GPS测量原理及应用5-GPS卫星定位基本原理_精品文档.ppt

1、*1第五章第五章GPSGPS卫星卫星定位定位基本原理基本原理详细介绍利用详细介绍利用GPS进行伪距测量和载波相位测量的原理。并进行伪距测量和载波相位测量的原理。并介绍介绍GPS绝对定位和相对定位的方法。绝对定位和相对定位的方法。*21GPS定位的方法定位的方法*3一、概述一、概述1、定位原理：、定位原理：测距交会测距交会2、进行定位的两个条件：、进行定位的两个条件：测距信号测距信号导航电文导航电文利用测距信号确定站星距离利用测距信号确定站星距离利用导航电文确定卫星位置利用导航电文确定卫星位置GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述*4一、概述一、概述一个站星距离一个站星距离测站位于以

2、卫星为球心，测站位于以卫星为球心，站星距离为半径的球面站星距离为半径的球面上上GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述*5一、概述一、概述两个站星距离两个站星距离作两个球面作两个球面两个球面相交为圆两个球面相交为圆测站位于圆圈上测站位于圆圈上GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述*6一、概述一、概述三个站星距离三个站星距离作三个球面作三个球面三个球面两两相交于两三个球面两两相交于两点点测站位于其中一点测站位于其中一点GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述*7一、概述一、概述GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会单点定位方法的实质是空间距离后方交会一个站星距

3、离一个站星距离=球面球面两个站星距离两个站星距离=圆圆三个站星距离三个站星距离=两点两点三个站星距离三个站星距离+地球地球=一点一点GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述*8一、概述一、概述GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述*9二、定位方法的分类二、定位方法的分类1、按照参考点的不同位置分：、按照参考点的不同位置分：绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位）相对定位相对定位2、按用户接收机在作业中所处状态分：、按用户接收机在作业中所处状态分：静态定位静态定位动态定位动态定位另外在绝对定位和相对定位中，又都包含静态与另外在绝对定位和相对定位中，又都包含静态与动态两种形式

4、。动态两种形式。GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量定位方法的分类定位方法的分类*10二、定位方法的分类二、定位方法的分类3、按照测距原理分：、按照测距原理分：伪距法定位伪距法定位载波相位测量定位载波相位测量定位GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量定位方法的分类定位方法的分类*112伪距伪距测量测量*12伪距法定位是导航及低精度测量中所用的一种定伪距法定位是导航及低精度测量中所用的一种定位方法。它具有速度快、无多值性问题等优点，位方法。它具有速度快、无多值性问题等优点，其精度已足以满足部分用户的需要。同时，在进其精度已足以满足部分用户的需要。同时，在进行载波相位测量时，精确的伪距测

5、量资料也是极行载波相位测量时，精确的伪距测量资料也是极有用的辅助资料，有助于解决整周模糊度等问题。有用的辅助资料，有助于解决整周模糊度等问题。*13一、伪距测量一、伪距测量1.如何进行伪距测量？如何进行伪距测量？测距码测距码复制码复制码时间延迟时间延迟自相关系数自相关系数伪距伪距*14（1）为什么要用码相关法测定伪距？）为什么要用码相关法测定伪距？测距码看起来是杂乱无章的，其实是按照某一规测距码看起来是杂乱无章的，其实是按照某一规律编排的，每个码都对应着某一特定的时间。律编排的，每个码都对应着某一特定的时间。为什么不用测距码的某一个标志来进行伪距测量为什么不用测距码的某一个标志来进行伪距测量呢

6、？呢？每个码在产生的过程中都带有误差，信号经过长每个码在产生的过程中都带有误差，信号经过长距离传送后也会产生变形，因而根据某一标志来距离传送后也会产生变形，因而根据某一标志来进行量测会带来较大误差。进行量测会带来较大误差。*15码相关技术码相关技术R（t）=max，误差：产生码、传送码的变形误差：产生码、传送码的变形参加比对的参加比对的n个标志的传播时间的平均值。个标志的传播时间的平均值。优点：提高精度，消除随机误差。优点：提高精度，消除随机误差。*16（2）自相关系数的测定）自相关系数的测定根据乘法原则，两个幅度根据乘法原则，两个幅度为为1的矩形波相乘后，仍的矩形波相乘后，仍然得到一个幅度为

7、然得到一个幅度为1的矩的矩形波。因此，测距码与复形波。因此，测距码与复制码的自相关系数可以由制码的自相关系数可以由下式表示：下式表示：*17从上面的讨论可以看出从上面的讨论可以看出（1）将接收到的来自卫星的测距码和延迟）将接收到的来自卫星的测距码和延迟后的由接收机所产生的复制码相乘，并在后的由接收机所产生的复制码相乘，并在某一时间间隔某一时间间隔T（Tt0）中进行积分，积分）中进行积分，积分平均值即为平均值即为R（t）。）。（2）不断调整接收机延迟时间至）不断调整接收机延迟时间至R（t）最）最大即可得到信号传播时间。大即可得到信号传播时间。*18（3）如果）如果R（t）值的最大值和最小值相差）

8、值的最大值和最小值相差，而，而R（t）的分辨率是）的分辨率是/M，则两个码序列对齐的精，则两个码序列对齐的精度可达度可达/M个码位，目前个码位，目前M的实际值为的实际值为50-200。（4）测距码为周期性序列，因而自相关系数也具）测距码为周期性序列，因而自相关系数也具有相同的周期。理论上仍会有多值问题。有相同的周期。理论上仍会有多值问题。*192、用测距码测定伪距的原因、用测距码测定伪距的原因1、易于将微弱的卫星信号提取出来、易于将微弱的卫星信号提取出来2、可提高测距精度、可提高测距精度3、便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理、便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理4、便于对系统进行

9、控制和管理、便于对系统进行控制和管理*203.伪距测量的观测方程伪距测量的观测方程观测值观测值几何距离几何距离观测值与几何距离间的关系观测值与几何距离间的关系假设几个时间参数：假设几个时间参数：信号发射瞬间卫星钟的读数：信号发射瞬间卫星钟的读数：ta但但ta对应正确的标准时应为：对应正确的标准时应为：a信号在正确的标准时信号在正确的标准时b到达接收机到达接收机接收机钟读得的读数为：接收机钟读得的读数为：Tb卫星钟改正数：卫星钟改正数：V ta接收机钟改正数：接收机钟改正数：V Tb*21*22二伪距定位二伪距定位1定位原理定位原理如果卫星钟和接收机钟改正数都精确已知，那么如果卫星钟和接收机钟改

10、正数都精确已知，那么测定了伪距，就等于测定了几何距离。测定了伪距，就等于测定了几何距离。精确已知任一观测瞬间的时钟改正数只有对稳定精确已知任一观测瞬间的时钟改正数只有对稳定度特别好的原子钟才有可能实现。度特别好的原子钟才有可能实现。接收机钟改正数的解决方法接收机钟改正数的解决方法*232计算方法计算方法线性化线性化列出误差方程列出误差方程最小二乘原理求解最小二乘原理求解*24三特殊情况下的定位三特殊情况下的定位加权约束解：不减少观测值的数量，而在求解时加权约束解：不减少观测值的数量，而在求解时给给“已知参数已知参数”以适当的权。允许该参数在以适当的权。允许该参数在“已已知值知值”附近作微小变动

11、，则能加强解的强度，获附近作微小变动，则能加强解的强度，获得较精确的结果。得较精确的结果。高程约束解高程约束解时间约束解时间约束解*253载波相位测量载波相位测量*26一、概述一、概述为了满足高精度定位的需要为了满足高精度定位的需要测距码伪距测量是全球定位系统的基本测距方测距码伪距测量是全球定位系统的基本测距方法。法。测距精度：测距精度：C/A码：码：2.93m码：码：0.293m载波：载波：L1=19cm，L2=24cm测距精度：测距精度：1-2mm载波相位载波相位测量测量概述概述*27一、概述一、概述发自卫星的电磁波信号：信号量测精度优于波长的信号量测精度优于波长的1/100载波波长（载波

12、波长（L1=19cm,L2=24cm)比比C/A码波长码波长 (C/A=293m)短得多短得多所以，所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或码或P码）定位高得多的成果精度码）定位高得多的成果精度L1载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m载波相位载波相位测量测量概述概述*28一、概述一、概述重建载波重建载波：在在GPS信号中，由于已用相位调整的方信号中，由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航电文，法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波的相位已不再连续，因而接

13、收到的载波的相位已不再连续，所以在进行载波相位测量之前，首先要所以在进行载波相位测量之前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载波。这一工作称为重建载波。载波相位载波相位测量测量概述概述*29两种方法：两种方法：码相关法：接收机能够产生结构完全相同的测距码。码相关法：接收机能够产生结构完全相同的测距码。平方法：波形自乘。平方法：波形自乘。*30二、载波相位测量原理二、载波相位测量原理观测量包括两个部分：观测量包括两个部分：相位差的小数部分相位差的小数部分累计的整周数累计

14、的整周数载波相位载波相位测量测量载波相位测量原理载波相位测量原理k kS Sj j(t(t0 0)S Sj j(t(ti i)N N0 0N N0 0INT(INT(i i)i i*31从上面的讨论可以看出：从上面的讨论可以看出：1载波相位测量的实际观测值由整周部分和不足整周载波相位测量的实际观测值由整周部分和不足整周部分组成。首次观测值中整周部分为部分组成。首次观测值中整周部分为0，其余各次，其余各次观测值中整周部分可为正整数，也可为负整数。观测值中整周部分可为正整数，也可为负整数。2只要接收机能保持对卫星信号的连续跟踪而不失锁，只要接收机能保持对卫星信号的连续跟踪而不失锁，那么在每个载波相

15、位测量观测值中都含有相同的那么在每个载波相位测量观测值中都含有相同的整周未知数整周未知数N0，也就是说，每个完整的载波相位，也就是说，每个完整的载波相位观测值观测值=N0+=N0+=N0+int =N0+int（）+Fr+Fr（）*323如果由于某种原因（例如卫星信号被障碍物挡住如果由于某种原因（例如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断）使计数器无法连续计数，那么信号而暂时中断）使计数器无法连续计数，那么信号被重新跟踪后，整周计数中将丢失某一量而变得被重新跟踪后，整周计数中将丢失某一量而变得不正确。而不足一整周的部分不正确。而不足一整周的部分Fr（）由于是）由于是一个瞬时量测值，因而仍是正确的。这种

16、现象叫一个瞬时量测值，因而仍是正确的。这种现象叫做整周跳变（周跳）或（丢失整周）。周跳是数做整周跳变（周跳）或（丢失整周）。周跳是数据处理中令人感到头痛的问题之一。据处理中令人感到头痛的问题之一。*33三、载波相位测量的观测方程三、载波相位测量的观测方程与伪距观测方程相比，主要有三点不同：与伪距观测方程相比，主要有三点不同：一是增加了整周未知数参数；一是增加了整周未知数参数；二是电离层产生的信号延迟符号相反二是电离层产生的信号延迟符号相反(伪距滞后，相位超伪距滞后，相位超前前)；三是相位观测值噪声远小于伪距的观测噪声三是相位观测值噪声远小于伪距的观测噪声载波相位载波相位测量测量载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程*34三、载波相位测量的观测方程三、载波相位测量的观测方程载波相位载波相位测量测量载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程*35四、整周未知数的确定四、整周未知数的确定载波相位载波相位测量测量整周未知数的确定整周未知数的确定Time(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurement1、载波相位观测值