2022年GPS测量基本原理.docx

精品学习资源1> 概述测量学中有测距交会确定点位的方法； 与其相像， 无线电导航定位系统、 卫星激光测距定位系统，其定位原理也是利用测距交会的原理定位；就无线电导航定位来说， 设想在地面上有三个无线电发射台， 其坐标为已知， 用户接收机在某一时刻接受无线电测距的方法分别测得了接收机至三个发射台的距离 d1，d2，d3；只需以三个发射台为球心，以 d1，d2，d3 为半径作出三个定位球面，即可交会出用户接收机的空间位置； 假如只有两个无线电发射台的话， 就可依据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置； 这种无线电导航定位系统是迄今为止仍在使用的飞机船舶的的中导航定位方法；近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了测距交会定位的原理 和方法；虽然用于测距的卫星外表安装有激光反射镜是在不停的运动中，但总可以利用固定于地面上三个已知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至 卫星的距离 d1，d2，d3，应用测距交会的原理便可确定该时刻卫星的空间位置；如此，可以确定三可以上卫星的空间位置；假如第四个地面点上坐标未知也有一台卫星测距仪同时参与了测定改点到三颗卫星的空间距离，就利用所测定的三个空间距离可交会出该地面点的空间位置；将无线电信号发射台从地面搬到卫星上， 组成一颗卫星导航定位系统， 应用无线电测距交会的原理， 便可利用三个以上地面已知点 把握站 交会处卫星的位置，反之利用三颗以上的卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点 用户接收机的位置；这便是 GPS卫星定位的基本原理；GPS卫星发射测距信号和导航电文， 导航电文中含有卫星的位置信息； 用户用 GPS接收机在某一时刻同时接收三个以上的GPS卫星信号，测量出测站点接收机天线中心 P 至三颗以上 GPS卫星的距离并解算出该时刻 GPS 卫星的空间位置坐标， 据此利用距离交会法解算出测站 P 的位置坐标， 如以下图所示， 设在时刻 t i 在在测站 P 用 GPS接收机同时测出 P点至三颗 GPS卫星的距离 1，2， 3，通过 GPS 电文说明出该时刻三颗 GPS 卫星的三维坐标分别为， ，；用距离交会的方法求解出点的三维坐标， ，的观测方程为欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源12（ XX 1）2（ Y -Y 1）2ZZ12欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源22（ XX 2）232（ XX 3）2（ Y -（ Y -Y 2）2Y 3）2 ZZ 2 2 ZZ 3 2欢迎下载精品学习资源在定位中，卫星是高速运动的卫星，其坐标随时间在快速变化着，需要实时地由卫星信号测量测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电文解算出卫星的坐标值，并标定测站点的定位，依据测距的原理，其定位原理与方法主要由伪距法定位， 载波相位测量定位以及差分定位等， 对于待定点来说，依据其运动状态可以将定位分为静态定位和动态定位；静态定位指的是对于固定不动的待定点， 将接收机安置于其上， 观测数分钟乃至更长的时间，以确定该点的三维坐标， 又叫确定定位， 假设以两台接收机分别置于两个不同的固定不动的待定点上， 就通过确定时间的观测， 可以确定两个待定点之间的相对位置， 又叫相对定位； 而动态定位就至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻观测历元运动中的接收机的点位确定点位 或相对定位利用接收到的卫星信号测距码或载波相位，均可进行静态定位；实际应用中，为了减弱卫星的轨道误差、 卫星钟差、 接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差的影响常接受载波相位观测值的各种线性组合 即差分值作为观测值， 获得两点之间高精度的GPS基线向量即坐标差；2> 伪距测量伪距法定位是由 GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知点的卫星位置，接受距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标；所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达接收机的传播时间乘以光速所得的量测距离； 由于卫星钟、接收机钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的推迟，实际测出的距离 与卫星到接收机的几何距离有确定的差距，因此一般称量测出的距离为伪距；用C/A 码进行测量的伪距为 C/A 码伪距，用 P 码测量出来的伪距为 P 码伪距；伪距法定位虽然一次定位精度不高P 码定位误差欢迎下载精品学习资源约为 10cm，C/A 码定位误差为 2030m，但因其有定位速度快，且无多值性问题等优点，仍然是GPS 定位系统进行导航的最基本的方法；同时，所测伪距又可以作为载波相位测量中解决整波数不确定性问题模糊度的帮忙资料；因此， 有必要明白伪距测量以及伪距法定位的基本原理；2.1 伪距测量GPS卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码， 该测距码经过时间的传播后的到达接收机； 接收机在自己的时钟把握下产生一组结构完全相同的测距码复制码，并通过时延器使其推迟时间将这两组测距码进行相关处理，假 设自相关系数 R 1，就连续调整推迟时间 直至自相关系数 R =1 为止；使接收机所产生的复制码与接收到的GPS 卫星测距码完全对齐，那么其推迟时间 即为 GPS卫星信号从卫星传播到接收机所用的时间；GPS 卫星信号的传播时一种无线电信号的传播，其速度等于光速c，卫星至接收机的距离即为 与 c 的乘积；为什么接受码相关技术来确定伪距呢？GPS卫星发射出的测距码是依据某一规律排列的， 在一个周期内每个码对应某一特定的时间； 应当说识别出每一个码的形状特点， 即用每个码的某一标志推算出时延值进行伪距测量； 但实际上每个码在产生过程中都带有随机误差，并且信号经过长距离传播后也会产生在自相关系数R =MAX的情形下来确定信号的传播时间； 这样就排除了随机误差的影响， 实质上就是接受了多个码特点来确定的方法； 由于测距码和复制码在产生的过程中均不行防止地带有误差，而且测距码在传播过程中仍会由于各种外界干扰而产生形变，因而自相关系数往往不行防止地带有误差， 而其自相关系数不行能到达 “1”，只能在自相关系数为最大的情形下来确定伪距， 也就是本地码和接收码基本上对齐了；这样可以最大幅度地排除各种随机误差的影响，以到达提高精度的目的；测定自相关系数 R 的工作由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成；如以下图由卫星钟把握的测距码t在 GPS 时间 t 时刻防卫星天线发出，经传播推迟到达 GPS 接收机，接收机所接收到的信号为 t-；由接收机钟把握的本地码发生器产生一个与卫星发播相同的本地码t+ t， t 为接收机钟与卫星钟的钟差；经过码移位电路将本地码推迟，送至相关器与欢迎下载精品学习资源所接收到的卫星发播信号进行相关运算， 经过积分器后， 即可得到自相关系数 R 输出：伪距测量原理图调整本地码推迟 ，可使相关输出到达最大值欢迎下载精品学习资源R t Rmax t 1欢迎下载精品学习资源ttt可得tnT ctn2欢迎下载精品学习资源R1TTtttdt式中： 为伪距测量值，为卫星到接收机的几何距离，T 为测距码的周期， =cT 为相应测距码的波长， n=0,1,2,3是整数值， c 为信号传播速度；式2中即为伪距测量的基本方程；式中n称为测距模糊度；假如已知欢迎下载精品学习资源待测距离小于测距码的波长如用P 码测距，就 n=0，具有 = +ct3称为无模糊度测距；由式 3可知，伪距观测值的待测距离与钟差等效距离之和；钟差t欢迎下载精品学习资源包含接收机钟差t k与卫星钟差t j ，即t=- t +t j ，假设考虑到信号传播经欢迎下载精品学习资源k电离层和大气对流层的推迟，就 3式改写为：欢迎下载精品学习资源12c tkc t j4欢迎下载精品学习资源4式即为所测伪距与真正的几何距离之间的关系式；式中1 ，2 分别欢迎下载精品学习资源为电离层和对流层的改正项；号；t k的下标表示接收机号，t j 的上标 j 表示卫星欢迎下载精品学习资源2.2 伪距定位观测方程j从4式中可以看出， 电离层和对流层改正可以依据确定的模型进行运算，欢迎下载精品学习资源卫星钟差t 可以自导航电文中取得；而几何距离与卫星坐标X，Y ，Z与欢迎下载精品学习资源接收机坐标 X，Y， Z之间有如下关系：2XX2YY2ZZ2欢迎下载精品学习资源sss5欢迎下载精品学习资源式中，卫星坐标可依据导航电文求得，所以式中只包含接收机坐标三个未知数；欢迎下载精品学习资源假如将接收机钟差t k也作为未知数， 就共有四个未知数， 接收机必需同时欢迎下载精品学习资源至少测定四颗卫星的距离才能解算出接收机的三维坐标值；为此，将5式代入4式，有：欢迎下载精品学习资源X jX 2Y jY) 2 Z jZ) 21/ 2c t欢迎下载精品学习资源sssk欢迎下载精品学习资源式中， j=1,2,3；jjj12c t j6欢迎下载精品学习资源式6即为伪距定位的观测方程组；欢迎下载精品学习资源3> 载波相位测量利用测距码进行伪距测量是全球定位系统的基本测距方法；然而由于测距码的码元长度较大，对于一些高精度应用来讲其测距精度仍显得过低无法中意需要；假如观测精度均取至测距码波长的百分之一， 就伪距测量对 P 码而言量测精度为 30cm，对 C/A 码而言为 3m 左右；而假如把载波作为量测信号，由于载波欢迎下载精品学习资源的波长短，L =19cm， L=24cm，所以就可以到达很高的精度；目前的大地型欢迎下载精品学习资源12接收机的载波相位测量精度一般为12mm，有的精度更高；但载波信号是一种周期性的正弦信号， 而相位相关有只能测定不足一个波长的部分， 因而存在着整周期数不确定的问题，使解算过程变得比较复杂；在GPS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， 因而接收到的载波的相位一不在连续，所以在进行载波相位测量以前， 第一要进行解调工作， 设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获得载波， 这一工作称为重建载波， 重建载波一般可以接受两种方法，一种是码相关法， 另一种是平方法； 接受前者， 用户可同时提取测距信号和卫星电文， 但用户必需知道测距码的结构； 接受后者， 用户无须知道测距码的结构， 但只能获得载波信号而无法获得测距码和导航电文；3.1 载波相位测距原理载波相位测量的观测量是 GPS 接收机所接收的卫星载波信号，与接收机本欢迎下载精品学习资源kk振参考信号的相位差相位差， 以 j t 表示 k 接收机在接收机钟面时刻t k 时所欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源接收到的 j 卫星载波信号的相位值，k tk 表示 k 接收机在面钟时刻t k时所产欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源生的本地参考信号的相位值，就k 接收机在接收机钟面时刻取得的相位观测可写为t k时观测 j 卫星所欢迎下载精品学习资源j t t j t kkkkkk7通常的相位或者相位差测量只是测出一周以内的相位值；实际观测中， 假如欢迎下载精品学习资源Nj对整周进行计数，就自某一初始取样时刻t 0以后就可以取得的相位观测值；欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源如以下图，在初始t 0 时刻，测得小于一周的相位差为0 ，其整周数为0 ，欢迎下载精品学习资源此时包含整周数的相位观测值应为：j t N jk000jt N jkk008接收机连续跟踪卫星信号， 不断测定小于一周的相位差t ，并利用整波欢迎下载精品学习资源j计数器记录从t0 到 ti 时间内的整周数变化量Int ，只要卫星S j 从t 到t 之间卫欢迎下载精品学习资源欢迎下载精品学习资源0i星信号没有中断，就初始时刻整周模糊度N0 就为一常数，这样，任一时刻ti 卫欢迎下载精品学习资源星 S j 到 k 接收机的相位差为：j t t j t N jInt kikiki09上式说明， 从第一次开头， 在以后的观测中， 其观测值包括了相位差的小数部分和累计的整周数；载波相位观测原理欢迎下载