GPS-05-GPS卫星定位基本原理(一)解析.ppt

1、GPS原理及应用,上海海洋大学海洋学院 Email: 课程类别：海技专业基础课,讲授：沈蔚,第五章 GPS定位方法,概述 伪距测量 载波相位测量 整周跳变的修复 GPS绝对定位 GPS相对定位 差分GPS定位原理 美国的GPS政策,GPS课程学习内容及体系,GPS系统组成 卫星的运动和卫星星历 GPS信号和观测值 定位误差源,5.1 概述,交会法确定点位,测角交会法 测边交会法,5.1 概述,测角交会法,5.1 概述,测边（距）交会法,两条边可确定P点坐标，为了检核和提高精度，增加第3条边,无线电导航定位 卫星激光测距定位,无线电发射台或激光测距仪,无线电接收机或卫星,5.1 概述,GPS卫星

2、定位的基本原理,应用测距交会的原理，利用三颗以上卫星的已知空间位置交会出地面未知点（用户接收机）的位置。,5.1 概述,GPS卫星定位的基本原理,观测方程,P点的三维坐标（X，Y，Z）,5.1 概述,单点定位解算用户位置,用户在t 时元的位置为：,5.1 概述,依据测距的原理划分： 1）伪距法定位（测码） 2）载波相位测量定位（测相） 3）差分GPS定位 根据待定点的运动状态划分： 1）静态定位 2）动态定位 根据观测方式 1）绝对定位 2）相对定位,GPS卫星定位方法分类,5.1 概述,1）伪距定位与载波相位定位,伪距定位 采用伪距观测值，测距直接，定位精度低 载波相位定位 采用载波相位观测

3、值，观测值转化成距离有一定难度，定位精度高,C/A码： 29.3m P码： 2.93m L1载波： 1.9cm L2载波： 2.4cm,测距精度比较,5.1 概述,2）静态定位和动态定位,静态定位：在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态。(这种静止状态是相对的) 动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。 广泛应用于动态目标的监测，导航。,5.1 概述,3）绝对定位和相对定位,绝对定位（单点定位）： 一台接收机独立确定待定点在坐标系中的绝对位置。 相对定位： 两台（或多台）接收机同步观测GPS卫星，确定它们之间的相对位置的方法。,5.1 概述,5.2 伪距测量,伪距： 由卫星发

4、射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间 乘以光速所得出的量测距离。由于各种误差的存在，与卫星到测站的实际几何距离有一定差值。 两种测量值： - CA码伪距 - P码伪距,由GPS接收机在某一时刻测出到达四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用测距交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。,伪距法定位,5.2伪距测量,伪距测量的特点,适用于导航和低精度测量（P码定位误差约为10m，C/A码定位误差为2030m）； 定位速度快； 可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。,5.2伪距测量,伪距测量的方法,卫星发出一个测距码，该测距码经过时间后到达接收机； 接收机产生一

5、组结构完全相同的测距码复制码，并通过时延器使其延迟时间； 将两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的自相关系数 R()=1为止，此时，复制码已和测距码对齐，复制码的延迟时间 就等于卫星信号的传播时间； 将 乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。,5.2伪距测量,为什么利用码相关法测定伪距？,为什么不利用码的标志来推算时延值？ 随机误差的存在： 测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形；测距码和复制码在产生时带有随即误差。 仅根据测距码中的某一标志来进行量测会带来较大误差。利用码相关技术在自相关系数R() = max 的情况下来确定信号的传播时间，实质上是采用了多个码特征来确定 ，排除了随机误差

6、的影响。,5.2伪距测量,伪距测量的原理,三种时间系统： 各颗GPS卫星的时间标准 各台GPS信号接收机的时间标准 统一上述时间标准的GPS时间系统,5.2伪距测量,伪距测量的原理（续）,伪噪声码从卫星到接收天线的传播时间：,伪噪声码从卫星到达接收天线的时元,伪噪声码在其卫星的发射时元,5.2伪距测量,伪距测量的原理（续）,dt 卫星时钟相对于GPS时间系统的时间偏差（可根据导航电文求得） dT 接收机时钟相对于GPS时间系统的时间偏差（接收机钟差）,5.2伪距测量,伪距测量的原理（续）,卫星到接收天线的真实距离：,卫星到接收天线的“伪距（pseudorange）”：,5.2伪距测量,伪距测量

7、的原理（续）,考虑电离层/对流层影响的伪距值：,C (dt dT ) 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伪距测量,伪距测量的原理（续）, 是卫星在轨位置和用户位置的函数，即：, 第j 颗卫星在时元t 的三维坐标，可从导航电文中求得, 用户接收天线在时元t 的三维坐标，为待求的未知数,5.2伪距测量,上式中有4个未知数（用户三维坐标和接收机的钟差dT ）。这样在任何一个观测瞬间，用户至少需要同时观测4颗卫星，以便解算4个未知数。,伪距测量的基本方程（续）,5.2伪距测量,GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本地参考信号的相位差。,

8、5.3伪载波测量,5.3 载波相位测量,重建载波,5.3伪载波测量,载波相位测量的关键技术,重建载波 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 变成了非连续的波,伪距测量与载波相位测量,码相关法 方法 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。 技术要点 卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。 特点 限制：需要了解码的结构。 优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）,码相关法,重建载波,载波相位测量的关键技术,平方法 方法 将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。 技术要点 卫星信号（弱）自乘。 特点 优点：无需了解码的结构 缺点：无法

9、获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了30dB）,平方法,重建载波,载波相位测量的关键技术,5.3.1载波相位测量原理,k 接收机在接收机钟面时刻tk 时观测j 卫星所取得的相位观测量,k 接收机在接收机钟面时刻tk 时所产生的本地参考信号的相位值,k 接收机在接收机钟面时刻tk 时所接收到的j 卫星载波信号的相位值,5.3伪载波测量,初始t0时刻，小于一周的相位差为0，其整周数为 ，则此时的相位观测值为：,5.3伪载波测量,任一时刻ti卫星Sj 到k接收机的相位差：,整周数变化量,整周模糊度（常数）,5.3伪载波测量,相位差,载波相位测量原理,观测值 整周

10、计数 整周未知数（整周模糊度）,载波相位观测值,5.3伪载波测量,载波相位测量的特点,优点 精度高，测距精度可达0.1mm量级（对C/A码而言精度3m左右，P码约为30cm） 难点 整周未知数问题 整周技术问题,5.3伪载波测量,5.3.2载波相位测量的观测方程,设在GPS标准时刻Ta（卫星钟时刻ta）卫星Sj发射的载波信号相位为（ta），经传播延迟后，在GPS标准时刻Tb（接收机钟时刻tb）到达接收机。 根据电磁波传播原理， Tb时接收到的和Ta时发射时的相位不变，即j（Tb） = j（ta） 在Tb 时，载波相位观测量为： = （tb）- j（Tb） = （tb）- j（ta）,5.3伪载

11、波测量,载波相位测量的观测方程（续）,考虑卫星钟差和接收机钟差，有Ta =ta+ta , Tb =tb+tb , 则： = （Tb - tb）- j（ Ta - ta ） (5-12) 载波信号的相位与频率的关系为: （t +t）= （t）+f t （5-13） 因此，公式（5-12）可写为： = （Tb ）-fi tb- j（Ta ）+ f j ta (5-14),5.3伪载波测量,载波相位测量的观测方程（续）,fi =f j =f Tb =Ta + ，由公式(5-13)得： （Tb）= j（Ta）+f 所以，公式(5-14)可改写为： = j（Ta）+f -f tb- j（Ta ）+ f

12、ta = f -f tb+ f ta (5-15),5.3伪载波测量,载波相位测量的观测方程（续）,传播延迟中考虑电离层和对流层的影响1和2 ，则： 代入公式（5-15），得：,5.3伪载波测量,(5-17),载波相位测量的观测方程,f：接收机产生的固定参考频率 c: 光速 ：卫星至接收机之间的距离（未知数）,1：电离层影响 2：对流层影响 ta ：卫星钟差 tb ：接收机钟差（未知数）,接收机 k 对卫星 j 的载波相位测量的观测方程：,5.3伪载波测量,(5-18),伪距测量与载波相位测量的观测方程的联系,由于=c/f，则：,所以，得,5.3伪载波测量,5.3.3整周未知数N0的确定,静态

13、方法 动态方法,5.3伪载波测量,静态法,伪距法 经典方法 多普勒法 快速确定法,需要对GPS卫星的静态观测来实现,5.3伪载波测量,1、伪距法,将载波相位测量的观测值(化为以距离为单位)减去伪距实际观测值后即可得到No。 由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的No取平均值后才能获得正确的整波段数。,5.3伪载波测量,所以，得,2、经典方法,将整周未知数当做平差中的待定参数,整数解 实数解,5.3伪载波测量,经典方法整数解,短基线定位时一般采用这种方法。 具体步骤： 首先根据卫星位置和修复了周跳后的相位观测值进行平差计算，求得基线向量和整周未知数。 解得的整周未知数是一个实数，将其固定为整数(

14、四舍五入法)，并重新进行平差计算。 在计算中整周未知数采用整周值并视为已知数，以求得基线向量的最后值。,5.3伪载波测量,经典方法实数解,基线较长时采用这种方法。 具体步骤类似整数解方法，区别在于解得的整周未知数是一个实数。,5.3伪载波测量,经典方法的不足,采用经典方法时，需要较长的观测时间，影响了作业效率，所以只有在高精度定位领域中才应用,5.3伪载波测量,3、多普勒法（三差法）,由于连续跟踪的所有载波相位观测值中均含有相同的整周未知数N0，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就可消去N0，从而解出坐标。然后再根据坐标值求解N0 。,5.3伪载波测量,多普勒法（三差法）,tm时刻卫星Sj

15、到k接收机的相位差：,tn时刻卫星Sj到k接收机的相位差：,(1),(2),公式（1）-（2），即可消除N0,5.3伪载波测量,多普勒法（三差法）（续）,两个历元间的载波相位观测值之差受接收机钟及卫星钟的随机误差影响，所以精度不太好，往往用来求整周数的初始值。,5.3伪载波测量,4、快速确定整周未知数法,1990年EFrei和GBeutler提出 基本思路： 利用初始平差的解向量及其精度信息，以参数估计和统计假设检验为基础，确定在某一置信区间内N0的可能的整数解的组合； 依次将N0的每一组合作为已知值，重复进行平差计算。使估值的验后平差或方差和为最小的一组N0 ，即为最佳估值。,5.3伪载波测量,快速确定整周未知数法（续）,利用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只须观测一分钟即可确定整周未知数 此方法已在快速静态定位中得到了广泛应用,5.3伪载波测量,静态法的不足,使用静态方法时，一旦对所测卫星失锁，则接收机载体必须停下来，重新确定整周未知数，严重限制了载波相位观测法在高精度动态定位中的有效应用。,5.3伪载波测量,动态初始化法,1993年徕卡公司开发成功 基本思想： 根据接收机在运动过程中对载波信号的短时间观测值，与参考站的同步观测值一起，利