第四章 距离测量及GPS定位1

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 双程测距双程测距用于电磁波测用于

2、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dtTutTuTRT)()(1相关系数：ctc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

3、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GP

4、S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PPYW 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 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

5、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 tSGPS原理

6、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）RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc)()()()()()(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

7、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222222000000000000()()()()()()()()()()()()()SRiiiiiiiiiontropttiiiiiiiiiiiiiiixXyYzZixXyYzZVVc Vc VxXyYzZxXyYzdXdYdZdXdY 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0022200000000000000()()()()()()()()()()()SiRiiiiiiiiiiiiiiiiiionitropitiiiitiZdZxXyYzZXXdXYYdYZZ

8、dZxXyYzZlmnLc VVVVl 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itjtitijttR(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

9、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）

10、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。 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

11、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 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

12、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/, 12LLACLLYLYLACLLRRRR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

13、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 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

14、平方法好（信噪比降低了14dB）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itjtitijttR(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

15、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)()()()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示为：以后的观测：首次观测： Int0NN0Fr0N0Int( )iFrit0ti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tropiioniiiittiiiiiVVLLcVcVNdZndYmdXlvSR)()(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t