武汉大学《GPS原理与应用》PPT课件第八课

1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组 GPS原理及其应用原理及其应用 ( (八八) ) GPS原理及其应用原理及其应用 第四章第四章 距离测量与距离测量与GPS定位定位 4.1 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 GPS原理及其应用原理及其应用 4.1 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS定位的基本原理定位的基本原理 需解决的两个关键问题需解决的两个关键问题 如何确定卫星的位置如何确定卫星的位置 如何测量出站星距离如何测量出站星距离 GPS原理及其应用原理及其应用 测距方法测距方法 双程测距双程

2、测距 用于电磁波测用于电磁波测 距仪距仪 单程测距单程测距 用于用于GPS 距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距方法测距方法 GPS原理及其应用原理及其应用 测距码测距码 C/A码（测距时有模糊度）码（测距时有模糊度） P码码 距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距码 GPS原理及其应用原理及其应用 信号传 播时间 测距码测距原理测距码测距原理 距离测定的基本思路距离测定的基本思路 信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定 dtTutTu T R T )()( 1 相关系数： ctc

3、 信号传播时间的测定信号传播时间的测定 距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距原理测距码测距原理 GPS原理及其应用原理及其应用 测距码测距原理测距码测距原理 利用测距码测距的必要条件利用测距码测距的必要条件 必须了解测距码的结构必须了解测距码的结构 利用测距码进行测距的优点利用测距码进行测距的优点 采用的是采用的是CDMA（码分多址）（码分多址） 技术技术 易于捕获微弱的卫星信号易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度可提高测距精度 便于对系统进行控制和管理便于对系统进行控制和管理 （如（如AS） 每颗每颗GPS卫星都采用特定的卫星都采用特定的

4、 伪随机噪声码伪随机噪声码 微弱信号的捕获微弱信号的捕获 距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距原理测距码测距原理 GPS原理及其应用原理及其应用 Z跟踪技术跟踪技术 AS P码码+W码码Y码码 W码的码元宽度比码的码元宽度比Y码大几十码大几十 倍倍 Z跟踪技术跟踪技术 原理原理 将相关间隔（积分间隔）限将相关间隔（积分间隔）限 定在一个定在一个W码码元内码码元内 码 码 码 码码元内在一个 P P Y W 0 1 0 0 1 0 0（1） W 码 0 1 0 0 1 0 P 码 Y 码 + = 0 1 0 0 1 0 1（-1） W 码 1

5、0 1 1 0 1 P 码 Y 码 + = 距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 Z跟踪技术跟踪技术 GPS原理及其应用原理及其应用 伪距测量的特点伪距测量的特点 优点优点 无模糊度无模糊度 缺点缺点 精度低精度低 距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 伪距测量的特点伪距测量的特点 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS测量的基本观测方程测量的基本观测方程 距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 GPS测量的基本观测方程测量的基本观测方程 S R ()tR ()t S 接 收

6、机 根 据 自 身 的 钟 在时 刻 复 制 信 号 的 相 位 tR 接 收 机 根 据 自 身 的 钟 在时 刻 所 接 收 到 卫 星 在 时 刻 所 发 送 信 号 的 相 位 tR t S tR t S GPS原理及其应用原理及其应用 对流层折射延对流层折射延 迟改正迟改正 电离层折射延电离层折射延 迟改正迟改正 接收机钟的接收机钟的 改正数改正数 卫星钟的改卫星钟的改 正数正数 信号离开信号离开 卫星的时卫星的时 刻（由卫刻（由卫 星钟测定）星钟测定） 信号到达接信号到达接 收机的时刻收机的时刻 （由接收机（由接收机 钟测定）钟测定） R S R Ss R R S t t trop

7、ion tropionab t t ab t atb S R tRb t S a S R VcVcVV VVc VcVccVVcttc VtVt ttc )( )()()()( )( 故： 站星真实距离： 则： ；设： 伪距： 测距码测距的观测方程测距码测距的观测方程 距离测量与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距的观测方程测距码测距的观测方程 GPS原理及其应用原理及其应用 222 222 00000 00 00000 ()()() ()()() ()() ()()()()() S R iiii iiiiiontropt t i iiiiii iii

8、 iiiii xXyYzZi xXyYzZVVc Vc V xXyYzZxXyYz dXdYdZdXdY 令真实的站星距离：， 为卫星 则站星距离的观测值： 将 用泰勒级数展开，保留一阶项，有 0 0 222 0000 000 000 000 0 () ()()()() ()()() ()()() S i R i iiii iii iii iii iiiionitropi t iiiiti Z dZ xXyYzZ XXdXYYdYZZdZ xXyYzZ lmn Lc VVV Vl dXmdYndZc VL 其中： ； ； 令： ； 则误差方程为： 伪距测量的误差方程伪距测量的误差方程 距离测量

9、与距离测量与GPS定位定位 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距 测距码测距的误差方程测距码测距的误差方程 GPS原理及其应用原理及其应用 4.2 载波相位测量载波相位测量 GPS原理及其应用原理及其应用 载波相位测量载波相位测量 距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 i t j t i t ij ttR (c )2002, 黄劲松 GPS原理及其应用原理及其应用 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 重建载波重建载波 将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。 载波调制了电文之后载波调制了电文之后 变成

10、了非连续的波变成了非连续的波 伪距测量与载波相位测量伪距测量与载波相位测量 距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 GPS原理及其应用原理及其应用 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 码相关法码相关法 方法方法 将所接收到的调制信号（卫星信号）将所接收到的调制信号（卫星信号） 与接收机产生的复制码相乘。与接收机产生的复制码相乘。 技术要点技术要点 卫星信号（弱）与接收机信号（强）卫星信号（弱）与接收机信号（强） 相乘。相乘。 特点特点 限制：需要了解码的结构。限制：需要了解码的结构。

11、优点：可获得导航电文，可获得全优点：可获得导航电文，可获得全 波长的载波，信号质量好（信噪比波长的载波，信号质量好（信噪比 高）高） 卫星信号的生成接收机重建载波 (c )2002, 黄劲松 码相关法码相关法 距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 GPS原理及其应用原理及其应用 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 平方法平方法 方法方法 将所接收到的调制信号（卫星信号）将所接收到的调制信号（卫星信号） 自乘。自乘。 技术要点技术要点 卫星信号（弱）自乘。卫星信号（弱）自乘。 特点特点

12、 优点：无需了解码的结构优点：无需了解码的结构 缺点：无法获得导航电文，所获载缺点：无法获得导航电文，所获载 波波长为原来波长的一半，信号质波波长为原来波长的一半，信号质 量较差（信噪比低，降低了量较差（信噪比低，降低了30dB） 平方法平方法 距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 GPS原理及其应用原理及其应用 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 互相关（交叉相关）互相关（交叉相关） 方法方法 在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个在不同频率的调制信号（卫星信号）进

13、行相关处理，获取两个 频率间的伪距差和相位差频率间的伪距差和相位差 技术要点技术要点 不同频率的卫星信号（弱）进行相关。不同频率的卫星信号（弱）进行相关。 特点特点 优点：无需了优点：无需了Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波解码的结构，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（信噪比降低了长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB） )( )( 12/, 12 , 1, 2/, 12 LLACLL YLYLACLL RRRR 距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 GPS原理及

14、其应用原理及其应用 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 Z跟踪跟踪 方法：将卫星信号在一个方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机码码元内与接收机 复制出的复制出的P码进行相关处理。码进行相关处理。 在一个在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制码码元内进行卫星信号（弱）与复制 信号（强）进行相关。信号（强）进行相关。 特点特点 优点：无需了解优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，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（信噪比降低了较平方法好（信噪比降低了14dB

15、） 距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波 GPS原理及其应用原理及其应用 载波测距载波测距 i t j t i t ij ttR (c )2002, 黄劲松 距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波测距载波测距 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS载波相位测量的基本原理载波相位测量的基本原理 距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 GPS载波相位测量的基本原理载波相位测量的基本原理 S R SR) S R ()tR ()t S 接 收 机 根 据 自 身 的

16、钟 在时 刻 复 制 信 号 的 相 位 tR 接 收 机 根 据 自 身 的 钟 在时 刻 所 接 收 到 卫 星 在 时 刻 所 发 送 信 号 的 相 位 tR t S tR t S 理想情况理想情况实际情况实际情况 GPS原理及其应用原理及其应用 载波相位观测值载波相位观测值 观测值观测值 整周计数整周计数 整周未知数（整周模糊度）整周未知数（整周模糊度） 载波相位观测值载波相位观测值 )()( )()( )( 0 00 FrIntN FrInt Fr iii 通常表示为： 以后的观测： 首次观测： Int 0 N N0 Fr0 N0 Int( ) i Fri t0 ti 距离测量与距

17、离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位观测值载波相位观测值 GPS原理及其应用原理及其应用 载波相位测量的特点载波相位测量的特点 优点优点 精度高，测距精度可达精度高，测距精度可达0.1mm量级量级 难点难点 整周未知数问题整周未知数问题 整周跳变问题整周跳变问题 距离测量与距离测量与GPS定位定位 载波相位测量载波相位测量 载波相位测量的特点载波相位测量的特点 GPS原理及其应用原理及其应用 tropiioniii i t tiiiii VVL LcVcVNdZndYmdXlv S R )()( 其中： 0 载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程 tropiion t tiiii tropiion t tiii VVcVcVN VVcVcVN