测的过程中，常常由于多种原因，例如接收机天线被阻挡、外界噪声信号的干扰等，还可能产生整周变跳现象。虽然这些有关载波相位整周的不确定性问题通常可以通过数据的事后处理来解决，但是，这样一来将使数据处理变得复杂。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，因而存在整周不定性问题。第四章GPS定位的基本原理同样，在卫星钟与接收机钟严格同步并忽略大气折射影响的情况下，如果载波的整周数已确定，则上述载波相位差乘以相应的载波波长，也可确定观测站至所测卫星之间的几何距离。由于全球定位系统采用了单程测距原理，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和载波相位观测所确定的卫星至观测站的距离，都不可避免地含有卫星钟和接收机钟非同步误差的影响。为了与上述的几何距离相区别，这种含有钟差影响的距离通常均称为“伪距”，并把它视为GPS测量的基本观测量。为了叙述的方便，我们将由码相位观测所确定的伪距简称为测码伪距，而由载波相位观测确定的伪距简称为测相伪距。第四章GPS定位的基本原理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。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。第四章GPS定位的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。)1.2.4(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，则接收机钟钟差为第四章GPS定位的基本原理)2.2.4(iiiTtt)3.2.4()(111ipipipcTTc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第四章GPS定位的基本原理式（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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第四章GPS定位的基本原理式（4.2.6）中,δρtrop和δρion分别为对流层和电离层的折射改正。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，而)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。第四章GPS定位的基本原理4.2.2载波相位测量的基本观测方程)9.2.4()()()(111iippipTTT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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)11.2.4()()()()(11111ipipiippipfTTfTTT第四章GPS定位的基本原理式（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。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。第四章GPS定位的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考虑到式（4.2.11）有第四章GPS定位的基本原理)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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第四章GPS定位的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定位的基本原理记)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第四章GPS定位的基本原理式中，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。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