GPS概论-第五章-GPS卫星定位基本原理

1全球定位原理资源与环境学院林承达[e-mail]2第五章GPS卫星定位基本原理GPS定位的方法与观测量•利用测距码测定3GPS的基本定位原理•GPS的基本定位原理是：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。4GPS定位的方法•绝对定位（单点定位）•在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置（认为参考点与地球质心相重合）•相对定位•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按参考点的位置不同分类5GPS定位的方法按接收机在作业中所处的状态•静态定位•在定位的过程中，接收机的位置是固定不动的。•动态定位•在定位的过程中天线处于运动状态6GPS观测量•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•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。7GPS定位的基本原理•需解决的两个关键问题–如何确定卫星的位置–如何测量出站星距离8码相位观测和载波相位测量•码相位观测：测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码），到达用户接收天线的传播时间，因此这种方法，也称为时间延迟测量。•载波相位测量：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。95.2伪距测量•双程测距•用于电磁波测距仪•单程测距•用于GPS测距方法10为什么叫伪距•全球定位系统采用单程测距原理，必须使卫星钟和接收机钟保持严格同步。•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，为了与几何距离相区别，把这种含有钟差影响的距离，通常称为“伪距”。•为简述方便，码相位观测确定的距离，称为测码伪距；由载波相位观测的伪距，称为测相伪距。11测距码C/A码（测距时有模糊度）P码12信号传播时间测距码测距原理①•距离测定的基本思路•信号（测距码）传播时间的测定dtTutTuTRT)()(1相关系数：ctc信号传播时间的测定13测距码测距原理②•利用测距码测距的必要条件–必须了解测距码的结构•利用测距码进行测距的优点–采用的是CDMA（码分多址）技术–易于捕获微弱的卫星信号–可提高测距精度–便于对系统进行控制和管理（如AS）每颗GPS卫星都采用特定的伪随机噪声码微弱信号的捕获14伪距测量的特点•优点–无模糊度•缺点–精度低15GPS测量的基本观测方程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tS16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）RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc~)()()]()[()(~)(~故：站星真实距离：则：；设：伪距：测距码测距的观测方程175.3载波相位测量载波相位测量itjtitijttR(c)2002,黄劲松185.3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19载波相位观测值•观测值•整周计数•整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值)()(~)()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示为：以后的观测：首次观测：Int0NN0Fr0N0Int()iFrit0ti20tropiioniiiittiiiiiVVLLcVcVNdZndYmdXlvSR)()(其中：0载波相位测量的观测方程tropiionttiiiitropiionttiiiVVcVcVNVVcVcVNSRSR)()()(原始形式：线性化后：tropiionttiiiiiiitropiionttiiiiiiiiVVcVcVNdZZzdYYydXXxVVcVcVNdZzZdYyYdXxXSRSR)()()()()()()()()()(00000000000000误差方程为：21•载波相位测量的关键技术--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5.3载波相位测量22•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,黄劲松码相关法5.3载波相位测量23•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5.3载波相位测量24•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）)()(12/,12,1,2/,12LLACLLYLYLACLLRRRR5.3载波相位测量25•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）5.3载波相位测量26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27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路线上相位变化的整周数，因存在整周不确定性的问题。•GPS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。28整周未知数的确定•常用方法：–伪距法–待定参数法–三差法–快速确定整周未知数法295.4GPS绝对定位与相对定位•定位模式–绝对定位（单点定位）–相对定位–差分定位•定位时接收机天线的运动状态–静态定位－天线相对于地固坐标系静止–动态定位－天线相对于地固坐标系运动•获得定位结果的时效–事后定位–实时定位•观测值类型–伪距测量–载波相位测量GPS测量定位方法分类30315.4绝对定位（单点定位）•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–InternationalTerrestrialReferenceFrames•特点–优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位–缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低•应用领域–低精度导航、资源普查、军事、...325.4GPS的绝对定位技术•绝对定位：利用GPS确定用户接收机天线在WGS-84中的绝对位置。•基本原理：是以GPS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：不能确定。因此在一个观测站上，为了实时求解四个位置参数（3个点坐标分量和1个钟差参数），至少需要四个同步伪距观测值。33伪距单点定位的误差方程①•对于卫星i，在某一个历元的误差方程为itropiionitiitiiiiVVVcVcdZndYmdXlVSR)()()(034单点定位有4个待定参数，因而至少需要同时观测4颗以上的卫星，才能同时确定出所有的待定参数。伪距单点定位的误差方程②•对在某历元同时观测的n颗卫星，其误差方程及位置解为4)()()()()(.)()()()()()(1....11.)()()(...)()()()()()(2011020222210111122211121022222022221111101111nVVVcVVVcVVVccVdZdYdXnmlnmlnmlVVVVVVcVcdZndYmdXlVVVVcVcdZndYmdXlVVVVcVcdZndYmdXlVnntropnionntntropionttropionttnnnnntropnionntnntnnnntropiontttropionttSSSRSRSRSRVVQDBBQlBBBxlxBVlBxVT0TTT；；；；；；用矩阵形式表示：35载波相位单点定位的误差方程①•对于卫星i，误差方程为0()()()RSiiiitiiiiionitropitVldXmdYndZcVNcVVV36载波相位单点定位的误差方程②•若在k个历元里每历元均观测了n颗相同的卫星，则误差方程kntropknionkntnknnktknknknknntropnionntnnntnnnnntropnionntnntnnnnntropnionntnnntnnnntropionttVVVcNVcdZndYmdXlVVVVcNVcdZndYmdXlVVVVcNVcdZndYmdXlVVVVcNVcdZndYmdXlVVVVcNVcdZndYmdXlVSRSRSRSRSR)()()(...)()()(...)()()()()()(...)()()(20222220222221111101211110111111011111137单点定位的误差源及应对方法•卫星星历–精密星历•卫星钟差–精密钟差、地面跟踪•电离层延迟–双频改正•对流层延迟–模型改正38精密单点定位•精密单点定位–PPP–PrecisePointPositioning–特点•主要观测值为载波相位•采用精密的卫星轨道和钟数据•采用复杂的模型–定位精度•亚分米级–用途•全球高精度测量•卫星定轨39观测卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响•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DOP（DilutionofPrecision).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。通常有：•平面位置精度因子HDOP（HorizontalDOP).•高程精度因子VDOP（VerticalDOP)•空间位置精度因子PDOP（Position