GPS05GPS卫星定位基本原理一解析.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,GPS,原理及应用,上海海洋大学海洋学院,Email:,wshen,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,系统工作流程,卫星位置,卫地距离,影响定位精度,定位,定位方法,空间交会,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,A,B,P,测方交会,前方交会,A,B,P,A,、,B,和,C,点坐标已知，,P,点坐标未知,后方交会,P,C,A,B,5.1,概述,测边（距）交会法,P,C,A,B,d,1,d,2,d,3,两条边可确定,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,r,2,d,1,d,2,d,3,d,4,r,1,r,3,r,4,5.2,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）,d,t,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）,d,T,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,）”：,伪噪声码的真实传播时间,5.2,伪距测量,伪距测量的原理（续）,考虑电离层,/,对流层影响的伪距值：,C,(d,t,d,T,),时钟偏差引起的距离偏差,d,ion,电离层效应引起的距离偏差,d,trop,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,d,T,）。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,。,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,t,k,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,t,k,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,t,k,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,t,0,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,t,i,卫星,S,j,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,T,a,（卫星钟时刻,t,a,）卫星,S,j,发射的载波信号相位为,（,t,a,）,，经传播延迟,后，在,GPS,标准时刻,T,b,（接收机钟时刻,t,b,）到达接收机。,根据电磁波传播原理，,T,b,时接收到的和,T,a,时发射时的相位不变,，即,j,（,T,b,）,=,j,（,t,a,）,在,T,b,时，载波相位观测量为：,=,（,t,b,）,-,j,（,T,b,）,=,（,t,b,）,-,j,（,t,a,）,5.3,伪载波测量,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,T,a,=,t,a,+,t,a,T,b,=,t,b,+,t,b,则：,=,（,T,b,-,t,b,）,-,j,（,T,a,-,t,a,）,(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：,=,（,T,b,）,-,f,i,t,b,-,j,（,T,a,）,+,f,j,t,a,(5-14),5.3,伪载波测量,载波相位测量的观测方程（续）,f,i,=,f,j,=,f,T,b,=,T,a,+,，由公式,(5-13),得：,（,T,b,）,=,j,（,T,a,）,+,f,所以，公式,(5-14),可改写为：,=,j,（,T,a,）,+,f,-,f,t,b,-,j,（,T,a,）,+,f,t,a,=,f,-,f,t,b,+,f,t,a,(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,t,a,：卫星钟差,t,b,：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,N,0,的确定,静态方法,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,N,o,。,由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的,N,o,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,(,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,N,0,，所以将,相邻两个观测历元的载波相位相减,，就可消去,N,0,，从而,解出坐标,。然后再根据,坐标值,求解,N,0,。,5.3,伪载波测量,多普勒法（三差法）,t,m,时刻卫星,S,j,到,k,接收机的相位差：,t,n,时刻卫星,S,j,到,k,接收机的相位差：,(1),(2),公式（,1,）,-,（,2,），即可消除,N,0,5.3,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,E,Frei,和,G,Beutler,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,N,0,的,可能的整数解的组合,；,依次,将,N,0,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,N,0,，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，利用,快速解算法,确定,N,0,。然后利用,逆向求解方法,来确定载体在上述短时间内的瞬时位置。,5.3,伪载波测量,动态初始化法的特点,在载体的运动过程中，所观测的卫星一旦失锁，为确定,整周未知数,，运动载体,不需停下来重新进行初始化,工作。,已在短距离（,10km,）的实时动态相对定位中，得到了成功应用，定位精度可达厘米级。,5.3,伪载波测量,作 业,GPS,卫星定位的基本原理是什么？,在载波相位测量中，确定,整周未知数主要有哪些方法？,重要知识点,理解伪距测量和载波相位测量的观测方程中各项的意义，以及两个观测方程的联系。,