第四章 GPS卫星定位原理

第四章GPS卫星定位原理阳泉职业技术学院——薛迎春Slide2Outline•GPS定位的方法概述•绝对定位•相对定位•差分定位Slide3第一节概述GPS定位基础回顾GPS定位原理GPS定位方法概述Slide4一、GPS定位基础回顾•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Slide5二、GPS定位原理卫星广播•精密的时间•轨道信息•卫星健康接收机测量来自卫星的时间延迟，通过交会，获得：•位置•速度232323232222222221212121)()()()()()()()()(zzyyxxzzyyxxzzyyxxSlide6三、GPS定位的方法概述•根据使用的观测值：伪距测量、载波相位测量•根据测站的运动状态静态、动态•根据观测方式绝对定位、相对定位Slide7第二节、伪距测量原理GPS的测距码粗测码——C/A码精测码——P码C/APp49Slide81、伪随机噪声码测距FromSatelliteFromReceiverMeasuretimedifferencebetweenthesamepartofcode距离=速度*传播时间Slide9伪距测量)(ta)(tat时刻tctt+△t时刻)(ta)(ttaSlide10伪距测量卫星和接收机同时产生PRN码卫星向地面发射，经传播时间达到接收机时刻：时刻，接收机卫地距离aa,t)(tat)()(tatatcsSlide112、伪距观测方程问题：1、钟差2、整周3、折射tcSlide12（1）钟差问题t)(tat)(tat标准时间jtt卫星时间ktt接收机时间jkttt观测值ReceiverSatelliteTimedeferenceSlide13钟差影响)(jkttcdt)(ta)(tta)(jtta)(tttakjktttSlide14（2）整周对齐卫地距离是多少？C/A码长是多少?ReceiverSatelliteTimedeferenceNTcdSlide15（3）大气折射电离层对流层卫星轨道tctropiondiontropSlide16伪距观测值对流层延迟—电离层延迟—卫星的钟差—接收机的钟差—真空中的光速—离卫星到接收机的真实距—的伪距观测值—其中：tropionjktropionjkttcGPSttc)(Slide17伪距观测方程222)()()(ZZYYXXSSStropionjkSSStctcZZYYXX222)()()(tropionjkttc)(Slide18伪距定位空间后方交会，至少四颗卫星Slide19GPS定位原理•给定一颗卫星…•可以确定我们的位置在一个球面上Slide20GPS定位原理•给定两颗卫星…•可以确定我们的位置在两个球面相交的公共部分Slide21GPS定位原理•给定三颗卫星…•可以确定我们的位置在三个球面相交的公共部分Slide22GPS定位原理•给定四颗卫星…•可以确定我们的位置在四个球面相交的公共部分Slide23说明四个距离=一个点Note:•第四个距离是不必要的•但是，由于接收机时钟误差需要确定，增加了一个未知数，需要第四颗卫星Slide24伪距的特点小结无模糊测距可以实现实时定位精度低Slide25第三节、载波相位观测值定义——接收机接收的卫星载波信号和接收机产生的参考载波信号的相位差SR()tR()tS接收机根据自身的钟在时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtStRtSSlide26与测距码类比ReceiverSatelliteTimedeferenceSlide271、意义测距信号波长/码长测距精度C/APL1L2293m29.3m29.3m2.93m19cm1.9cm24cm2.4cmSlide28问题：整周对齐卫地距离是多少？C/A码长是多少?L1载波波长是多少？ReceiverSatelliteTimedeferenceNTcdSlide292、整周模糊度载波在卫星到接收机间相位变化的整周数=不足整周波长N=整周模糊度距离D=N+Slide30载波相位测量12396连续的载波相位测量Slide31类比伪距观测值tropionjkSSStropionjktctcZZYYXXttc222)()()()(伪距观测值/观测方程)()()(jjiittt))((Nt载波相位观测值tropionjkttc)(考虑钟差、大气折射tropionjkSSStctNtcZZYYXX)()()()(222载波相位观测方程Slide32思考！！利用载波相位观测值可以实现实时定位吗？某一时刻，观测四颗卫星，利用载波相位定位有几个观测值？有几个未知数？tropionjkSSStctNtcZZYYXX)()()()(222载波相位观测方程Slide33解算某一时刻，观测四颗卫星，利用载波相位定位有几个观测值？有几个未知数？锁定卫星后，第二次测量有几个观测值？有几个未知数？Slide343、周跳定义——由于卫星信号失锁而使载波相位差观测值中的整周计数发生突变。-20000000200000040000006000000800000018.819.019.219.419.619.8L1_phaseL2_phasePhase(cycles)HrsCycleslipatL2Slide35周跳的影响:1t，10N:2t，)int(20N0N10N)int(2:3t，)int(30NSlide36思考题：两种观测值的比较？？？Slide37载波相位观测值的特点无模糊测距可以实现实时定位精度低模糊测距不可以实现实时定位精度高容易出现周跳问题容易受误差影响，解算复杂Slide38静态测量的观测文件导航电文测距码载波61203080.TOO61203080.DAT传输转换61203080.04N61203080.04OSlide39静态测量的观测文件61203080.04N61203080.04O2NAVIGATIONDATARINEXVERSION/TYPECCRINEXNV1.6.0UXCDDIS16-JAN-0020:32PGM/RUNBY/DATEIGSBROADCASTEPHEMERISFILECOMMENT0.2980D-070.2980D-07-0.1192D-060.0000D+00IONALPHA0.1516D+06-0.1638D+060.0000D+000.6554D+05IONBETA0.838190317154D-080.222044604925D-135038081149DELTA-UTC:A0,A1,T,W13LEAPSECONDSENDOFHEADER1021161600.00.211737118661D-030.147792889038D-110.000000000000D+000.160000000000D+03-0.923125000000D+020.448090093322D-08-0.150005755213D+01-0.460073351860D-050.528647471219D-020.406056642532D-050.515370207596D+040.316800000000D+060.614672899246D-07-0.423702392951D+000.162050127983D-060.967604434620D+000.303406250000D+03-0.172598812748D+01-0.818819821418D-08-0.140720147273D-090.100000000000D+010.114900000000D+040.000000000000D+000.280000000000D+010.000000000000D+00-0.325962901115D-080.160000000000D+030.309618000000D+060.400000000000D+010.000000000000D+000.000000000000D+00载波相位观测值伪距观测值Slide404、周跳与模糊度模糊度周跳Slide41（1）、整周模糊度距离D=N+定义：载波在传播路径上的相位变化的整周数。IntegerambiguitySlide42整周模糊度的解算方法伪距法三差法参数法Slide43伪距观测方程载波相位观测方程1)伪距法tropiondddTdtcp)(tropiondddTdtcN)(Slide442)三差法观测值进行组合，削去了整周模糊度三差：接收机间、卫星间、历元间求差Slide453)参数法BNAXY2,1minYQNCNXBXAXYZXNRXC将整周模糊度作为一个参数，引入到观测方程中，和坐标未知数一起求解。tropiondddTdtcN)(Slide46第一步是获得实数解（浮点解）参数法的一般步骤NCBXAXYNNXQˆNXˆCXˆ)ˆ(ˆˆ1ˆˆNXXCCCXNQQXNXXNNCN第三步获得位置向量的整数解（固定解）minˆˆ1ˆNXQNXNXNNN第二步是通过搜索找到满足下列关系的模糊度参数的整数值Slide47（2）、周跳—cycleslip•T0•T1•T2•…定义：由于信号失锁而使载波相位观测值的整周计数发生突变。Slide48来源、影响及解决周跳的来源：信号的暂时中断卫星信号的信噪比过低接收机软件发生故障周跳的性质：相当于在观测之中引入了一个粗差周跳的解决：需要在平差之前数据预处理阶段，诊断并找出周跳位置，对周跳进行修正。即周跳的探测与修复。Slide49周跳探测与修复的方法基本思想：载波相位观测值体现了卫地距离的变化，它应该是一个连续的变化的量。高次差法曲线拟和卫星间求差电离层延迟方法-20000000200000040000006000000800000018.819.019.219.419.619.8L1_phaseL2_phasePhase(cycles)HrsCycleslipatL2Slide501）求高次差法相位观测值反应卫地距离变化一次差反应了相位观测值的变化率求高次差可突出周跳的影响Slide51不含周跳影响的载波相位观测值及其差值Slide52含周跳影响的载波相位观测值及其差值Slide53特点只能检验较大的周跳（大于五周），因为由于接收机振荡引起的变化都可能超过两周。Slide542）卫星间求差法根据每颗卫星的载波相位观测值所受到的接收机振荡引起的随机误差影响是相同的。卫星间求差法在高次差的基础上，对不同卫星间的高次差值求差，从而消除随机误差影响，突出小周跳的影响。Slide55卫星间求差法图例•若sv6第106个观测值丢失一周Slide563）曲线拟合法•根据n个相位观测值，拟和一个m阶的多项式，据此多项式预估下一个观测值，并与实测值比较，从而发现并修复周跳。Slide574）双频观测值修复