GPS原理-第五章 GPS卫星定位基本原理.ppt
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1、第五章第五章 GPS卫星定位基本原理卫星定位基本原理GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量1GPS的基本定位原理:卫星不间断地发送的基本定位原理:卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息,用户接收到自身的星历参数和时间信息,用户接收到这些信息后,经过计算求出接收机的三维这些信息后,经过计算求出接收机的三维位置,三维方向以及运动速度和时间信息。位置,三维方向以及运动速度和时间信息。2GPS定位的方法定位的方法绝对定位绝对定位(单点定位)(单点定位)在地球协议坐标系中,确定观测站相在地球协议坐标系中,确定观测站相对地球质心的位置(认为参考点与地球对地球质心的位置(认为参考点与地球质心相重合)质
2、心相重合)相对定位相对定位 在地球协议坐标系中,确定观测站与某在地球协议坐标系中,确定观测站与某一地面参考点之间的相对位置一地面参考点之间的相对位置按参考点的位置不同分类按参考点的位置不同分类3GPS定位的方法定位的方法按接收机在作业中所处的状态按接收机在作业中所处的状态静态定位静态定位在定位的过程中,接收机的位置是固定在定位的过程中,接收机的位置是固定不动的。不动的。动态定位动态定位在定位的过程中天线处于运动状态在定位的过程中天线处于运动状态4GPS定位的方法定位的方法获得定位结果的时效获得定位结果的时效事后定位事后定位实时定位实时定位观测值类型观测值类型伪距测量伪距测量载波相位测量载波相位
3、测量5GPS观测量观测量根据码相位观测得出的伪距根据码相位观测得出的伪距根据载波相位观测得出的伪距根据载波相位观测得出的伪距由积分多普勒计算得出的伪距差由积分多普勒计算得出的伪距差由干涉法测量得出的时间延迟。由干涉法测量得出的时间延迟。6GPS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75.2 伪距测量伪距测量双程测距双程测距用于电磁用于电磁波测距仪波测距仪单程测距单程测距用于用于GPS测距方法测距方法8码相位观测和载波相位测量码相位观测和载波相位测量码相位观测码相位观测:测量:测量GPS卫星发射
4、的测距卫星发射的测距码信号(码信号(C/A码或码或P码),到达用户接收码),到达用户接收天线的传播时间,因此这种方法,也称天线的传播时间,因此这种方法,也称为时间延迟测量。为时间延迟测量。载波相位测量载波相位测量:是测量接收机接收到的,:是测量接收机接收到的,具有多普勒频移的载波信号,与接收机具有多普勒频移的载波信号,与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。是产生的参考载波信号之间的相位差。是目前最精确的观测方法。目前最精确的观测方法。9为什么叫伪距为什么叫伪距全球定位系统采用全球定位系统采用单程测距单程测距原理,必须原理,必须使卫星钟和接收机钟保持严格同步。使卫星钟和接收机钟保持严格同步。在
5、实践中,不可避免的含有卫星钟和接在实践中,不可避免的含有卫星钟和接收机钟非同步的影响,为了与几何距离收机钟非同步的影响,为了与几何距离相区别,把这种含有钟差影响的距离,相区别,把这种含有钟差影响的距离,通常称为通常称为“伪距伪距”。为简述方便,码相位观测确定的距离,为简述方便,码相位观测确定的距离,称为称为测码伪距测码伪距;由载波相位观测的伪距,;由载波相位观测的伪距,称为称为测相伪距测相伪距。10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11信号传信号传播时间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)
6、传播时间的测定信号传播时间的测定信号传播时间的测定12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13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145.3 载波相位
7、测量载波相位测量 载波相位测量载波相位测量155.3 载波相位测量的基本原理载波相位测量的基本原理理想情况理想情况实际情况实际情况16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17载波相位测量的关键技术载波相位测量的关键技术-重建载波重建载波将非连续的载波信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载波相位测量载波相位测量5.3 载波相位测量载波相位测量18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
8、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19载波相位测量的主要问题载波相位测量的主要问题无法直接进行测量卫星载波信号在传播无法直接进行测量卫星载波信号在传播路线上相位变化的整周数,因存在整周路线上相位变化的整周数,因存在整周不确定性的问题。不确定性的问题。GPS卫星测量受到阻挡、外界噪声的干卫星测量受到阻挡、外界噪声的干扰,还可能产生整周跳变现象。扰,还可能产生整周跳变现象。205.4 绝对定位(单点定位)绝对定位(单点定位)215.4 绝对定位(单点定位)绝对定位(单点定位)绝对定位:利用绝对定位:利用GPS确定用户接收机天线在确
9、定用户接收机天线在WGS-84中的绝对位置。中的绝对位置。基本原理:基本原理:是以是以GPS卫星和用户天线之间的距离卫星和用户天线之间的距离(或距离差)观测量为基础,并根据已知卫星的(或距离差)观测量为基础,并根据已知卫星的瞬时坐标,来确定用户接收机天线所对应的点位。瞬时坐标,来确定用户接收机天线所对应的点位。卫星钟差:可由导航电文给出。接收机钟差:不卫星钟差:可由导航电文给出。接收机钟差:不能确定。因此在一个观测站上,为了实时求解四能确定。因此在一个观测站上,为了实时求解四个位置参数(个位置参数(3个点坐标分量和个点坐标分量和1个钟差参数),个钟差参数),至少需要四个同步伪距观测值。至少需要
10、四个同步伪距观测值。225.4 绝对定位(单点定位)绝对定位(单点定位)特点特点优点:一台接收机单独定位,观测简单,可瞬优点:一台接收机单独定位,观测简单,可瞬时定位时定位缺点:精度主要受系统性偏差的影响,定位精缺点:精度主要受系统性偏差的影响,定位精度低度低应用领域应用领域低精度导航、资源普查、军事、低精度导航、资源普查、军事、.23单点定位的误差源及应对方法单点定位的误差源及应对方法卫星星历卫星星历精密星历精密星历卫星钟差卫星钟差精密钟差精密钟差、地面跟踪地面跟踪电离层延迟电离层延迟双频改正双频改正对流层延迟对流层延迟模型改正模型改正24精密单点定位精密单点定位精密单点定位精密单点定位PP
11、P Precise Point Positioning特点特点主要观测值为载波相位主要观测值为载波相位采用精密的卫星轨道和钟数据采用精密的卫星轨道和钟数据采用复杂的模型采用复杂的模型定位精度定位精度亚分米级亚分米级用途用途全球高精度测量全球高精度测量卫星定轨卫星定轨25观测卫星的几何分布及其对绝对定位精观测卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响度的影响单点定位的精度取决于:所测卫星在空间的几何分布,通常称为卫星分布的几所测卫星在空间的几何分布,通常称为卫星分布的几何图形;何图形;观测量的精度绝对定位的精度评价 采用有关精度因子采用有关精度因子DOP(Dilution of Precision)
12、.根据根据不同的要求,采用不同的精度评价模型和相应的精度因子。不同的要求,采用不同的精度评价模型和相应的精度因子。通常有:通常有:平面位置精度因子平面位置精度因子HDOP(Horizontal DOP).高程精度因子高程精度因子VDOP(Vertical DOP)空间位置精度因子空间位置精度因子PDOP(Position DOP)几何精度因子几何精度因子GDOP(Geometric DOP)接收机钟差精度因子接收机钟差精度因子TGOP(Time DOP)2627美国政府美国政府的的GPS政策政策SPS与与PPSSPS 标准定位服务标准定位服务使用使用C/A码,民用码,民用2DRMS水平水平=1
13、00 m2DRMS垂直垂直=150-170 m2DRMS时间时间=340 nsPPS 精密定位服务精密定位服务可使用可使用P码,军用码,军用2DRMS水平水平=22 m2DRMS垂直垂直=27.7 m2DRMS时间时间=200 ns28美国政府的美国政府的GPS政策政策SA技术技术(1990.3.252000.5.1)Selective Availability 选择可用性选择可用性人为降低普通用户的测量精度。方法人为降低普通用户的测量精度。方法:技术:降低星历精度(加入随机变化)技术:降低星历精度(加入随机变化)技术:卫星钟加高频抖动技术:卫星钟加高频抖动(短周期,快变化)(短周期,快变化)
14、AS技术技术(1994.1.31至今至今)Anti-Spoofing 反电子欺骗反电子欺骗P码加密,码加密,P+WY29用户措施用户措施建立独立的建立独立的GPS卫星测轨系统卫星测轨系统建立独立的卫星定位系统建立独立的卫星定位系统开发开发GPS与与GLONASS兼容接收机兼容接收机研究与开发差分研究与开发差分GPS定位技术定位技术305.5 相对定位相对定位31概述概述定义定义确定进行同步观测的接收机之间相对位确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法,称为相对定位。置的定位方法,称为相对定位。定位结果定位结果与所用星历同属一坐标系的基线向量与所用星历同属一坐标系的基线向量(坐标差)及其精
15、度信息(坐标差)及其精度信息采用广播星历时属采用广播星历时属WGS-84采用采用IGS International GPS Service精密星历时为精密星历时为ITRF International Terrestrial Reference Frame基线向量中含有:基线向量中含有:2个方位基准(一个个方位基准(一个水平方位,一个垂直方位)和水平方位,一个垂直方位)和1个尺度个尺度基准,不含有位置基准基准,不含有位置基准32概述概述特点特点优点:定位精度高优点:定位精度高缺点:缺点:多台接收共同作业,作业复杂多台接收共同作业,作业复杂数据处理复杂数据处理复杂不能直接获取绝对坐标不能直接获取绝
16、对坐标应用应用高精度测量定位及导航高精度测量定位及导航相对定位相对定位33 GPS相对定位的原理相对定位的原理目前绝对定位的精度可以达到米级,这目前绝对定位的精度可以达到米级,这一精度远远不能满足于大地测量精密定一精度远远不能满足于大地测量精密定位的要求。位的要求。相对定位的最基本情况:利用两台相对定位的最基本情况:利用两台GPS接收机,分别安置在基线的两端,并同接收机,分别安置在基线的两端,并同步观测相同步观测相同的的GPS卫星,以确定基线端卫星,以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。线向量。34为什么要观测同样的卫星为什么要观测同样的卫星在
17、在同步观测卫星的情况下,卫星的轨道同步观测卫星的情况下,卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等,对观测量的层和对流层的折射误差等,对观测量的影响具有一定的相关性,所以利用这些影响具有一定的相关性,所以利用这些观测量的不同组合,进行相对定位,便观测量的不同组合,进行相对定位,便可消除或减弱上述误差的影响,从而提可消除或减弱上述误差的影响,从而提高相对定位的精度。高相对定位的精度。35同步观测是生产基线向量的工艺同步观测是生产基线向量的工艺相对定位至少需要使用两台(多则不限)接收机同相对定位至少需要使用两台(多则不限)接收机同步观测,观
18、测处理后的成果是基线向量。步观测,观测处理后的成果是基线向量。观测中要求各接收机的采样率一致,也是时间同步观测中要求各接收机的采样率一致,也是时间同步的体现。的体现。BA36各种误差对相对定位结果的影响各种误差对相对定位结果的影响卫星轨道误差卫星轨道误差 削弱削弱卫星钟差卫星钟差 消除消除大气折射误差大气折射误差 削弱削弱接收机钟差接收机钟差 消除消除接收机天线相位中心偏差和变化接收机天线相位中心偏差和变化 消除消除37相对定位的类型相对定位的类型静态定位静态定位普通静态定位普通静态定位快速静态定位快速静态定位Go and Stop快速确定整周未知数快速确定整周未知数动态定位动态定位动态定位中
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- GPS原理-第五章 GPS卫星定位基本原理 GPS 原理 第五 卫星 定位 基本原理
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