GPS伪距定位原理

GPS伪距定位原理主要内容（一）GPS测距码及其特性（二）伪随机码的测距原理（三）卫星伪距导航基本原理（四）导航定位精度的评估方法一GPS测距码及其特性1.1伪随机噪声码1.2GPS测距码1.1伪随机噪声码随机噪声码--对于某一时刻，码元是0或1完全是随机的。（编码无规律、非周期性、自相关性好、无法复制）伪随机噪声码--PseudoRandomNoise（PRN）（编码规则确定、周期性、自相关性好、可复制）码随机噪声码伪随机噪声码101111001111010010011110011001111011两组码元相互对齐时间延迟ct码--表达不同信息的二进制组合（0和1）。1.2GPS测距码(I)C/A码（Coarse/Acquisitioncode）周期--1ms码长--1023bit码元宽--0.97752(293.05m)特点：①码长短、易捕获；（50bit/s20.5s）②码元宽度较大、测距精度较低；（对齐误差1/1002.93m、粗码）③结构公开、民用；（调制在L1、L2载波上）④不同卫星发射不同C/A码序列。（属于Gold码、低互相关性，快速区分不同卫星的信号）s精度为码元宽的1%1.2GPS测距码(II)P码（Precisioncode）周期--266days码长--2.35x1014bit码元宽--0.097752(29.30m)266/37=7days2.35x1014bit32SVs--P码37周不会有重复，这样就可以为不同的卫星指定P码不同周的部分。每颗卫星所使用的P码不同部分，码长和周期相同，结构不同。e.g.PRN01、PRN02……特点：①先捕获C/A码，再根据导航电文信息捕获P码；（50bit/s1.4x106days）②码元宽度为C/A码的1/10；（对齐误差1/1000.29m、精码）③AS(Anti-Spoofing)、P码W码P(Y)码（01/31/1994、调制在L1、L2载波上、接收机技术Z-tracking）s二伪随机码的测距原理2.1测距基本原理2.2测距码测定伪距特点2.3伪距观测方程2.1测定伪距原理(I)t卫星卫星钟测距码接收机接收机钟复制码cct卫地距伪距【时间延迟的测定】接收机产生结构相同的测距码不断变动延迟时间相关系数复制码搜索卫星信号锁定卫星信号1R时间延迟器2.1测定伪距原理(II)对比时刻对应的某一结构的测距码接收的来自卫星的测距码经时延器延迟后的复制码两组信号的相关系数：t()ut()utt()ut1()()TRuttutdtT理论值1R实际值maxR（两组信号完全对齐）（所有码总体上对得最好）原因①卫星钟和接收机钟存在误差，引起两组信号的码宽度与理论值并不完全相同；②卫星信号在长距离传播过程中可能产生畸变。最大相关性分析信号传播时间2.2测距码测定伪距特点(I)1）易于提取微弱的卫星信号卫星信号20W卫地距2x1014km干扰信号kW离用户距离数km~数百km2）可提高测距精度积分间隔中所有码总体上对得最好测距码的独特结构T所有码分别测距取平均2.2测距码测定伪距特点(II)3）便于码分多址技术对卫星信号的识别码分多址CDMA--CodeDivisionMultipleAccess4）便于对系统进行控制和管理ch1ch2…chxPRN01PRNxx…PRN02noise公开或加密码结构标准定位服务SPS精密定位服务PPSC/A码P(Y)码2.3伪距观测方程(I)在真空中且无误差的情况下，距离观测值等于卫地几何距离，表示如下：--观测伪距（observed）--卫地几何距离（geometric）--信号发射时刻（GPST）--信号接收时刻（GPST）若考虑卫星钟和接收机钟的误差，则距离观测值就要表示成：()(()),,srssrssrrrRttctttt,(()()()())srrsrrrssssrRttcttttccttttstrtR,(())(,)srrerssrrstRtttcttestt--卫星钟面时rrtt--接收机钟面时2.3伪距观测方程(II)若将所有的误差项考虑在内，则距离观测值可如下表示：,,()()()iontropreltidemulssrrrsresrtttttcRt222,()()())(()srsrrrrssserxxyyzttRttzc222,()()()()()srresssrrrsrRttxyzcztxyt未知参数：(,,)Trrrxyz接收机位置--接收机钟差--rt伪距观测方程三卫星伪距导航基本原理3.1伪距观测方程线性化3.2伪距单点定位实现222,()()()()()srresssrrrsrRttxyzcztxyt非线性3.1伪距观测方程线性化(I)3.1伪距观测方程线性化(II)可以将在测站近似坐标处泰勒级数展开至一阶项：222,()()()()srrssrrsrsttxyyzxz,()srrstt0000(,,)TrrrXxyz线性化00()()()XFXFXdXXdX()rrrFXFFFXxyz0rrrxdXyzXX00020220()()()()ssrsrrFXxyyzxz000rrrrrrxyzxXyz3.1伪距观测方程线性化(III)0000000()()()()rrsrsrsrXrxxyyxdXyzzzFXX00()()()XFXFXdXXdX222()()()sssrrrxyyzxz0000000()()()()srsrsrsrrrrxxyyzzxyztctR00()=FX3.2伪距单点定位(I)0()siontroptiderelRRct000000()()()1rrrrsrsrsrxxyyzzRxyzct单点定位--根据卫星星历及单台GNSS接收机的观测值确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法，又称为绝对定位。0000000()()()()srsrsrsrrrrxxyyzzxyztctR3.2伪距单点定位(II)1rriixiyirrzilaaavxyzct111112222211(4)1xyzxxxnxnynznrnrrraaalvaaalvnaxyzctaalv000rrrrrrxyzxXyzlAxV最小二乘关于接收机位置近似值（计算过程需迭代）信号传播过程中的地球旋转改正（计算卫地距时应考虑地球旋转改正）SA政策（SelectiveAvailability广播星历、卫星钟5/1/2000turnoff）2.2伪距单点定位(III)几个需要注意的问题0000(,,)TrrrXxyz0cos()sin()0sin()cos()0001ssssssxxyyzzt0020202()()()ssrsrrxyyzxz4.1伪距导航定位的精度评价4.2卫星几何分布对定位精度影响四导航定位精度的评估方法假设伪距观测值同精度且相互独立，则由最小二乘原则，可以得到：精度评定：--伪距观测值中误差--定位解的中误差4.1伪距导航定位的精度评价(I)lAxV1()TTxAAAl1()xyxzxtyzytxyzTzttxqqqqqqqQAAqqq对称0ximq0xm精度衰减因子DOP（DilutionofPrecision）（协因数阵主对角线元素的函数）精度评定：4.1伪距导航定位的精度评价(II)nnenuweeuuqqqQqqq对称局部大地坐标系(,,)neuxxx空间直角坐标系(,,)TxyzxxyxzxtyyzytxzzttqqqqqqqQqqq对称0mDOPxyzPOqqDqP0PDOPmP位置精度因子几种常用精度因子位置精度因子平面精度因子高程精度因子接收机钟差精度因子几何精度因子4.1伪距导航定位的精度评价(III)uqVDOPxyzneuqqqqqqPDOPneqqHDOPneutqqqqGDOPTDOPtqDOP与所观测卫星的空间几何分布有关4.2卫星几何分布对定位精度影响(I)对于4颗观测卫星，由测站与卫星所构成的六面体体积越大，GDOP值越小。4.2卫星几何分布对定位精度影响(II)