GS卫星定位基本原理ppt课件

1、第五章第五章 GPSGPS卫星定位根本原理卫星定位根本原理5.1 5.1 概概 述述5.2 5.2 伪距丈量伪距丈量5.3 5.3 载波相位丈量载波相位丈量5.4 5.4 整周跳变的修复整周跳变的修复5.5 GPS5.5 GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位5.6 5.6 美国的美国的GPSGPS政策政策5.7 5.7 差分差分GPSGPS定位原理定位原理5.1 5.1 概概 述述 测角交会测角交会 前方交会前方交会 后方交会后方交会 测边距交会法测边距交会法 两条边可确定两条边可确定P P点坐标点坐标 无线电导航定位无线电导航定位 卫星激光测距定位卫星激光测距定位GPS定位根本原理定位

2、根本原理21212121)()()(ZZYYXX22222222)()()(ZZYYXX23232323)()()(ZZYYXX 运用空间间隔前方交会的方运用空间间隔前方交会的方法求出卫星的位置。法求出卫星的位置。 运用空间间隔后方交会的方运用空间间隔后方交会的方法求测站点的位置。法求测站点的位置。 观测值：间隔观测值：间隔GPSGPS定位方法及分类定位方法及分类 根据测距的原理划分：根据测距的原理划分： 伪距法定位测码伪距法定位测码 载波相位丈量定位测相载波相位丈量定位测相 差分定位差分定位 根据接纳机待定点运动形状划分根据接纳机待定点运动形状划分 动态定位动态定位以为接纳机相对于地面是运动

3、的以为接纳机相对于地面是运动的 静态定位静态定位以为接纳机相对于地面静止不动以为接纳机相对于地面静止不动 绝对定位与相对定位：绝对定位与相对定位： 绝对定位绝对定位求测站点相对于地心的坐标；静求测站点相对于地心的坐标；静态态 相对定位相对定位求测站点相对于某知求测站点相对于某知点的坐标增量；点的坐标增量；5.2 5.2 伪距丈量伪距丈量 GPSGPS测距码测距码 5.2.1 5.2.1 伪距伪距: :卫星发射的测距码信号到达卫星发射的测距码信号到达GPSGPS接纳机的传播时间。接纳机的传播时间。 5.2.2 5.2.2 伪距定位观测方程伪距定位观测方程GPSGPS测距码测距码模二相加运算规那么

4、模二相加运算规那么脉冲：在短时间内突变，随后又迅速前往到其初脉冲：在短时间内突变，随后又迅速前往到其初始值的物理量；始值的物理量；脉冲信号：像脉搏跳动一样的信号，相对与直流，脉冲信号：像脉搏跳动一样的信号，相对与直流，断续的信号。断续的信号。 000; 110; 101; 011码：表达信息的二进制数及其组合码：表达信息的二进制数及其组合状态状态编号编号 各存储器单元各存储器单元 模二相加模二相加 输出输出码元码元1 12 23 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 00 00 00 01 11 11 14 45 56 6 1 0 0

5、0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 01 10 00 01 10 00 07 78 89 9 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 11 11 10 00 01 10 0101011111212 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 01 0 1 01 10 01 10 01 11 1131314141515 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 11 11 11 10 01 10 0四级反响移位存放器的形

6、状序列四级反响移位存放器的形状序列四级反响移位存放器四级反响移位存放器tu：钟脉冲的时间间隔：钟脉冲的时间间隔码值码值1 码形状码形状 -1 码值码值0 码形状码形状 +1 GPSGPS测距码测距码 C/A C/A码码Coarse/Acquisition CodeCoarse/Acquisition Code 10 10级级 1 1周期含码元数周期含码元数N N：10231023； 码率：码率：1.023MHz1.023MHz； 码元宽度码元宽度tutu：0.98us(293.05m)0.98us(293.05m)；精度：；精度：2.9m2.9m 周期：周期：Tu=Ntu=1msTu=Ntu=

7、1ms； 粗码粗码/ /捕获码；捕获码； 仅被调制在仅被调制在L1L1上上 P PY Y码码Precise CodePrecise Code 1 1周期含码元数：周期含码元数：6.196.1910121012；码率：码率：10.23MHz10.23MHz； 周期：周期：7 7天；天； 码元宽度：码元宽度：0.098us(29.30m)0.098us(29.30m)； 精度精度:0.29m :0.29m 精码；精码； 被调制在被调制在L1L1和和L2L2上上测距码续测距码续5.2.1 5.2.1 码相关伪距丈量原理码相关伪距丈量原理1卫星根据本人时钟钟脉冲卫星根据本人时钟钟脉冲发出某一构造的测距

8、码，经过发出某一构造的测距码，经过t时时的传播到达的传播到达GPS接纳机。接纳机。2接纳机在本人钟脉冲驱动下，接纳机在本人钟脉冲驱动下，产生一组构造完全一样的复制码。产生一组构造完全一样的复制码。3经过时延器使之延迟时间经过时延器使之延迟时间，对，对两码进相关比较。两码进相关比较。4直至两码完全对齐，相关系数直至两码完全对齐，相关系数 Rt=max=1，那么该时间延迟，那么该时间延迟即为传播时间即为传播时间t=t。5间隔间隔=ct=c。复制码复制码 接纳码接纳码5.2.2 5.2.2 伪距定位观测方程伪距定位观测方程 由卫星钟驱动下产生的由卫星钟驱动下产生的GPS信号，分信号，分开卫星发射天线

9、，在地球引力场中穿越大开卫星发射天线，在地球引力场中穿越大气层，进入接纳机内部，与接纳机本身产气层，进入接纳机内部，与接纳机本身产生的参考信号相比较，得到生的参考信号相比较，得到GPS观测值。观测值。 观测方程要反映该过程观测方程要反映该过程5.2.2 5.2.2 伪距定位观测方程伪距定位观测方程三种时间系统三种时间系统5.2.2 5.2.2 伪距定位观测方程伪距定位观测方程iiijjjtGPStttGPStt)()(jijijijittGPStGPStttt)()()()()()(ijijjijijittcttcGPStGPStctc伪距伪距信号传播时间信号传播时间202010)()(tta

10、ttaatj卫星发出信号时间以卫星钟面时间规范卫星发出信号时间以卫星钟面时间规范接纳机接纳的时间以接纳机钟面时间规范接纳机接纳的时间以接纳机钟面时间规范RINEX 2 RINEX 2 格式的广播电文含义格式的广播电文含义PRN号号年月日时分秒年月日时分秒a0a1a2AODECrsnM0CuceCust0Cic0Cisi0Crscflgl2 GPDpflgl2卫星精度卫星精度卫星健康卫星健康TgdAODC信息传输时间信息传输时间ai 地球大气构造地球大气构造大气折射效应大气折射效应 色散介质与非色散介质色散介质与非色散介质色散介质：对不同频率的信号，所产生的折色散介质：对不同频率的信号，所产生的

11、折射效应也不同射效应也不同非色散介质：对不同频率的信号，所产生的非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应一样折射效应一样对对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质层是非色散介质电离层对电离层对C/AC/A码影响码影响228.401Nfng)28.401 (2NfcncVggioneRgtdRNfcdtV228.40dRNfceRion228.40C/AC/A码码 在电离层中以群速在电离层中以群速VgVg传播传播 级数展开级数展开 其速度与频率有关其速度与频率有关 电离层矫正的大小主电离层矫正的大小主要取决于电子总量和要取决于电子总量和信号频率

12、信号频率电离层对载波影响电离层对载波影响载波是正弦波载波是正弦波 在电离层中以相速度传播在电离层中以相速度传播228.401NfngNdRfcRion228.40 电离层影响与太阳黑子活动有关电离层影响与太阳黑子活动有关 与卫星到接纳机方向有关，天顶方向最大与卫星到接纳机方向有关，天顶方向最大50m延迟延迟高度角高度角20时时150m延迟延迟对流层影响对流层影响 从地面到高空从地面到高空40KM大大气层为对流层；气层为对流层； 电磁波经过对流层会产电磁波经过对流层会产生延迟，和温度、湿度、生延迟，和温度、湿度、气压有关；气压有关； 天顶方向可达天顶方向可达23m， 高度角高度角10o，可达，可

13、达13m。5.2.2 5.2.2 伪距定位观测方程伪距定位观测方程 思索大气影响思索大气影响,卫星与测站真实间隔为卫星与测站真实间隔为 伪距丈量方程为伪距丈量方程为dropionjidropiontctcjdropioniijijijttcZZYYXX21222)()()( 伪距丈量的特点：无模糊度，精度低。伪距丈量的特点：无模糊度，精度低。5.3 5.3 载波相位丈量载波相位丈量1. 采用载波相位丈量缘由及重建载波采用载波相位丈量缘由及重建载波5.3.1 载波相位丈量原理载波相位丈量原理5.3.2 载波相位丈量载波相位丈量.的观测方程的观测方程5.3.3 整周未知数整周未知数N0确实定确实定

14、1、采用载波相位丈量缘由、采用载波相位丈量缘由 测距码测距精度对于一些高精度的运用无测距码测距精度对于一些高精度的运用无法满足法满足 C/A 2.9 P 0.29m 载波的波长短，可到达很高的精度载波的波长短，可到达很高的精度 载波载波L1 频率：频率： 154 f0 = 1575.43MHz； 波长：波长：19.03cmL2 频率：频率： 120 f0 = 1227.60MHz； 波长：波长：24.42cm卫星信号的调制卫星信号的调制 二进制信号的相位调制二进制信号的相位调制)cos()()(ttBtS调相调相PM载波相位丈量的关键技术重建载波载波相位丈量的关键技术重建载波 码相关法码相关法

15、 方法：将所接纳到的调制信号方法：将所接纳到的调制信号卫星信号与接纳机产生的复卫星信号与接纳机产生的复制码相乘。制码相乘。 技术要点：卫星信号弱与接技术要点：卫星信号弱与接纳机信号强相乘。纳机信号强相乘。 特点特点 限制：需求了解码的构造。限制：需求了解码的构造。 优点：可获得导航电文，可获得优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好信全波长的载波，信号质量好信噪比高噪比高卫星信号的生成接收机重建载波(c )2002, 黄劲松载波相位丈量的特点载波相位丈量的特点 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

16、整周跳变问题5.3.1 GPS5.3.1 GPS载波相位丈量原理载波相位丈量原理SR SR)5.3.1 GPS5.3.1 GPS载波相位丈量原理载波相位丈量原理GPS载波相位丈量的根本原理载波相位丈量的根本原理SR SR)SR( )tR( )tS接收机根据自身的钟在 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tRtS tR tS理想情况理想情况实践情况实践情况载波相位观测值载波相位观测值N0Fr0N0Int( )iFrit0ti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)()()()()(000FrIntNFrIntFriii通

17、常表示为：以后的观测：首次观测：GPSGPS载波相位丈量的根本原理载波相位丈量的根本原理 载波相位丈量的观丈量是载波相位丈量的观丈量是GPSGPS接纳机所接纳的卫接纳机所接纳的卫星载波信号与接纳机本振参考信号的相位差。星载波信号与接纳机本振参考信号的相位差。( )( )( )jjkkkkkktttk k接纳机在接纳机钟面接纳机在接纳机钟面时辰时辰tktk时观测时观测j j卫星所卫星所获得的相位观丈量获得的相位观丈量5.3.2 5.3.2 载波相位观测方程载波相位观测方程在初始时辰在初始时辰t0，测得小于一周的相位差为，测得小于一周的相位差为 ，其整周，其整周数为数为 ，此时包含整周数的相位差为

18、，此时包含整周数的相位差为0jN0jjkkjjkNttNt000000)()()(5.3.2 5.3.2 载波相位观测方程载波相位观测方程 接纳机继续跟踪卫星信号，不断测定小于接纳机继续跟踪卫星信号，不断测定小于1周周的相位差的相位差 ，同时计数器记录从，同时计数器记录从 到到 时间内时间内的整周变化量的整周变化量 ，只需卫星信号没中断，初始，只需卫星信号没中断，初始时辰的整周模糊度时辰的整周模糊度 为一常数。为一常数。 时辰时辰 卫星到接纳机的相位差为卫星到接纳机的相位差为t0tit)(IntitjS)()()()(0IntNtttjijkikijkjN05.3.2 5.3.2 载波相位观测

19、方程载波相位观测方程在在GPS规范时辰规范时辰Ta卫星钟时辰卫星钟时辰ta卫星发射的载卫星发射的载波相位为波相位为 , 经传播延迟经传播延迟 ，在，在GPS规范时辰规范时辰Tb接纳机钟面时辰接纳机钟面时辰tb到达接纳机到达接纳机电磁波传播原理电磁波传播原理在在Tb时时,接纳机本振产生的载波相位为接纳机本振产生的载波相位为Tb时的相位差为时的相位差为)()(ajbjtTbaaajbbajbtftfftTtTtt)()()()(abTT)(btfffjifTTajb)()()(at5.3.2 5.3.2 载波相位观测方程载波相位观测方程传播延迟传播延迟相位差相位差观丈量观丈量)(1dropionc

20、batftfcf)(21jbadropionjijiiijiNtftfcfcfcfNtIntt00)()()(?伪距丈量与载波相位丈量的观测方程的联络伪距丈量与载波相位丈量的观测方程的联络00).(.1.1.1.,/cNttcNtttctccfcftftfcfftropionbadropionbajkdropionbadropbajkion5.3.3 5.3.3 整周模糊度确实定整周模糊度确实定整周未知数整周未知数N0Fr0N0Int( )iFrit0ti5.3.3 5.3.3 整周模糊度确实定整周模糊度确实定 伪距法伪距法 将伪距观测值减去载波相位丈量的实践观测值将伪距观测值减去载波相位丈量

21、的实践观测值(化为以间隔为单位化为以间隔为单位)后即可得到后即可得到N0 。实时动。实时动态相对定位态相对定位RTK P码双频法码双频法 将整周未知数当作平差中的待定参数将整周未知数当作平差中的待定参数经典方经典方法法 1整数解整数解 短基线丈量短基线丈量 2实数解实数解 长基线丈量长基线丈量 多普勒法多普勒法(三差法三差法) 将相邻两个观测历元的载波相位相减，消去了将相邻两个观测历元的载波相位相减，消去了整周未知数整周未知数N0，从而直接解出坐标参数。常用来，从而直接解出坐标参数。常用来获得未知参数的初始值。获得未知参数的初始值。 5.3.3 5.3.3 整周模糊度确实定整周模糊度确实定 快

22、速确定整周未知数法快速确定整周未知数法 这种方法对某一置信区间一切整数组这种方法对某一置信区间一切整数组合一一进展平差，取估值的验后方差或方合一一进展平差，取估值的验后方差或方差和为最小的一组整周未知数作为整周未差和为最小的一组整周未知数作为整周未知数的最正确估值。知数的最正确估值。 进展短基线定位时，利用双频接纳机进展短基线定位时，利用双频接纳机只需观测一分钟便能胜利地确定整周未知只需观测一分钟便能胜利地确定整周未知数。用于快速静态定位。精度数。用于快速静态定位。精度cm级级5.4 5.4 整周跳变修复整周跳变修复 整周跳变：卫星信号中断或失锁，接纳机整周跳变：卫星信号中断或失锁，接纳机计数器无法延续计数使整周计数不正确，但计数器无法延续计数使整周计数不正确，但不到一整周的相位观测值仍是正确的。简称不到一整周的相位观测值仍是正确的。简称周跳。周跳。-20000000200000040000006000000800000018.819.019.219.419.619.8L1_phaseL2_phasePhase (cycles)HrsCyc