第五章 GPS卫星定位基本原理

第五章GPS卫星定位基本原理§5.1概述§5.2伪距测量§5.3载波相位测量§5.4整周跳变的修复§5.5GPS绝对定位与相对定位§5.6美国的GPS政策§5.7差分GPS定位原理§5.1概述交会前方交会后方交会GPS定位基本原理ρ1ρ2ρ3S1S2S3Pρ1ρ2ρ3S1S2S3P21212121)()()(ZZYYXX22222222)()()(ZZYYXX23232323)()()(ZZYYXX运用空间距离前方交会的方法求出卫星的位置。运用空间距离后方交会的方法求测站点的位置。观测值：距离GPS定位方法及分类•依据测距的原理划分：伪距法定位（测码）载波相位测量定位（测相）差分定位•依据（接收机）待定点运动状态划分动态定位——认为接收机相对于地面是运动的静态定位——认为接收机相对于地面静止不动•绝对定位与相对定位：绝对定位——求测站点相对于地心的坐标；（静态）相对定位——求测站点相对于某已知点的坐标增量；§5.2伪距测量•GPS测距码•伪距:依据卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间计算距离。•伪距定位观测方程GPS测距码模二相加运算规则脉冲：在短时间内突变，随后又迅速返回到其初始值的物理量；脉冲信号：像脉搏跳动一样的信号，相对于直流，断续的信号。000;110;101;011码：表达信息的二进制数及其组合状态编号各存储器单元④③②①模二相加④③输出码元123111111101100000111456100000010010100100789010010010011110010101112011011011010101011131415010110110111111010四级反馈移位寄存器的状态序列四级反馈移位寄存器tu：钟脉冲的时间间隔码值1码状态-1码值0码状态+1GPS测距码•C/A码（Coarse/AcquisitionCode）10级1周期含码元数N：1023；码率：1.023MHz；码元宽度tu：0.98us(293.05m)；精度：2.9m周期：Tu=Ntu=1ms；粗码/捕获码；仅被调制在L1上•P（Y）码（PreciseCode）1周期含码元数：6.19×1012；码率：10.23MHz；周期：7天；码元宽度：0.098us(29.30m)；精度:0.29m精码；被调制在L1和L2上测距码（续）5.2.1码相关伪距测量原理（1）卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出某一结构的测距码，经过△t时的传播到达GPS接收机。（2）接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构完全相同的复制码。（3）通过时延器使之延迟时间τ，对两码进相关比较。（4）直至两码完全对齐，相关系数R（t）=max=1，则该时间延迟τ即为传播时间△t（τ=△t）。（5）距离ρ=c·△t=c·τ。复制码１１１１０００１００１１０１０１１１接收码１１１１０００１００１１０１０5.2.2伪距定位观测方程由卫星钟驱动下产生的GPS信号，离开卫星发射天线，在地球引力场中穿越大气层，进入接收机内部，与接收机自身产生的参考信号相比较，得到GPS观测值。观测方程要反映该过程5.2.2伪距定位观测方程三种时间系统5.2.2伪距定位观测方程iiijjjtGPStttGPStt)()(jijijijittGPStGPStttt)()()()())()((ijijjijijittcttcGPStGPStctc伪距信号传播时间202010)()(ttattaatj卫星发出信号时间（以卫星钟面时间标准）接收机接收的时间（以接收机钟面时间标准）RINEX2格式的广播电文含义PRN号年月日时分秒a0a1a2AODECrs△nM0CuceCust0CicΩ0Cisi0Crsωcflgl2GPDpflgl2卫星精度卫星健康TgdAODC信息传输时间ai地球大气结构大气折射效应色散介质与非色散介质–色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同–非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同–对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质电离层对C/A码影响228.401Nfng)28.401(2NfcncVggioneRgtdRNfcdtV228.40dRNfceRion228.40C/A码在电离层中以群速Vg传播（级数展开）其速度与频率有关电离层改正的大小主要取决于电子总量和信号频率电离层对载波影响•载波是正弦波•在电离层中以相速度传播228.401NfngNdRfcRion228.40电离层影响与太阳黑子活动有关与卫星到接收机方向有关，天顶方向最大50m延迟高度角20°时150m延迟对流层影响从地面到高空40KM大气层为对流层；电磁波经过对流层会产生延迟，和温度、湿度、气压有关；天顶方向可达2—3m，高度角10o，可达13m。5.2.2伪距定位观测方程•考虑大气影响,卫星与测站真实距离为•伪距测量方程为dropionjidropiontctcjdropioniijijijtctcZZYYXX21222])()()[(•伪距测量的特点：无模糊度，精度低。§5.3载波相位测量1.采用载波相位测量原因及重建载波5.3.1载波相位测量原理5.3.2载波相位测量.的观测方程5.3.3整周未知数N0的确定1、采用载波相位测量原因⑴测距码测距精度对于一些高精度的应用无法满足C/A2.9P0.29m⑵载波的波长短，可达到很高的精度载波L1–频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm卫星信号的调制•二进制信号的相位调制)cos()()(ttBtS调相PM载波相位测量的关键技术－重建载波•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（信噪比高）卫星信号的生成接收机重建载波(c)2002,黄劲松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5.3.1GPS载波相位测量原理SRSR)5.3.1GPS载波相位测量原理GPS载波相位测量的基本原理SRSR)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tS理想情况实际情况载波相位观测值N0Fr0N0Int()iFrit0ti观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）)()(~)()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示为：以后的观测：首次观测：GPS载波相位测量的基本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振参考信号的相位差。()()()jjkkkkkktttk接收机在接收机钟面时刻tk时观测j卫星所取得的相位观测量5.3.2载波相位观测方程在初始时刻t0，测得小于一周的相位差为，其整周数为，此时包含整周数的相位差为0jN0jjkkjjkNttNt000000)()()(5.3.2载波相位观测方程接收机继续跟踪卫星信号，不断测定小于1周的相位差，同时计数器记录从到时间内的整周变化量，只要卫星信号没中断，初始时刻的整周模糊度为一常数。时刻卫星到接收机的相位差为t0tit)(IntitjS)()()()(0IntNtttjijkikijkjN05.3.2载波相位观测方程在GPS标准时刻Ta（卫星钟时刻ta）卫星发射的载波相位为,经传播延迟，在GPS标准时刻Tb（接收机钟面时刻tb）到达接收机电磁波传播原理在Tb时,接收机本振产生的载波相位为Tb时的相位差为)()(ajbjtTbaaajbbajbtftfftTtTtt)()()()(abTT)(btfffjifTTajb)()()(at5.3.2载波相位观测方程传播延迟相位差观测量)(1dropioncbatftfcf)(21jbadropionjijiiijiNtftfcfcfcfNtIntt00)()()(伪距测量与载波相位测量的观测方程的联系00).(..1.1...1.....,/cNttcNtttctccfcftftfcfftropionbadropionbajkdropionbadropbajkion§5.3.3整周模糊度的确定整周未知数N0Fr0N0Int()iFrit0tijbadropionjijiiijiNtftfcfcfcfNtIntt00)()()(§5.3.3整周模糊度的确定•伪距法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)后即可得到λN0。（实时动态相对定位RTKP码双频法））•将整周未知数当作平差中的待定参数——经典方法1）整数解短基线测量2）实数解长基线测量•多普勒法(三差法)将相邻两个观测历元的载波相位相减，消去了整周未知数N0，从而直接解出坐标参数。常用来获得未知参数的初始值。§5.3.3整周模糊度的确定•快速确定整周未知数法这种方法对某一置信区间所有整数组合一一进行平差，取估值的验后方差或方差和为最小的一组整周未知数作为整周未知数的最佳估值。进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟便能成功地确定整周未知数。用于快速静态定位。（精度cm级）§5.4整周跳变修复整周跳变：卫星信号中断或失锁，接收机计数器无法连续计数使整周计数不正确，但不到一整周的相位观测值仍是正确的。简称周跳。-20000000200000040000006000000800000018.819.019.219.419.619.8L1_phaseL2_phasePhase(cycles)HrsCycleslipatL2产生周跳的原因•建筑物或树木等障碍物的遮挡•电离层电子活动剧烈•多路径效应的影响•卫星信噪比(SNR)太低•接收机的高动态•接收机内置软件的设计不周全电源故障或振荡器本身故障使信号中断？DiffractionMultipathsWall周跳的特点•周跳只引起载波相位观测量的整周数发生跳跃，小数部分则是正确的。•周跳具有继承性，即从发生周跳的历元开始，以后所有历元的相位观测值都受到这个周跳的影响。•周跳发生非常频繁。周跳修复的必要性•相位观测值中存在周跳，相当于观测值中存在粗差，将会严重影响GPS基线解算过程中的最小二乘估计，使基线解算失败或严重歪曲基线解算的结果。在GPS动态定位中，如数值为1周的周跳不修复，将会导致数十厘米的误差。这对于高精度的GPS测量是无法接受的。•周跳的探测与修复是GPS载波相位数据处理中不可缺少的组成部分,只有消除了周跳的“干净”相位数据，才能用于GPS精密定位。§5.5GPS绝对定位与相对定位绝对定位相对定位5.5.1GPS单点定位（绝对定位）•定义：单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法•定位结果与所用星历同属一坐标系的绝对坐标采用广播星历时属WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialRe