006-GPS载波相位测量

第六章GPS载波相位测量主讲人:张海涛•内容–载波相位测量原理–载波重建技术–差分定位6.1载波相位观测原理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。由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度293m，P码码元宽度29.3m，而L1载波波长为19.03cm，L2载波波长为24.42cm，在分辨率相同的情况下，L1载波的观测误差约为2.0mm，L2载波的观测误差约为2.5mm。而C/A码观测精度为2.9m，P码为0.29m。载波相位观测是目前最精确的观测方法。通过码相位观测或载波相位观测所确定的站星距离都不可避免地含有卫星钟与接收机钟非同步误差的影响，含钟差影响的距离通常称为伪距。由码相位观测所确定的伪距简称测码伪距，由载波相位观测所确定的伪距简称为测相伪距。载波测距itjtitijttR(c)2002,黄劲松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•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()iFrit0ti载波相位观测的主要问题：无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题。此外，在接收机跟踪GPS卫星进行观测过程中，常常由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整周跳变现象。有关整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理而解决，但将使数据处理复杂化。1)载波相位测量的观测方程假设以理想的GPS时为准，卫星sj在历元tj(GPS)发射的载波信号相位为j[tj(GPS)]，而接收机在历元ti(GPS)的参考载波相位为i[ti(GPS)]，则其相位差为ij[t(GPS)]=i[ti(GPS)]-j[tj(GPS)]。对于稳定度良好的震荡器，相位与频率的关系可表示为(t+t)=(t)+ft。设fi、fj分别为接收机震荡器的固定参考频率和卫星载波信号频率，且fi=fj=f，则i[ti(GPS)]=j[tj(GPS)]+f[ti(GPS)-tj(GPS)]ij[t(GPS)]=i[ti(GPS)]-j[tj(GPS)]=fijij=ti(GPS)-tj(GPS)是卫星钟与接收机钟同步的情况下，卫星信号的传播时间，与卫星信号的发射历元及该信号的接收历元有关。由于卫星信号的发射历元一般是未知的，为了实际应用，需根据已知的观测历元来分析信号的传播时间。假设ij[ti(GPS),tj(GPS)]为站星之间的几何距离，在忽略大气折射影响后有ij=ij[ti(GPS),tj(GPS)]/c由于tj(GPS)=ti(GPS)-ij，将上式按级数展开得....))](([21)]([1)]([12jiijijiijiijijiGPStcGPStcGPStc上式中二次项影响很小可忽略，并考虑接收机的钟差，可得以观测历元ti为根据的表达式：上式的计算可采用迭代法，并略去二次项如果顾及大气折射影响，则卫星信号的传播时间最终表达为)()(1)(1)(1iiijijiijiijijitttctctc)()(1)](11)[(1iiijiijiijijitttctctc)]()([1)()(1)](11)[(1)(ijiipjiiiijiijiijijitTtIctttctctct2)钟差改正不同卫星钟和接收机钟都不可避免地含有钟差影响，且大小各异。在处理多测站多历元对不同卫星的同步观测结果时，必须采取统一的时间标准。根据前述分析，可得卫星发射信号相位为j(tj)与接收机参考信号相位为i(ti)之间的相位差ij[ti]=ij[t(GPS)]+f[ti(ti)-tj(ti)]，进而有ij[ti]=fij+f[ti(ti)-tj(ti)]，将ij代入，略去下标，得观测历元t为根据的载波信号相位差：)]()([)()()](11[)](11)[()(tTtIcfttftttcftctcftjipjijijijijiji由于载波相位测量只能测定不足一整周的小数部分，如果假定ij(t0)为相应某一起始观测历元t0相位差的小数部分，Nij(t0)为相应起始观测历元t0载波相位差的整周数，于观测历元t0时的总相位差为ij(t0)=ij(t0)+Nij(t0)。当卫星于历元t0时被跟踪锁定后，载波相位变化的整周数便被自动计数，对其后任一观测历元t的总相位差为ij(t)=ij(t)+Nij(t－t0)+Nij(t0)Nij(t－t0)表示从某一起始观测历元t0至历元t之间的载波相位整周数（已知量）3)整周计数如果取ij(t)＝ij(t)+Nij(t－t0)，则ij(t)=ij(t)+Nij(t0)或ij(t)=ij(t)-Nij(t0)。ij(t)是载波相位的实际观测量。如图t1地球Tit0t2ij(t0)ij(t1)ij(t2)Nij(t0)Nij(t0)Nij(t0)Nij(t0)一般是未知的，通常称为整周未知数（整周待定值或整周模糊度）。一个整周的误差会引起19cm－24cm的距离误差。如何准确确定整周未知数，是利用载波相位观测量进行精密定位的关键。对于同一观测站和同一卫星，Nij(t0)只与起始观测历元t0有关，在历元t0到t的观测过程中，只要跟踪的卫星不中断（失锁），Nij(t0)就保持为一个常量。载波相位的观测方程如下：)()]()([)()()](11[)](11)[()(0tNtTtIcfttftttcftctcftjijipjijijijijiji考虑关系式=c/f，可得测相伪距观测方程：上式中上标•项对伪距的影响为米级。在相对定位中，如果基线较短（小于20km），则有关项可忽略，简化成)()]()([)()()](11[)](11)[()(0tNtTtIttctttcctcttjijipjijijijijiji)()]()([)]()([)()(0tNtTtIcfttttftcftjijipjijijiji)()]()([)]()([)()(0tNtTtIttttcttjijipjijijiji由载波相位观测方程可得载波相位观测方程线性化形式(方法同前):同理，测相伪距观测方程线性化形式为：)()]()([)]()([)()(0tNtTtIcfttttftcftjijipjijijiji)()]()([)]()([])()][()()([)()(00tNtTtIcfttttfttntmtlcftcftjijipjijiijjijijijijiXX)()]()([)]()([])()][()()([)()(00tNtTtIttttcttntmtlttjijipjijiijjijijijijiXX上式中Xj(t)项，可用于估算卫星位置误差对测相伪距的影响，当采用轨道改进法进行精密定位时，可作为待估参数一并求解。当已知卫星瞬时位置时，上两式可简化为)()]()([)]()([)]()()([)()(00tNtTtIcfttttftntmtlcftcftjijipjijiijijijijijiX)()]()([)]()([)]()()([)()(00tNtTtIttttctntmtlttjijipjijiijijijijijiXtropiioniiiittiiiiiVVLLcVcVNdZndYmdXlvSR)()(其中：0载波相位测量的观测方程(总)tropiionttiiiitropiionttiiiVVcVcVNVVcVcVNSRSR)()()(原始形式：线性化后：tropiionttiiiiiiitropiionttiiiiiiiiVVcVcVNdZZzdYYydXXxVVcVcVNdZzZdYyYdXxXSRSR)()()()()()()()()()(00000000000000误差方程为：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•Advantages–Veryaccurate:2~3mmnoise–0.2~0.3mmispossiblerecently•Disadvantages–Ambiguitiesofcarrierphase–Cycleslipshappen(lostcyclecounts)•内容–载波相位测量原理–载波重建技术–差分定位6.2载波重建技术•Reconstructiontechniques(重建载波)–Codecorrelation（码相关法）–Squaringtechnique(codelesstechnique)（平方法）–Crosscorrelationtechinque（交叉相关法）–Z-trackingtechnique（Z-跟踪方法）载波相位测量的关键技术－重建载波①•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载波相位测量的关键技术－重建载波②•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,黄劲松码相关法载波相位测量的关键技术－重建载波③•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）平方法载波相位测量的关键技术－重建载波④•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载波相位测量的关键技术－重建载波⑤•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）•内容–载波相位测量原理–载波重建技术–差分定位6.3差分定位•由用户接受基准站发送的改正数，并对观测站的测量成果进行改正以获得精密定位的结果。•差分GPS根据其系统构成的基准站个数可分为单基准差分、多基准的局部区域差分和广域差分。而根据信息的发送内容又可分为伪距差分、相位差分及位置差分等。•以上差分的区别就在于发送改正数内容的不同，差分数学模型的不同结果导致