第五章GPS卫星定位基本原理.ppt

第五章GPS卫星定位基本原理，5.1概述5.2伪距测量5.3载波相位测量5.4全周期跳跃修复5.5GPS绝对位置和相对位置5.6美国GPS政策5.7差分GPS定位原理，5.1概述，1 .角度测量交会1)前交会2)侧交会3)后交会2。角交叉法(距离交叉法)、角度测量交会法、侧面测量(距离)交会法、飞机船舶仍然使用的一种导航定位方法只有两个无线电发射器，根据用户接收器的大致位置确定接收器的平面位置、无线导航定位卫星激光测距定位、无线电发射器或激光测距仪、3 .无线电接收机或卫星，1)ABC具有三个无线电信号发射台，坐标已知2)P具有用户接收机3)使用传播距离测量方法PAPBPC4)将ABC创建为向心的三个长半径的三个位置球体，可以传送接收机的平面位置，5.1概述，1)P点是激光距离测量卫星2)ABC近代卫星大地测量(卫星激光测距)，5 .GPS卫星定位的基本原理(1)，观测方程，p点的三维坐标(x，y，Z)，5.1概述，1)内容：应用距离指定原理，利用三个或更多卫星的已知空间位置对地面未知点的位置进行交会，2)，以及GPS卫星定位的基本原理(2)，5.1概述，5.2伪距测量，1 .伪距：卫星发送的距离代码信号到达GPS接收器的传播时间乘以光速所测量的距离。由于各种误差的存在，从卫星到桩号的实际几何距离存在一些差异。2.两种测量：-c/a码伪距误差20 - 30m -P码伪距误差10m 3。伪距定位方法：使用GPS接收器在特定时间点到达4个以上GPS卫星的伪距和测量已知卫星位置的范围交叉方法来查找接收器天线所在位置的三维坐标。4.特征1)适合导航和低精度测量2)定位速度；3)在载波相位测量中，可作为解决全波数不确定性(模糊性)的辅助数据。5.2.1伪距测量，1 .卫星发出经过时间后到达接收器的距离测量代码。2.接收器生成完全相同的范围指定代码集。也就是说，复制代码，通过延迟器使延迟时间。5.2伪距测量，5.2.1.1伪距测量方法，3 .一起处理两组距离测量代码，直到两组距离测量代码的自相关系数R()=1为止。此时，复制码与测距码对齐，复制码的延迟等于卫星信号的传播时间。4.乘以光速c，就可以求出从卫星到接收器的伪距离。为什么使用5.2.1.1伪距测量方法(续)、5.2.1伪距测量、5.2.1.2码相关方法测量伪距？为什么不使用代码中的标志计算延迟值？1.随机误差的存在：生成每个范围代码时；范围代码在传播过程中因外部干涉而变形。复制代码在生成时。2.如果仅基于距离测量代码中的特定标志进行测量，则会产生更大的错误。代码相关技术在相关系数R()=max的情况下确定信号传播时间，基本上使用多个代码特性确定，排除随机错误的影响。，5.2.1伪距测量，5.2.1.3伪距测量的原理(1)，1。3个时间系统：1)每个GPS卫星的时间基准2)每个GPS信号接收器的时间基准3)集成上述时间基准的GPS时间系统，5.2.1伪距离测量，5.2.1.3伪距离测量的原理，从卫星到接收天线的伪噪声代码传播时间：伪噪声代码从卫星到接收天线，5.2.1.3伪距离测量的原理(3)，dt-卫星时钟与GPS时间系统的时间偏差(可从导航功率中获得)接收器时钟与dt-GPS时间系统的时间偏差(接收器时钟差)，5.2.1伪距离测量，5.2.1.3伪距离测量的原理(4)考虑电离层/对流层影响的伪距离值：C(dTdT)-时钟偏差引起的距离偏差Dion电离层效应引起的距离偏差dtrop对流层引起的距离偏差，5.2.1伪距离测量，5.2.2伪距离位置观测方程是卫星轨道位置和用户位置的函数，即无论是哪个观测时刻，用户都必须同时观测至少4个卫星，以解决4个未知数。5.2.2伪距离测量的基本方程(续)，5.3载波相位测量(1)，1。伪距测量不足：由于测距码的代码元素长度长，测量精度低。(对于C/A代码，精度约为3米，p代码约为30厘米)2。使用托架作为测量信号，托架的波长将大大缩短(L1=19cm厘米，L2=24cm厘米)，并且比p代码元素的长度小2级。载波的相位测量可以达到高精度。3.载波信号是相位测量只能测量不到一个波长的周期性正弦信号，具有总周数的不确定性，使解释过程更加复杂。5.3载波相位测量(2)，4 .重构载波：1)概念：消除调制在载波上的测距码和导航消息，并重新获得载波。(2)方法：代码相关法：(1)方法：将接收到的调制信号(卫星信号)与接收器生成的复制代码相乘(2)，特征：局通过限制需要解码的结构优势来获得全波长载波。信号质量好的平准方法：(1)方法：无法获得接收的调制信号(卫星信号)自乘(2)优点不需要解码的结构上的缺点搜索用电流时获得的载波波长为原始波长的一半，信号质量差的情况下的5.3载波相位测量(3)，5.3.1载波相位测量原理5.3 k接收器在接收器时钟tk上生成的本地参考信号的相位值，k接收器在接收器时钟tk上接收的j卫星载波信号的相位值，1。 载波相位测量的观测GPS接收机接收的卫星载波信号和接收机本振参考信号的相位差等。2，初始t0小时，小于一周的相位差为0，整周，此时的相位差为：3，任意时刻ti卫星Sj到k接收器的相位差为：整周变化量，整周模糊度(常数)，三次方法，5.3.2载波相位测量的观测方程载波相位测量是接收器(天线)和卫星位置的函数。只有得到它们之间的函数关系，才能从观测测量中解决接收器(或卫星)的位置。2.1) GPS标准时间ta(卫星终时ta)卫星Sj发送的载波信号相位为(Ta)，在传播延迟后从GPS标准时间TB(接收器终时Tb)到达接收器。(2)根据电磁波传播原理，Tb时接收和Ta时发射的相位保持不变。也就是说，在j (Tb)=j (ta) 3) TB处，载波相位按如下方式测量：=(TB)-j (TB)=(TB)-j (ta)，5.3.2载波相位测量的观测方程式(2)，4)考虑卫星落差和接收器落差。例如，ta=ta，TB=TB，=(t b-TB)-j (ta-ta) (1) 5)载波信号的相位和频率的关系为3360 (t)=(t)=j(ta)f-ft B- j(ta)FTA-nkj=f-ftb FTA-nkj(4)，5.3.2载波相位测量的观测方程式(3)，3。在传播延迟中，考虑电离层和对流层的影响的1和2；替代公式(4)；n 5 . 3 . 2载波相位测量的观测方程(3)；f:接收器生成的固定基准频率c:卫星和接收器之间的距离(未知)；1 诱导：2)伪距离测量和载波相位测量的观测方程，5.3.3整体主未知数N0的确定，静态方法动态方法，5.3.3.1静态方法，伪距离法经典方法多普勒方法以距离为单位从载波相位测量的观测中减去伪距离的实际观测值得出No的fastambiaguityresoluonapproach) 3.由于伪距测量的精度低，要获得准确的总频带数，必须有更多、常开、常开平均值。因此，5.3.3.1静态方法，1，两种经典方法是将整体主未知数从调整到待定参数，1)整数解决方案2)实际解决方案，5.3.3.1静态方法，两种经典方法-整数解决方案，1。常用于指定短基线位置。2具体步骤：1)首先，在卫星位置及圆周跳跃修复后，根据相位观测进行了调整，求出了基准矢量和未知数。2)总主未知数是实数，用整数(舍入方法)固定，然后重新执行调整计算。3)要获取基准矢量的最后一个值，请在计算过程中使用整个主值，不能将其视为已知道。5.3.3.1静态方法，两种经典方法-真实解决方案，1 .如果基线很长，请使用此方法。2.具体步骤与整数解法相似，只是整体未知数是实数。注：采用经典方法时，观测时间长，影响工作效率，因此仅适用于高精度定位区域，5.3.3.1静态方法，3多普勒方法(三次方法)，1。由于连续跟踪的所有载波相位观测包含相同的整体主未知数N0，因此，如果两个相邻观测逆的载波相位相减，则消除N0以解释坐标。然后根据坐标值解释N0。5.3.3.1静态方法，2.1)tm瞬时卫星Sj到k接收器的相位差：(1)，2)tn瞬时卫星Sj到k接收器的相位差：(2)，公式(1)-，(2)，N0，3两个站间载波相位观测的差异受接收机时钟和卫星时钟的随机误差的影响，因此精度不好，经常用于查找总周数的初始值。1.1990年e. frei和g. beutler是2 .基本思路：1)利用初始调整的解向量及其精度信息，基于参数估计和统计假设检验，确定置信区间内N0的可能整数解的组合。2)重复调整计算，将N0的每个组合依次重复为已知值。评估后，调整或方差和最小的N0集是最佳评估。3)使用此方法进行短基线定位时，使用双频接收器仅观察一分钟，就会发现未知。该方法广泛用于快速静态定位，快速确定4周未知方法(fara)fastambianstyresoluonapproach，弥补静态方法的不足，使用静态方法时测试卫星发生锁定损失，接收机载波应停止并重新确定整体主未知数，严重限制载波相位观测方法在高精度动态定位中的有效应用，5.3.3.2动态初始化方法arofambiguity resolution onthefly，1993 Leica公司开发成功的基本思路：基于接收机移动时载波信号的短时间观测，结合参考站的同步观测，使用快速解决算法确定N0。然后，使用反分析方法确定上述短时间内托架的瞬时位置。动态初始化方法的特点是，如果在托架的动作中观察到的卫星解锁，则运动托架不需要停止并重新初始化工作，以确认整个一周都不知道。在短距离(10公里)的实时动态相对位置上，位置精度成功地应用到了最大cm。操作，GPS卫星位置的基本原理是什么？2.什么是伪距？伪距测量的特征是什么？为什么使用码相关方法来确定伪距？描述重构载体的主要方法是什么？各有什么优缺点？5.载波相位测量中确定未知数的主要方法是什么？5.4.1全周期跳跃修正，5.4.1屏幕扫描方法5.4.2高次或多项式拟合方法5.4.3卫星间差分方法5.4.4双频率观测的周跳跃5.5.5调整后根据残差发现和修复整个周期跳跃变更，5 . 4 .32这种现象称为全周期跳跃变化。主跳跃的意思(续)，1 .电源故障或振荡器本身的故障导致信号暂时中断时，中断前后信号本身失去连续性。正常运行后的观察中，不仅总周数不正确，整个周以下的部分也是错误的。此时恢复循环跳跃没有意义。2.必须将资料分成两个期间，每个1周的未知数分别处理。全周期跳跃修正方法，5.4.1屏幕扫描方法5.4.2高次或多项式拟合方法5.4.3卫星之间的差分方法5.4.4双频观测，调整循环跳跃5.4.5后，根据残差发现和修复全周期跳跃变更，5.4.1屏幕扫描方法，工作人员在计算机屏幕前逐段检查每个站、每个小时、如果出现不规则的突然变化，就是出现了周舞现象。手动编辑修正。5.4.2高次或多项式拟合，5.4.2.1。高差方法：1。基准：该方法在发生主跳现象的情况下检测载波相位测量的观测值int () 时间的规律变化2。方法：相邻观测值之间依次存在差异(主要、次要差异、找出五次差异)，检查是否有异常。3.缺点：使用差集方法检测通常只有几周的小型主跳跃很困难，可以使用曲线拟合方法，5.4.2高次或多项式拟合方法(续)，5.4.2.2多项式拟合方法：拟合基于多个相位测量的n次多项式，从而估计下一次观测值，并与测量值进行比较，以发现主跳跃并修正总周数。5.4.2高次或多项式拟合方法(续)，高次循环跳跃检查