GPSGPS卫星定位基本原理一.pptx

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1、GPS课程学习内容及体系GPSGPS系统组成系统组成卫星的运动和卫星星历卫星的运动和卫星星历GPSGPS信号和观测值信号和观测值定位误差源定位误差源系统工作流程系统工作流程卫星位置卫星位置卫地距离卫地距离影响定位精度影响定位精度定位定位方法空间交会空间交会5.1 概述第1页/共55页交会法确定点位测角交会法测边交会法5.1 概述第2页/共55页测角交会法A AB BP P测方交会测方交会前方交会前方交会A AB BP PA A、B B和和C C点坐标已知，点坐标已知，P P点坐标未知点坐标未知后方交会后方交会P PC CA AB B5.1 概述第3页/共55页测边（距）交会法P PC CA A

2、B Bd d1 1d d2 2d d3 3两条边可确定两条边可确定P P点坐标，为了检核和提高精度，增点坐标，为了检核和提高精度，增加第加第3 3条边条边 无线电导航定位无线电导航定位 卫星激光测距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发射台或激光测距仪无线电接收机或卫星无线电接收机或卫星5.1 概述第4页/共55页GPS卫星定位的基本原理v应用应用测距交会测距交会的原理，利用三颗以上卫星的已的原理，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）知空间位置交会出地面未知点（用户接收机）的位置。的位置。5.1 概述第5页/共55页GPS卫星定位的基本原理观测方程观测方程

3、P P点的三维坐标（点的三维坐标（X X，Y Y，Z Z）5.1 概述第6页/共55页单点定位解算用户位置用户在用户在t t 时元的位置为：时元的位置为：5.1 概述第7页/共55页vv依据依据测距的原理测距的原理划分：划分：1 1）伪距法定位（测码）伪距法定位（测码）2 2）载波相位测量定位（测相）载波相位测量定位（测相）3 3）差分）差分GPSGPS定位定位vv根据待定点的根据待定点的运动状态运动状态划分：划分：1 1）静态定位）静态定位 2 2）动态定位）动态定位 vv根据根据观测方式观测方式 1 1）绝对定位 2 2）相对定位GPS卫星定位方法分类5.1 概述第8页/共55页1）伪距定

4、位与载波相位定位伪距定位伪距定位 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 C/A码：码：29.3m29.3m P P码：码：2.93m2.93mL1L1载波：载波：1.9cm1.9cmL2L2载波：载波：2.4cm2.4cm测距精度比较5.1 概述第9页/共55页2）静态定位和动态定位l 静态定位静态定位：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)l 动态定位动态定位：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 概述第10页/共55页3）绝

5、对定位和相对定位v绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位）：一一台台接接收收机机独独立立确确定定待待定定点点在坐标系中的绝对位置。在坐标系中的绝对位置。v相对定位相对定位：两台（或多台）接收机同步两台（或多台）接收机同步观测观测GPSGPS卫星，确定它们之卫星，确定它们之间的相对位置的方法。间的相对位置的方法。5.1 概述第11页/共55页5.2 伪距测量 伪距：由卫星发射的测距码信号到达由卫星发射的测距码信号到达GPSGPSGPSGPS接收机的接收机的传传播时间播时间 乘以光速乘以光速所得出的所得出的量测距离量测距离。由于。由于各种误差各种误差的存在，与卫星到测站的实际几何距的存在，与卫星到

6、测站的实际几何距离有一定差值。离有一定差值。两种测量值：两种测量值：-C C C CA A A A码伪距码伪距 -P P P P码伪距码伪距第12页/共55页由由GPSGPSGPSGPS接收机在某一时接收机在某一时刻测出到达四颗以上刻测出到达四颗以上GPSGPSGPSGPS卫星的伪距以及已卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用知的卫星位置，采用测测距交会距交会的方法求定接收的方法求定接收机天线所在点的三维坐机天线所在点的三维坐标。标。伪距法定位r2d1d2d3d4r1r3r45.2伪距测量第13页/共55页伪距测量的特点适用于导航和低精度测量（适用于导航和低精度测量（P P码定位误差约为码定位误差

7、约为10m10m，C C/A A码定位误差为码定位误差为202030m30m）；定位速度快；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。（模糊度）的辅助资料。5.2伪距测量第14页/共55页伪距测量的方法卫星卫星发出一个测距码，该测距码经过发出一个测距码，该测距码经过 时间后到达时间后到达接收机；接收机；接收机接收机产生一组产生一组结构完全结构完全相同的测距码相同的测距码复制码，复制码，并通过时延器使其延迟时间并通过时延器使其延迟时间 ；将两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的将两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的自相

8、关系数自相关系数 R R()=1)=1为止，此时，复制码已和测距为止，此时，复制码已和测距码对齐，复制码的延迟时间码对齐，复制码的延迟时间 就等于卫星信号的就等于卫星信号的传播时间传播时间；将将 乘上光速乘上光速c c后即可求得卫星至接收机的伪距。后即可求得卫星至接收机的伪距。5.2伪距测量第15页/共55页为什么利用码相关法测定伪距？vv为什么不利用码的标志来推算时延值？为什么不利用码的标志来推算时延值？随机误差的存在：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。产生时带有随即误差。仅根据

9、测距码中的某一标志来进行量测会带来较大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误差。利用码相关技术在自相关系数R R()=max)=max 的的情况下来确定信号的传播时间情况下来确定信号的传播时间，实质上是采用了，实质上是采用了多多个码特征来确定个码特征来确定 ，排除了随机误差的影响排除了随机误差的影响。5.2伪距测量第16页/共55页伪距测量的原理三种时间系统：三种时间系统：各颗各颗GPSGPS卫星卫星的时间标准的时间标准各台各台GPSGPS信号信号接收接收机的时间标准机的时间标准统一上述时间标准的统一上述时间标准的GPSGPS时间系统时间系统5.2伪距测

10、量第17页/共55页伪距测量的原理（续）伪噪声码从卫星到接伪噪声码从卫星到接收天线的传播时间：收天线的传播时间：伪噪声码从伪噪声码从卫星到卫星到达接收天线达接收天线的时元的时元伪噪声码伪噪声码在其卫在其卫星的发射星的发射时元时元5.2伪距测量第18页/共55页伪距测量的原理（续）d dt t 卫卫星星时时钟钟相相对对于于GPSGPS时时间间系系统统的的时时间间偏差（可根据导航电文求得）偏差（可根据导航电文求得）d dT T 接接收收机机时时钟钟相相对对于于GPSGPS时时间间系系统统的的时时间偏差（接收机钟差）间偏差（接收机钟差）5.2伪距测量第19页/共55页伪距测量的原理（续）卫星到接收天

11、线的真实距离：卫星到接收天线的真实距离：卫星到接收天线的卫星到接收天线的“伪距（伪距（pseudorangepseudorange）”：伪噪声码的真伪噪声码的真实传播时间实传播时间5.2伪距测量第20页/共55页伪距测量的原理（续）考虑电离层考虑电离层/对流层影响的伪距值：对流层影响的伪距值：C C(d(dt t d dT T)时钟偏差引起的距离偏差时钟偏差引起的距离偏差d dionion电离层效应引起的距离偏差电离层效应引起的距离偏差d dtroptrop对流层引起的距离偏差对流层引起的距离偏差5.2伪距测量第21页/共55页伪距测量的原理（续）是卫星在轨位置和用户位置的函数，即：是卫星在轨

12、位置和用户位置的函数，即：第第j j 颗卫星在时元颗卫星在时元t t 的三维的三维坐标，可从导航电文中求得坐标，可从导航电文中求得 用户接收天线在时元用户接收天线在时元t t 的三维的三维坐标，为待求的未知数坐标，为待求的未知数5.2伪距测量第22页/共55页上式中有上式中有4 4个未知数（用户三维坐标和接收机的个未知数（用户三维坐标和接收机的钟差钟差d dT T）。这样在任何一个观测瞬间，用户至）。这样在任何一个观测瞬间，用户至少需要同时观测少需要同时观测4 4颗卫星颗卫星，以便解算，以便解算4 4个未知数。个未知数。伪距测量的基本方程（续）5.2伪距测量第23页/共55页GPSGPS接收机

13、所接收的卫星载接收机所接收的卫星载波信号与接收机本地参考信波信号与接收机本地参考信号的号的相位差相位差。5.3伪载波测量5.3 载波相位测量第24页/共55页重建载波重建载波5.3伪载波测量载波相位测量的关键技术n n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变成了非连续的波伪距测量与载波相位测量第25页/共55页码相关法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

14、高）码相关法重建载波重建载波载波相位测量的关键技术第26页/共55页平方法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）平方法重建载波重建载波载波相位测量的关键技术第27页/共55页5.3.1载波相位测量原理k k 接收机在接收机钟面时刻接收机在接收机钟面时刻t tk k 时观时观测测j j 卫星所取得的相位观测量卫星所取得的相位观测量k k 接收机在接收机在接收机钟面时刻接收机钟面时刻t tk k 时所时所产生的产生的本地参考信号本地参考信号的

15、相位值的相位值k k 接收机在接收机在接收机钟面时刻接收机钟面时刻t tk k 时所时所接收到的接收到的j j 卫星载波信号卫星载波信号的相位值的相位值5.3伪载波测量第28页/共55页初始初始t t0 0时刻时刻，小于一周的相位差为，小于一周的相位差为 0 0，其，其整周数为整周数为 ，则此时的相位观测值为：，则此时的相位观测值为：5.3伪载波测量第29页/共55页 任一时刻任一时刻t ti i卫星卫星S Sj j 到到k k接收机的相位差：接收机的相位差：整周数变化量整周数变化量整周模糊度（常数）整周模糊度（常数）5.3伪载波测量相位差相位差第30页/共55页载波相位测量原理观测值整周计数

16、整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值5.3伪载波测量第31页/共55页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伪载波测量第32页/共55页5.3.2载波相位测量的观测方程设在设在GPSGPS标准时刻标准时刻T Ta a（卫星钟时刻（卫星钟时刻t ta a）卫星）卫星S Sj j发发射的载波信号相位为射的载波信号相位为 （t ta a），经传播延迟，经传播延迟后，后，在在GPSGPS标准时刻标准时刻T Tb b（接收机钟时刻（接收机钟时刻t tb b）到达接）到达接收机。收机。根据电磁波传播原理

17、，根据电磁波传播原理，T Tb b时接收到的和时接收到的和T Ta a时发时发射时的相位不变，即射时的相位不变，即 j j（T Tb b）=j j（t ta a）在在T Tb b 时，载波相位观测量为：时，载波相位观测量为：=（t tb b）-j j（T Tb b）=（t tb b）-j j（t ta a）5.3伪载波测量第33页/共55页载波相位测量的观测方程（续）考虑卫星钟差和接收机钟差，有考虑卫星钟差和接收机钟差，有T Ta a=t ta a+t ta a,T Tb b=t tb b+t tb b,则：则：=（T Tb b-t tb b）-j j（T Ta a-t ta a）(5-12)

18、(5-12)载波信号的相位与频率的关系为载波信号的相位与频率的关系为:（t t+t t）=（t t）+f f t t （5-135-13）因此，公式（因此，公式（5-125-12）可写为：）可写为：=（T Tb b）-f fi i t tb b-j j（T Ta a）+f f j j t ta a(5-14)5.3伪载波测量第34页/共55页载波相位测量的观测方程（续）f fi i =f f j j =f fT Tb b=T Ta a+，由公式，由公式(5-13)(5-13)得：得：（T Tb b）=j j（T Ta a）+f f 所以，公式所以，公式(5-14)(5-14)可改写为：可改写为

19、：=j j（T Ta a）+f f -f f t tb b-j j（T Ta a）+f f t ta a =f f -f f t tb b+f f t ta a (5-15)(5-15)5.3伪载波测量第35页/共55页载波相位测量的观测方程（续）传播延迟传播延迟中考虑电离层和对流层的影响中考虑电离层和对流层的影响1 1和和2 2 ，则：，则：代入公式（代入公式（5-155-15），得：），得：5.3伪载波测量(5-17)(5-17)第36页/共55页载波相位测量的观测方程 f f：接收机产生的固定参考频率：接收机产生的固定参考频率 c c:光速光速 ：卫星至接收机之间的距离：卫星至接收机之间

20、的距离（未知数）（未知数）1 1：电离层影响：电离层影响 2 2：对流层影响：对流层影响 tta a ：卫星钟差：卫星钟差 ttb b ：接收机钟差（未知数）：接收机钟差（未知数）接收机接收机 k k 对卫星对卫星 j j 的载波相位测量的的载波相位测量的观测方程观测方程：5.3伪载波测量(5-18)(5-18)第37页/共55页伪距测量与载波相位测量的观测方程的联系由于由于 =c c/f f，则：，则：所以，得所以，得5.3伪载波测量第38页/共55页5.3.3整周未知数N0的确定vv静态方法静态方法vv动态方法动态方法5.3伪载波测量第39页/共55页静态法1.1.伪距法伪距法2.2.经典

21、方法经典方法3.3.多普勒法多普勒法4.4.快速确定法快速确定法需要对需要对GPSGPS卫星的静态观测来实现卫星的静态观测来实现5.3伪载波测量第40页/共55页1、伪距法v将载波相位测量的观测值将载波相位测量的观测值(化为以距离为单位化为以距离为单位)减去减去伪距实际观测值伪距实际观测值后即可得到后即可得到 N No o。v由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的 N No o取取平均值平均值后才能获得正确的整波段数。后才能获得正确的整波段数。5.3伪载波测量所以，得所以，得第41页/共55页2、经典方法vv 将整周未知数当做平差中的待定参数将整周未知数当

22、做平差中的待定参数 整数解 实数解5.3伪载波测量第42页/共55页经典方法整数解v 短基线短基线定位时一般采用这种方法。定位时一般采用这种方法。v 具体步骤：具体步骤：首先根据首先根据卫星位置卫星位置和和修复了周跳后的相位观测修复了周跳后的相位观测值值进行进行平差计算平差计算，求得基线向量和整周未知数。，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，将其固定为整解得的整周未知数是一个实数，将其固定为整数数(四舍五入法四舍五入法)，并，并重新进行平差计算重新进行平差计算。在计算中整周未知数采用整周值并视为已知数，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。以求得基

23、线向量的最后值。5.3伪载波测量第43页/共55页经典方法实数解 基线较长时采用这种方法。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。数。5.3伪载波测量第44页/共55页经典方法的不足vv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在高精度定位领域中才应用5.3伪载波测量第45页/共55页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由于连续跟踪的所有载波相位观测值中

24、均含有相同的整周未知数N N0 0，所以将所以将相邻两个观测历元的载波相位相减相邻两个观测历元的载波相位相减，就可消去，就可消去N N0 0，从而，从而解出坐解出坐标标。然后再根据。然后再根据坐标值坐标值求解求解N N0 0 。5.3伪载波测量第46页/共55页多普勒法（三差法）t tmm时刻卫星时刻卫星S Sj j到到k k接收机的相位差：接收机的相位差：t tn n时刻卫星时刻卫星S Sj j到到k k接收机的相位差：接收机的相位差：(1)(1)(2)(2)公式（公式（1 1）-（2 2），即可消除），即可消除N N0 05.3伪载波测量第47页/共55页多普勒法（三差法）（续）两个历元间

25、的载波相位观测值之差受接收机钟及卫星钟的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随机误差影影响，所以精度不太好，往往用来求整周数的初始值。响，所以精度不太好，往往用来求整周数的初始值。5.3伪载波测量第48页/共55页4、快速确定整周未知数法v 1990 1990年年E EFreiFrei和和GGBeutlerBeutler提出提出v 基本思路：基本思路：利用初始平差的解向量及其精度信息，以参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，确定在某一置数估计和统计假设检验为基础，确定在某一置信区间内信区间内N N0 0的的可能的整数解的组合可能的整数解的组合

26、；依次依次将将N N0 0的每一组合作为已知值，重复进行的每一组合作为已知值，重复进行平差平差计算。使估值的验后平差或方差和为最小计算。使估值的验后平差或方差和为最小的一组的一组N N0 0 ，即为，即为最佳估值最佳估值。5.3伪载波测量第49页/共55页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伪载波测量第50页/共55页静态法的不足 使用静态方法时，一旦对所测卫星失锁，则接

27、收机载体必须停下来，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。中的有效应用。5.3伪载波测量第51页/共55页动态初始化法 19931993年徕卡公司开发成功年徕卡公司开发成功 基本思想：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，利用参考站的同步观测值一起，利用快速解算法快速解算法确定确定N N0 0。然后利。然后利用用逆向求解方法逆向求解方法来确定载体

28、在上述短时间内的瞬时位置。来确定载体在上述短时间内的瞬时位置。5.3伪载波测量第52页/共55页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，为确定整周未知数整周未知数，运动载体运动载体不需停下来重新进行初始化不需停下来重新进行初始化工作。工作。已在短距离（已在短距离（10km10km）的实时动态相对定位中，得到了成功应用，定）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。位精度可达厘米级。5.3伪载波测量第53页/共55页作 业1.1.GPSGPS卫星定位的基本原理是什么？卫星定位的基本原理是什么？2.2.在载波相位测量中，确定在载波相位测量中，确定整周未知数主要有哪些方法？整周未知数主要有哪些方法？重要知识点重要知识点 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。个观测方程的联系。第54页/共55页感谢您的观看！第55页/共55页