武大GPS定位原理概要.pptx

《武大GPS定位原理概要.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《武大GPS定位原理概要.pptx（69页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、11.GPS定位测量概述2.伪距测量3.载波相位测量4.差分GPS定位测量5.周跳探测6.整周模糊度的确定内容概述第1页/共69页2GPS定位测量的分类（1）静态定位与动态定位（2）单点定位和相对定位（3）主动式测距和被动式测距（4）用GPS定位的基本方法1.GPS定位测量概述第2页/共69页3GPS的定位实质：把卫星视为“动态”的控制点，在已知其瞬时坐标的条件下，进行空间距离后方交会，确定用户接收机天线所处的位置。第3页/共69页4定位方式：v按接收机天线所处的状态不同（1）静态定位（2）动态定位v按参考点位置的不同（1）单点定位（2）相对定位。第4页/共69页5静态定位GPS接收机在进行定

2、位时，待定点的位置相对其周围的点位没有发生变化，其天线位置处于固定不动的静止状态。第5页/共69页6在定位过程中，接收机位于运动着的载体，天线也处于运动状态的定位。动态定位按照接收机载体的运动速度（1）低动态（几十米/秒）（2）中等动态（几百米/秒）（3）高动态（几千米/秒）第6页/共69页7（1）静态定位与动态定位静态定位与动态定位的不同点静态定位 可靠性强，定位精度高，在大地测量、工程测量中得到了广泛的应用，是精密定位中的基本模式。动态定位 可测定一个动点的实时位置、运动载体的状态参数。如速度、时间和方位等。第7页/共69页8（2）单点定位与相对定位在一个测站上同步观测4个伪距观测值，求解

3、出4个未知参数（3个点位坐标分量和1个钟差系数）。单点定位第8页/共69页9采用两台以上的接收机同步观测相同的GPS卫星，以确定接收机天线间的相互位置关系的一种方法。（2）单点定位与相对定位相对定位（差分定位）优点：优点：获得较高的精度获得较高的精度缺点：缺点：增加了外业组织和实施难度增加了外业组织和实施难度第9页/共69页10（3）主动式测距与被动式测距主动式测距（双程测距）用电磁波测距仪发射测距信号，通过反射器反射回来，再由测距仪接收。根据测距信号的传播时间求解距离。第10页/共69页11只要求仪器钟自身能在信号往、返时间段中保持稳定，不影响测距精度。（3）主动式测距与被动式测距主动式测距

4、的优点主动式测距的缺点用户须发射信号，因而难以隐蔽自己。对军事用户十分不利。第11页/共69页12（3）主动式测距与被动式测距被动式测距（单程测距）发射站在规定时刻内准确发出信号，用户根据自己的时钟记录信号到达时间，根据时差t求解距离。第12页/共69页13（3）主动式测距与被动式测距用户无需发射信号，便于隐蔽自己；所需装置也较简单，仅接收设备即可。被动式测距的优点被动式测距的缺点接收机钟和各卫星钟不能与GPS时间系统保持绝对同步，由此所引起的钟差对测距带来了影响。第13页/共69页14（4）GPS定位的基本方法卫星射电干涉测量多普勒定位法伪距定位法载波相位测量第14页/共69页15卫星射电干

5、涉测量利用GPS卫星射电信号具有白噪声的特性，由两个测站同时观测一颗GPS卫星，通过测量这颗卫星的射电信号到达两个测站的时间差，可以求得站间距离。射电，即射电天文学，是通过观测天体的无线电波来研究天文现象的一门学科。由于地球大气的阻拦，从天体来的无线电波只有波长约1毫米到30米左右的才能到达地面，迄今为止，绝大部分的射电天文研究都是在这个波段内进行的。射电天文学以无线电接收技术为观测手段，观测的对象遍及所有天体：从近处的太阳系天体到银河系中的各种对象，直到极其遥远的银河系以外的目标。白噪声是指在较宽的频率范围内，各等带宽的频带所含的噪声能量相等的噪声。第15页/共69页16卫星射电干涉测量GP

6、S卫星的信号强度比类星体的信号强度大10万倍，利用GPS卫星射电信号具有白噪声的特性，由两个测站同时观测一颗GPS卫星，通过测量这颗卫星的射电信号到达两个测站的时间差，可以求得站间距离。由于在进行干涉测量时，只把GPS卫星信号当作噪声信号来使用，因而无需了解信号的结构，所以这种方法对于无法获得P码的用户是很有引引力的。其模型与在接收机间求一次差的载波相位测量定位模型十分相似。第16页/共69页17多普勒定位法 多普勒效应是多普勒效应是19421942年奥地利物理学家多普勒首先发现的。它的具年奥地利物理学家多普勒首先发现的。它的具体内容是：体内容是：当波源与观测者做相对运动时，观测者接收到的信号

7、频率与波当波源与观测者做相对运动时，观测者接收到的信号频率与波源发射的信号频率不相同。这种由于波源相对与观测者运动而引起源发射的信号频率不相同。这种由于波源相对与观测者运动而引起的信号频率的移动称为多普勒频移，其现象称为多普勒效应。的信号频率的移动称为多普勒频移，其现象称为多普勒效应。根据多普勒效应原理，利用GPS卫星较高的发射频率，由积分多普勒记数得出伪距差。当采用积分多普勒记数法进行测量时，所需观测时间一般较常（数小时），同时，在观测过程中接收机的震荡器要求保持高度稳定。第17页/共69页18伪距定位法在某一瞬间利用GPS接收机同时测定至少四颗卫星的伪距，根据已知的卫星位置和伪距观测值，采

8、用距离交会法求出接收机的三维坐标和时钟改正数。基本原理第18页/共69页19伪距定位法的优点一次位的精度并不高，但定位速度快，经几小时的定位也可达米级。若再增加观测时间，精度还可以提高。（3）伪距定位法第19页/共69页20载波相位测量把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度。通过测量载波的相位而求得接收机到GPS卫星的距离。第20页/共69页212.伪距法定位导航定位的最基本方法优越性v速度快、无多值性问题，利用增加观测时间可以提高定位精度v虽然测量定位精度低，但足以满足部分用户的需要。第21页/共69页22（1）伪距测量概述（2）测定伪距的方法（3）伪距法定位的原理（4）伪

9、距法定位的计算（5）伪距定位法的应用2.伪距法定位第22页/共69页23（1）GPS伪距测量概述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颗以上的GPS卫星信号，测量出测站点（接收机天线中心）至三颗以上GPS卫星的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间坐标，利用距离交会解算出P点位置。第23页/共69页24（2）测定伪距的方法将测距码和数据码调制到载波上由卫星发射机将调制信号发出接收机收到测距码接收机产生复制码测距码和复制码作相关处理第24页/共69页25由时延器测定出两信号间的时间延迟。（2）测定伪距的方法 在理想的情况下，时间延迟等于

10、卫星信号的传播时间。将乘以光速c，就可以求得卫星至接收机的距离。第25页/共69页26（2）测定伪距的方法卫星钟和接收机钟不完全同步自相关系数最大条件下求得的时延和真空中光速c的乘积含有误差，这个乘积就称为伪距以伪距作基本观测量定位的方法伪距法定位第26页/共69页27（3）伪距法定位的原理列出实际距离与卫星坐标和接收机坐标的关系（x、y、z）（X、Y、Z）卫星坐标接收机坐标第27页/共69页28（3）伪距法定位的原理卫星坐标可以根据收到的卫星电文求得，再对三颗卫星同时进行伪距测量，可以求出接收机的位置。第28页/共69页29对流层折射延迟改正电离层折射延迟改正接收机钟的改正数卫星钟的改正数信

11、号离开卫星的时刻（由卫星钟测定）信号到达接收机的时刻（由接收机钟测定）第29页/共69页30实际应用中将接收机的钟差vta也视作未知数，建立数学模型。当方程式的个数大于4时，可用最小二乘法求解（X，Y，Z）和vta的最或是值。（3）伪距法定位的原理第30页/共69页31伪距测量的误差方程第31页/共69页32（4）伪距法定位的计算由伪距表达式写出误差方程根据最小二乘原理求解得给出测站坐标初始值，进行迭代计算，可获得满意结果。第32页/共69页333.载波相位测量 伪距以测距码作为量测信号，因测距码的波长较长，难以达到较高的精度。而载波相位测量不使用测距码信号，不受测距码控制，属于非测距码测量系

12、统。载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定起不足一个波长的小数部分，无法测定起正波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使得解算过程复杂化。第33页/共69页343.载波相位测量将测距码和数据码调制到载波上由卫星发射机将调制信号发出接收机解调出纯净的载波信号接收机产生基准信号载波信号和基准信号求相位差第34页/共69页353.载波相位测量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。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第35页/共69页363.载波相位测量载波相位测量的关键技术重建载波码相关法码相关法方法：将所接收到的调制信号（卫

13、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）第36页/共69页373.载波相位测量载波相位测量的关键技术重建载波平方法方法：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）平方法第37页/共69页383.载波相位测量载波相位测量的关键技术重建载波互相关（交叉相关）方法在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距

14、差和相位差技术要点不同频率的卫星信号（弱）进行相关。特点优点：无需了Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）第38页/共69页39载波相位测量的关键技术重建载波Z跟踪方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相关处理。在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进行相关。特点优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了14dB）3.载波相位测量第39页/共69页403.载波相位测量理想情况实际情况第40页/共69页413.载波相位测量载波相位观测值观

15、测值整周计数整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值第41页/共69页423.载波相位测量载波相位测量的观测方程原始形式：线性化后：误差方程为：第42页/共69页433.载波相位测量载波相位测量的特点优点精度高，测距精度可达0.1mm量级难点整周未知数问题整周跳变问题第43页/共69页444.差分GPS定位测量作为已知量的卫星位置，其误差远比相位观测值误差大，加之大气延迟改正的精度也难以与相位观测的精度匹配，所以在相对定位中常采用差分法解决这些问题。n按差分方式可分为:站间差分星间差分历元间差分n按差分次数可分为：一次差二次差三次差第44页/共69页454.差分GPS定位测量差分观测值的定义将相

16、同频率的GPS载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值（虚拟观测值）差分观测值的特点可以消去某些不重要的参数，或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其影响求差方式站间求差卫星间求差历元间求差第45页/共69页464.差分GPS定位测量与接收机无关与卫星无关空间相关性强空间相关性强不随时间变化原始载波相位观测值第46页/共69页474.差分GPS定位测量站间求差（站间差分）求差方式同步观测值在接收机间求差数学形式特点消除了卫星钟差影响削弱了电离层折射影响削弱了对流层折射影响削弱了卫星轨道误差的影响第47页/共69页484.差分GPS定位测量星间求差（星间差分）求差方式同

17、步观测值在卫星间求差数学形式特点消除了接收机钟差的影响第48页/共69页494.差分GPS定位测量历元间求差（历元间差分）差分方式观测值在间历元求差数学形式特点消去了整周未知数参数第49页/共69页504.差分GPS定位测量单差、双差和三差单差：站间一次差分双差：站间、星间各求一次差（共两次差）三差：站间、星间和历元间各求一次差（三次差）单差双差三差第50页/共69页514.差分GPS定位测量采用差分观测值的缺陷（求差法的缺陷）数据利用率低只有同步数据才能进行差分引入基线矢量替代了位置矢量差分观测值间具有了相关性，使处理问题复杂化参数估计时，观测值的权阵某些参数无法求出某些信息在差分观测值中被

18、消除第51页/共69页525.整周模糊度的确定和周跳探测（1）整周跳变（周跳CycleSlips）在某一特定时刻的载波相位观测值为如果在观测过程接收机保持对卫星信号的连续跟踪，则整周模糊度将保持不变，整周计数也将保持连续，但当由于某种原因使接收机无法保持对卫星信号的连续跟踪时，在卫星信号重新被锁定后，将发生变化，而也不会与前面的值保持连续，这一现象称为整周跳变。周跳T 第52页/共69页53产生周跳的原因信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪仪器故障，导致差频信号无法产生卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机无法正确跟踪卫星信号卫星瞬时故障，无法产生信号第

19、53页/共69页54周跳的特点只影响整周计数周跳为波长的整数倍将影响从周跳发生时刻（历元）之后的所有观测值周跳T 周跳将使周跳发生后的所有观测值包含相同的整周计数错误第54页/共69页55解决周跳问题的方法探测与修复设法找出周跳发生的时间和大小参数法将周跳标记出来，引入周跳参数，进行解算第55页/共69页56周跳的探测、修复方法屏幕扫描法方法：人工在屏幕上观察观测值曲线的变化是否连续。特点费时、只能发现大周跳。由于原始的载波观测值变化很快，通常观察的是某种观测值的组合，如。第56页/共69页57周跳的探测、修复方法高次差法由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载波相位测量的观测值N0+Int

20、()+Fr()也随时间在不断变化。但这种变化应是有规律的，平滑的。周跳将破坏这种规律性。对于GPS卫星而言，当求至四次差时，其值已趋向于零。残留的四次差主要是由接收机的钟误差等因素引起的。第57页/共69页58高次差法的问题即使发现相位观测值中存在数周的不规则变化，也很难判断是否存在周跳。所以双差观测值被广泛采用。周跳的探测、修复方法第58页/共69页59周跳的探测、修复方法多项式拟合法：为了便于用计算机计算，常采用多项式拟合的方法。即根据n个相位测量观测值拟合一个n阶多项式，据此多项式来预估下一个观测值并与实测值比较，从而来发现周跳并修正整周计数。这种方法实质上和上面介绍的高次差法是相像的，

21、但便于计算。第59页/共69页60周跳的探测、修复方法多项式拟合法的应用特点由于四次差或五次差一般巳呈偶然误差特性，无法再用函数来加以拟合，所以用多项式拟合时通常也只需取至45阶即可。观测值可以是真正的（非差）相位观测值，也可以是经线性组合后的虚拟观测值：单差观测值和双差观测值。第60页/共69页61周跳的探测、修复方法MW观测值法第61页/共69页62周跳的探测、修复方法残差法方法根据平差后的残差，进行周跳的探测与修复特点可以发现小周跳载波相位双差观测值的残差图第62页/共69页636.整周模糊度的确定整周未知数（整周模糊度Ambiguity）第63页/共69页646.整周模糊度的确定（1）

22、伪距法在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值（化为以距离为单位）即可得*N0.但由于伪距测量精度较低，所以有较多*N0，取平均值后才能获得正确整波段数。第64页/共69页656.整周模糊度的确定（2）把整周未知数当做平差中的待定参数把整周未知数当做平差计算中的待定参数加以估计和确定有两种方法。整数解整周未知数理论上讲是一个整数，利用这一特性能提高解得精度。短基线一般采用这种方法。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。由于各种误差的影响，求得整周未知数一般不是整数，称为实数解，将其固定为整数（四舍五入），重新进行

23、平差计算，本次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。第65页/共69页666.整周模糊度的确定（2）把整周未知数当做平差中的待定参数实数解基线较长时，误差相关性降低，许多误差消除得不够完善。此时求得整周未知数不再固定为一个整数。实数解就是最后解。利用该法解算整周未知数时，为正确求得参数，往往需要一个小时甚至更长时间，影响作业效率，只有在高精度领域中才应用。第66页/共69页676.整周模糊度的确定（3）多普勒法（三差法）连续跟踪的所有载波相位测量观测值中含有相同的整周未知数，将相邻两个观测历元的载波相位相减，就消去未知参数，从而直接解出坐标值。两个历元之间的载波相位观

24、测值之差受到此期间接收机及卫星钟差的随机性影响，精度不太好，往往用来解算未知参数的初始值。（4）快速确定整周未知数法1990年E.Frei和G.Beutler提出了利用快速模糊度（整周未知数）解算法进行快速定位的方法。利用该法进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟即可成功确定整周未知数。第67页/共69页686.整周模糊度的确定其基本思想是：利用初始平差的解向量（接收机点的坐标及整周未知数的实数解）及其精度信息（单位权中误差和协方差阵），以数理统计理论的参数估计和统计假设检验为基础，确定在某一置信区间整周未知数可能整数解的组合，依次将整周未知数的每一组合作为已知值，重复进行平差计算，最后使估值的验后方差或方差和最小的一组整周未知数，即为整周未知数的最佳估值。在基线长度小于15km时，根据数分钟的观测结果，便可精确确定整周未知数的最佳估值，使相对定位精度达到厘米级。第68页/共69页69感谢您的观看！第69页/共69页