GPS定位测速原理

22GPS定位、测速原理控制理论与制导技术研究中心卫星导航电文的解调调制是在卫星上发生的进行解调的位置：接收机获得导航电文的目的：获得观测到的卫星在WGS-84坐标中的位置、速度；捕获GPS导航信号过程中会得到：接收机与卫星之间的信号传播时间、信号的多普勒频移。粗捕获过程：载波频率与码相位搜索精细调节伪随机信号跟踪和载波跟踪从中解调出导航电文根据C/A码导航电文的内容，辅助捕获P码粗搜索相关解扩器中频带通（2kHz）滤波器包络检波器门限检波与判断搜索跟踪控制电路码压控时钟C/A码发生器累加器码移动控制电路载波压控振荡器累加器载波移动控制电路来自天线单元的GPS信号本机信号来自码延时锁定环路的控制信号来自载波锁定环路的控制信号伪随机信号跟踪环路方块图低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器压控时钟环路滤波-GPS中频信号C(t)扩频信号)(1V)(2V)(3V)2('0tC)2('0tC'()CtM0M1M2)sin()(0ttD载波跟踪方块图低通滤波器低通滤波器环路滤波器压控振荡器多普勒频移估值90°相移器多普勒测量解扩信号M1MQsinωotcosωotMpsin2D(t)cos2D(t)sin2[D(t)]812接收机能够以较高的频率计算出卫星的位置。为了给用户定位，接收机还需要能够以同样高的频率测量与卫星之间的距离。接收机只能每30s才收齐一帧导航电文。接收机不是使用导航电文测距的吗？如何才能高频率的测出卫星与接收机的距离？获得导航电文同时可得信号离开卫星时卫星钟读数与信号到达接收机时接收机时钟读数之差。信号离开卫星时的相位与卫星钟对齐，但卫星钟有误差。信号离开卫星时的真实时间（GPS系统时）为，对应卫星钟读数为接收机产生的本地码相位受接收机时钟控制，接收机时钟有误差。信号到达接收机的GPS系统时为，对应接收机时钟读数为测到的码相位之差对应的时间包含卫星钟误差和接收机时钟误差。测量无需等到每帧导航电文全发完进行。伪距sTtTstutuTuutT)()(tTtTtsuu)]()[(tTtTcsuu不是真正的卫星与接收机间的距离，假货！伪距与真实距离之间有什么关系？利用伪距确定位置卫星与接收机间的几何距离伪距已知，可以在伪距中被补偿掉。为方便起见，将简记为。对第i颗卫星进行观测，可得222)()()(sususuZZYYXXR)()]()[()]()[(ttcRttTTctTtTcuususuuttcuiuiuiuictZZYYXX222)()()(同时观测4颗卫星，求解位置为了确定用户位置、、以及用户时钟差，需要对至少4颗卫星进行观测uXuYuZutuuuuctZZYYXX2121211)()()(uuuuctZZYYXX2222222)()()(uuuuctZZYYXX2323233)()()(uuuuctZZYYXX2424244)()()(解法：1）求解析解，太复杂。2）基于线性化迭代。3）卡尔曼滤波法将以上方程在用户位置估计点（），估计时间附近作线性化（泰勒展开）uuuZYXˆ,ˆ,ˆutˆ),,,()()()(222uuuujujujujujtZYXfctZZYYXX222ˆ)ˆ()ˆ()ˆ(ˆjujujuujYYujZZYYXXYYYfuu222ˆ)ˆ()ˆ()ˆ(ˆjujujuujZZujZZYYXXZZZfuu222ˆ)ˆ()ˆ()ˆ(ˆjujujuujXXujZZYYXXXXXfuuctfuuttuiˆ)ˆ,ˆ,ˆ,ˆ(ˆuuuujjtZYXf)ˆ()ˆ()ˆ()ˆ()ˆ,ˆ,ˆ,ˆ(),,,(ˆˆˆˆuuttujuuZZujuuYYujuuXXujuuuujuuuujtttfZZZfYYYfXXXftZYXftZYXfuuuuuuuu令泰勒展开式改写为令接收机到卫星视线的单位矢量uuuXXXˆuuuYYYˆuuuZZZˆuuutttˆuujujujujujujjjtcZRZZYRYYXRXXˆˆˆˆˆˆˆjjjˆ222)ˆ()ˆ()ˆ(ˆjujujujZZYYXXRjujjxRXXaˆˆjujjyRYYaˆˆjujjzRZZaˆˆuujzujyujxjtcZaYaXa4,3,2,1j)ˆ()ˆ()ˆ()ˆ()ˆ,ˆ,ˆ,ˆ(),,,(ˆˆˆˆuuttujuuZZujuuYYujuuXXujuuuujuuuujtttfZZZfYYYfXXXftZYXftZYXfuuuuuuuu可迭代进行计算，直到增量足够小H与星座的几何布局有关。uuuXXXˆT4321ΔρTuuuutcZYXΔx1111444333222111zyxzyxzyxzyxaaaaaaaaaaaaHxHΔΔρΔρHxΔ1uuuYYYˆuuuZZZˆuuutttˆT4321measεTtzyxεmeasεHε1伪距测量误差计算的定位误差观测卫星数多于4颗时观测n颗卫星，观测方程有n个),,,()()()(222uuuujujujujujtZYXfctZZYYXXT21......nΔρTuuuutcZYXΔx1........................11222111znynxnzyxzyxaaaaaaaaaHnj,......4,3,2,1uujujujujujujjjtcZRZZYRYYXRXXˆˆˆˆˆˆˆuujzujyujxjtcZaYaXanj,......4,3,2,1nj,......4,3,2,1xHΔΔρH为n×4矩阵观测卫星数多于4颗时存在最小二乘解误差传递方程（*）当n=4时，方程退化为为具有代表性，今后以（*）式讨论ΔρHHHxΔT1T)(measεHHHεT1T)(ΔρHxΔ1measεHε1如何衡量测距误差对定位误差的影响？用户测距误差具有随机性，可认为对不同卫星的观测误差是0均值、独立同分布的。以用户测距误差的协方差来衡量误差大小：由用户测距误差造成的用户定位误差也具有随机性，同样以其协方差来衡量大小：其中，为4×4方阵444342413433323124232221141312111T)(DDDDDDDDDDDDDDDDHH2}{)(UEREnnTmeasmeasmeasIεεEεD21T1T1T1T1TT)()(}{)(})(){(}{)(UERETTTTHHHHHεεEHHHHHHεεHHHEεεEεD用精度衰减因子DOP(dilutionofprecision)来衡量误差传递情况2444342413433323124232221141312112222222222222222REURtztytxttzzyzxztyzyyxytxzxyxxDDDDDDDDDDDDDDDDuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuUEREtzyxDDDDuuuu44332211222244332211DDDDGDOP精度衰减因子几何精度因子位置精度因子2444342413433323124232221141312112222222222222222REURtztytxttzzyzxztyzyyxytxzxyxxDDDDDDDDDDDDDDDDuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuUEREzyxDDDuuu332211222332211DDDPDOP时间精度因子44DTDOPUEREtDu442WGS-84到当地地理坐标系的转换x’y'z'1.绕Z轴旋转WGS-84902.绕东向旋转sincos0coscossincossincossinsinsincosgeRgeggeegexxyyzzR233geTgggggeeeegeegeTgegeeREURxxEyxyzEyxyzzzRRRDR2444342413433323124232221141312112222222222222222REURtztytxttzzyzxztyzyyxytxzxyxxDDDDDDDDDDDDDDDDuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuuu1112133333212223313233TggegeehhhhhhhhhDRDR令垂直精度因子1112132212223313233gggggREURgxhhhEyxyzhhhzhhh233gUEREzh33VDOPh221122ggUERExyhh水平精度因子1122HDOPhhDOP与星座形状有关较小的DOP较大的DOPDOP与星座形状有关4颗卫星时与卫星用户矢量端点组成的多面体体积有关体积最大时，DOP最小求解用户的速度GPS不用位置差分方法求速度！cffrav1TRRfTfrvacuvvr接收机接收到的频率卫星发射信号频率卫星与用户相对运动速度矢量沿用户指向卫星的直线的方向矢量光速vu为卫星的运动速度为用户的速度参考系－地固坐标系cffjjjTjRauv)(1,,1ˆˆttttttu)1(ˆ,,ujRjRtffjRf,ˆjRf,是的量测值GPS通过估计多普勒频移进行速度测量。具体对于第j颗卫星定义时钟漂移方程左侧变量都是已知量，记为jTujRjjjjTjTjRftfcauavfffc,,,,,ˆ)ˆ(jjjTjTjRjavfffcd,,,)ˆ(1ˆ,,jTjRffujzujyujxujtcaZaYaXdT4321dddddTuuuuctZYXgHgddHg1方程右侧，可近似认为令得速度求解DOP也是速度测量的精度因子所处环境对接收机的影响信号的遮蔽接收机周围的山体、建筑、树林水层射频干扰类型典型干扰源宽带—高斯故意的噪声干扰机宽带相位/频率调制电视发射机谐波、频段接近的微波链路发射机宽带—扩频故意的扩频干扰机或伪卫星附近宽带—脉冲雷达发射机窄带相位/频率调制调幅电台发射机或商业广播发射机的谐波窄带—扫频连续波故意的连续波干扰机或调频电台的谐波GPS的抗干扰能力比较脆弱GPS系统功率较低；其信号强度只有电视接收机天线接受到的信号的10亿分之一；仅相当于人的肉眼在能见度较好的条件下观看1万公里以外