[工程科技]第五章 GPS定位一.ppt

1、第五章 GPS衛(wèi)星定位基本原理,一、概述： 1.GPS的定位原理：簡(jiǎn)單地來說，是利用幾何與物理的一些基本原理，利用空間分布的衛(wèi)星以及衛(wèi)星與地面點(diǎn)間距離交會(huì)出地面點(diǎn)位置的方法。 2.方法： （1）若假定衛(wèi)星的位置為已知，通過一定的方法我們又準(zhǔn)確測(cè)定出地面點(diǎn)A至衛(wèi)星間的距離，那么A點(diǎn)一定位于以衛(wèi)星為中心、以所測(cè)得距離為半徑的圓球上。若我們能同時(shí)測(cè)得點(diǎn)A至另兩顆衛(wèi)星的距離，則該點(diǎn)一定處在三圓球相交的兩個(gè)點(diǎn)上。 根據(jù)地理知識(shí)，我們很容易確定其中一個(gè)點(diǎn)是我們所需要的點(diǎn)。從測(cè)量的角度看，則相似于測(cè)距后方交會(huì)。在以上假設(shè)下，即已知衛(wèi)星位置又同時(shí)測(cè)定到三顆衛(wèi)星的距離，即可進(jìn)行定位。,3.解算：由于GPS衛(wèi)星是

2、分布在2000多公里高空的運(yùn)動(dòng)載體，只能是在同一時(shí)間測(cè)定三個(gè)距離才可定位，要實(shí)現(xiàn)同步必須具有統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)，從解析幾何角度出發(fā)，GPS定位包括確定一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)與實(shí)現(xiàn)同步四個(gè)未知參數(shù)，因此必須通過測(cè)定到至少4顆衛(wèi)星的距離才能定位。由此可見，要實(shí)現(xiàn)精確定位，必須解決以下兩個(gè)問題： (1)在某一時(shí)刻確定衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置； (2)準(zhǔn)確測(cè)定衛(wèi)星至地球上我們所在地點(diǎn)的距離。第一個(gè)問題在第3章已經(jīng)解決，關(guān)鍵是如何測(cè)定距離。,5.1GPS定位的方法與觀測(cè)量 1.定位方法分類 按參考點(diǎn)的不同位置劃分為： （1）絕對(duì)定位（單點(diǎn)定位）：在地球協(xié)議坐標(biāo)系中，確定觀 測(cè)站相對(duì)地球質(zhì)心的位置。 （2）相對(duì)定位：在地球協(xié)

3、議坐標(biāo)系中，確定觀測(cè)站與地面某 一參考點(diǎn)之間的相對(duì)位置。 按用戶接收機(jī)作業(yè)時(shí)所處的狀態(tài)劃分： （1）靜態(tài)定位：在定位過程中，接收機(jī)位置靜止不動(dòng)，是固定的。靜止?fàn)顟B(tài)只是相對(duì)的，在衛(wèi)星大地測(cè)量中的靜止?fàn)顟B(tài)通常是指待定點(diǎn)的位置相對(duì)其周圍點(diǎn)位沒有發(fā)生變化，或變化極其緩慢，以致在觀測(cè)期內(nèi)可以忽略。,（2）動(dòng)態(tài)定位：在定位過程中，接收機(jī)天線處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 在絕對(duì)定位和相對(duì)定位中，又都包含靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種形式。 2.GPS 動(dòng)態(tài)定位發(fā)展特點(diǎn) （1）用戶多樣性：概括為地面行駛的車輛、水中航行的艦船和 空中飛行的航空航天器。 （2）速度多異性：根據(jù)運(yùn)動(dòng)載體的運(yùn)行速度，GPS動(dòng)態(tài)定位分為低中高三種定位形式。運(yùn)動(dòng)速度

4、為幾米/秒到幾十米/秒時(shí)稱為低動(dòng)態(tài)定位。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度為100m/s到1000m/s時(shí)稱為中等動(dòng)態(tài)定位。當(dāng)載體的運(yùn)動(dòng)速度在1km/s以上時(shí)，成為高動(dòng)態(tài)定位。對(duì)于地球板塊運(yùn)動(dòng)，由于速度極其緩慢，要求長時(shí)間的數(shù)據(jù)采集才能測(cè)得動(dòng)態(tài)參數(shù)。,（3）定位的實(shí)時(shí)性：當(dāng)用三級(jí)火箭發(fā)射人造地球衛(wèi)星時(shí)，從第一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開始到衛(wèi)星入軌運(yùn)行，共需17分19秒。從第859秒關(guān)閉第三級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)束制導(dǎo)，到第1039秒衛(wèi)星脫離第三級(jí)火箭入軌運(yùn)行共計(jì)3分鐘。在入軌歷程中，每秒鐘至少要測(cè)得一個(gè)動(dòng)態(tài)點(diǎn)位，以便用180個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)位描述出3分鐘歷程，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星準(zhǔn)確入軌。 （4）數(shù)據(jù)短時(shí)性：在高動(dòng)態(tài)定位場(chǎng)合，要求以較短的時(shí)間如亞秒級(jí)來

5、采集一個(gè)點(diǎn)位的定位數(shù)據(jù)。1960年7月，蘇聯(lián)向太平洋發(fā)射一顆射程為13000km的導(dǎo)彈，從發(fā)射到著陸飛行了37分鐘。若要在14775km的彈道上每隔2km測(cè)一個(gè)點(diǎn)位，則每0.27s便應(yīng)定位一次，即數(shù)據(jù)采集時(shí)間約為0.26s。,（5）精度要求多變性：,3.觀測(cè)量的基本概念 無論采取何種GPS定位方法，都是通過觀測(cè)GPS衛(wèi)星而獲得某 種觀測(cè)量來實(shí)現(xiàn)的。GPS衛(wèi)星信號(hào)含有多種定位信息，根據(jù)不 同的要求，可以從中獲得不同的觀測(cè)量，主要包括： 根據(jù)碼相位觀測(cè)得出的偽距。 根據(jù)載波相位觀測(cè)得出的偽距。 由積分多普勒計(jì)數(shù)得出的偽距。 由干涉法測(cè)量得出的時(shí)間延遲。,（1）采用積分多普勒計(jì)數(shù)法進(jìn)行定位時(shí)，所需觀

6、測(cè)時(shí)間較 長，一般數(shù)小時(shí)，同時(shí)觀測(cè)過程中，要求接收機(jī)的震蕩器保 持高度穩(wěn)定。 （2）干涉法測(cè)量時(shí)，所需設(shè)備較昂貴，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。 這兩種方法在GPS定位中，尚難以獲得廣泛應(yīng)用。 （3）目前廣泛應(yīng)用的基本觀測(cè)量主要有碼相位觀測(cè)量和載波 相位觀測(cè)量。 1）碼相位觀測(cè)：是測(cè)量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)（C/A 碼或P碼）到達(dá)用戶接收機(jī)天線（觀測(cè)站）的傳播時(shí)間。 也稱時(shí)間延遲測(cè)量。,2）載波相位觀測(cè)：是測(cè)量接收機(jī)接收到的載波信號(hào)，與接收 機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)之間的相位差。由于載波的波長遠(yuǎn)小于 碼長，C/A碼碼元寬度293m，P碼碼元寬度29.3m，而L1載波波 長為19.03cm， L2載波波長為24

7、.42cm，在分辨率相同的情況 下， L1載波的觀測(cè)誤差約為2.0mm， L2載波的觀測(cè)誤差約為 2.5mm。而C/A碼觀測(cè)精度為2.9m，P碼為0.29m。載波相位觀測(cè) 是目前最精確的觀測(cè)方法。,3）載波相位觀測(cè)的主要問題： 無法直接測(cè)定衛(wèi)星載波信號(hào)在傳播路徑上相位變化的整周數(shù)，存在整周不確定性問題。 在接收機(jī)跟蹤GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)過程中，常常由于接收機(jī)天線被遮擋、外界噪聲信號(hào)干擾等原因，還可能產(chǎn)生整周跳變現(xiàn)象。有關(guān)整周不確定性問題，通?？赏ㄟ^適當(dāng)數(shù)據(jù)處理而解決，但將使數(shù)據(jù)處理復(fù)雜化。 上述通過碼相位觀測(cè)或載波相位觀測(cè)所確定的站星距離都不可避免地含有衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘非同步誤差的影響， 1 含

8、鐘差影響的距離通常稱為偽距。 2由碼相位觀測(cè)所確定的偽距簡(jiǎn)稱測(cè)碼偽距。 3由載波相位觀測(cè)所確定的偽距簡(jiǎn)稱為測(cè)相偽距。,5.2偽距測(cè)量 一、概述：偽距定位法是根據(jù)GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)量測(cè)得到至少4顆衛(wèi)星的偽距以及衛(wèi)星的位置，采用距離交會(huì)的方法求定接收機(jī)位置的方法。因此最關(guān)鍵的是進(jìn)行偽距測(cè)量， 1.測(cè)距其基本過程： （1）GPS衛(wèi)星依據(jù)自己的時(shí)鐘發(fā)出某一結(jié)構(gòu)的測(cè)距碼，該碼通過一定時(shí)間到達(dá)接收機(jī)。 （2）接收機(jī)依據(jù)本身的時(shí)鐘也產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)完全相同的測(cè)距碼，也叫復(fù)制碼，并通過時(shí)延器使其延遲一定時(shí)間，將延遲后的測(cè)距碼與接收到的測(cè)距碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算處理，通過測(cè)量相關(guān)函數(shù)的最大值位置來測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)的傳播

9、延遲，從而計(jì)算出衛(wèi)星到接收機(jī)的距離。,P碼與cA碼具有良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，在低電平情況下可以檢測(cè)，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，且信號(hào)功率小、保密性好、無模糊度等優(yōu)點(diǎn)。,圖4.1為偽距測(cè)量的原理圖。GPS衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼S()從衛(wèi)星天線發(fā)射,穿過電離層、對(duì)流層經(jīng)時(shí)間延遲到達(dá)接收機(jī)天線。接收機(jī)于T時(shí)刻接收到的衛(wèi)星信號(hào)S(t-)。接收機(jī)產(chǎn)生的與衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼相同的本地碼為S(t+t) ，t為接收機(jī)與衛(wèi)星鐘差。經(jīng)碼移位電路可將本地碼移位得到S(t+t- ) ，送入相關(guān)器與接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理，積分得出相關(guān)輸出為：,調(diào)整移位使相關(guān)輸出為最大。這時(shí)根據(jù)測(cè)距碼自相關(guān)的特性得,上式即為偽距測(cè)量的基本

10、觀測(cè)方程。式中n為測(cè)距模糊度。當(dāng)測(cè)距碼的波長小于測(cè)定的距離時(shí)，存在測(cè)距模糊度的問題。采用P碼測(cè)量時(shí)，其波長遠(yuǎn)大于待測(cè)距離，因此no，此時(shí)， 用cA測(cè)距，其波長大約為300km，此時(shí)存在測(cè)距模糊度問題，但如果已知精確度高于300Km的接收機(jī)到衛(wèi)星的概略距離，即可確定測(cè)距模糊度，這時(shí) ，因此可等同于：,可見偽距觀測(cè)量等于待測(cè)距離與鐘差(包括衛(wèi)星鐘差與接收機(jī)鐘差)等效距離之和。若能精確求出接收機(jī)與衛(wèi)星鐘相對(duì)于GPS基準(zhǔn)時(shí)間的偏差，即可通過對(duì)t偽距進(jìn)行修正求得準(zhǔn)確的衛(wèi)星到接收機(jī)的距離。在實(shí)際應(yīng)用中，衛(wèi)星鐘差包含在導(dǎo)航電文中，為已知值，而接收機(jī)鐘差未知，在定位計(jì)算中作為未知參數(shù)與點(diǎn)的位置一同解算，這也正

11、是GPS定位為什么必須接收多于4顆衛(wèi)星的原因。若再考慮信號(hào)穿過電離層與對(duì)流層時(shí)其速度發(fā)生變化，就必須加上電離層與對(duì)流層影響的改正。,2.測(cè)距的方程 符號(hào)約定：tj(GPS)為衛(wèi)星sj發(fā)射信號(hào)時(shí)的理想GPS時(shí)刻， ti(GPS)為接收機(jī)Ti收到該衛(wèi)星信號(hào)時(shí)的理想GPS時(shí)刻，tj為衛(wèi) 星sj發(fā)射信號(hào)時(shí)的衛(wèi)星鐘時(shí)刻， ti為接收機(jī)Ti收到該衛(wèi)星信號(hào) 時(shí)的接收機(jī)鐘時(shí)刻。tij為衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)觀測(cè)站的傳播時(shí)間。 tj為衛(wèi)星鐘相對(duì)理想GPS時(shí)的鐘差， ti為接收機(jī)鐘相對(duì)理想 GPS時(shí)的鐘差。則有 tj= tj(GPS)+ tj， ti= ti(GPS)+ ti 信號(hào)從衛(wèi)星傳播到觀測(cè)站的時(shí)間為 tij=ti-

12、tj= ti(GPS) - tj(GPS)+ ti- tj,假設(shè)衛(wèi)星至觀測(cè)站的幾何距離為ij，在忽略大氣影響的情 況下可得相應(yīng)的偽距： 當(dāng)衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘嚴(yán)格同步時(shí)，上式所確定的偽距即為 站星幾何距離。 通常GPS衛(wèi)星的鐘差可從衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航電文中獲得，經(jīng)鐘 差改正后，各衛(wèi)星之間的時(shí)間同步差可保持在20ns以內(nèi)。 如果忽略衛(wèi)星鐘差影響，并考慮電離層、對(duì)流層折射影 響，可得測(cè)碼偽距觀測(cè)方程的常用形式,對(duì)流層折射延遲改正,電離層折射延遲改正,接收機(jī)鐘的改正數(shù),衛(wèi)星鐘的改正數(shù),信號(hào)離開衛(wèi)星的時(shí)刻（由衛(wèi)星鐘測(cè)定）,信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)刻（由接收機(jī)鐘測(cè)定）,測(cè)距碼測(cè)距的觀測(cè)方程,偽距測(cè)量的誤差方程,偽距測(cè)

13、量的測(cè)距精度一般達(dá)到測(cè)距碼波長的1100，對(duì)于P碼約為29cm，cA碼為2.9m，正是由于其測(cè)距精度較低，其定位精度也較低。特別由于美國政府對(duì)P碼保密，民用偽距定位只能采用CA碼，定位精度不能滿足測(cè)量的需要。而包含在GPS衛(wèi)星信息中的載波頻率,Ll=1575.42MHZ,L21227.60MHZ，其相應(yīng)波長，119.03cm，224.42cm。由此可見相位測(cè)量的精度要比偽距測(cè)量的精度高得多。因此目前測(cè)地型GPS接收機(jī)普遍利用載波相位測(cè)量。相位測(cè)量的精度可達(dá)12mm，其相對(duì)定位精度可達(dá)10-8。,5.3載波相位測(cè)量,載波相位測(cè)量的原理,載波相位測(cè)量是測(cè)量GPS載波信號(hào)從GPS衛(wèi)星發(fā)射天線到GPS

14、接收機(jī)接收天線的傳播路程上的相位變化，從而確定傳播距離的方法。,如圖4.3，衛(wèi)星j發(fā)射一載波信號(hào)，在時(shí)刻t的相位為j(t)，該信號(hào)經(jīng)過距離到達(dá)接收機(jī)，其相位為k，相位變化(j-k)為其相位變化量，現(xiàn)(j-k)中包含整周部分與不足整周部分。由于載波信號(hào)是一種周期性的正弦波，因此若能測(cè)定(j-k) ，則可計(jì)算出衛(wèi)星到接收機(jī)間的距離：,GPS載波相位測(cè)量的基本原理,理想情況,實(shí)際情況,式中：相位以周為單位，N0為整周部分， 為非整周部分， 為載波波長。,在實(shí)際應(yīng)用中，該法是不能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閖無法測(cè)定。為此采用比相的方法，即GPS接收機(jī)振蕩器產(chǎn)生一個(gè)頻率和初相均與衛(wèi)星載波完全相同的基準(zhǔn)信號(hào)，而要測(cè)定的

15、某一時(shí)刻的相位差即為接收機(jī)產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)與接收的衛(wèi)星載波相位之差。圖4.4為載波相位測(cè)量的原理圖。,在某一時(shí)刻ti,衛(wèi)星信號(hào)的相位等于本機(jī)振蕩器產(chǎn)生的基準(zhǔn)相位： ；相同時(shí)刻接收的GPS衛(wèi)星信號(hào)的載波相位為 ，則：,因此，信號(hào)傳播距離為：,由于衛(wèi)星與地球間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，接收的衛(wèi)星信號(hào)的頻率因多普勒頻移而發(fā)生變化，與基準(zhǔn)信號(hào)頻率不同。將接收的衛(wèi)星信號(hào)與產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)混頻，得到差頻的中頻信號(hào)，其相位值即為兩個(gè)信號(hào)間的相位差。因此通過測(cè)定該中頻信號(hào)的相位便可獲得所需的相位差。,載波相位測(cè)量的觀測(cè)值,(1)任一歷元的載波相位差及其觀測(cè)值,由于在GPS信號(hào)中，在載波上調(diào)制了二進(jìn)制碼(測(cè)距碼和導(dǎo)航電文)，在載

16、波相位測(cè)量之前首先進(jìn)行解調(diào)工作，采用碼相關(guān)技術(shù)或平方解調(diào)技術(shù)來恢復(fù)接收到的載波信號(hào)，稱為重建載波。碼相關(guān)技術(shù)可以在恢復(fù)載波的同時(shí)獲取測(cè)距信號(hào)與衛(wèi)星電文，但缺點(diǎn)是必須知道碼結(jié)構(gòu)。而平方解調(diào)技術(shù)只能獲得載波信號(hào)，而不需要知道測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)。,以周計(jì)，則為：,任一歷元的相位觀測(cè)值是指某一指定時(shí)刻的載波相位差，即；接收機(jī)本機(jī)產(chǎn)生的基準(zhǔn)載波信號(hào)與接收到的衛(wèi)星信號(hào)的相位差。設(shè)接收機(jī)k在第i個(gè)觀測(cè)歷元，對(duì)應(yīng)接收機(jī)鐘面時(shí) 接收到衛(wèi)星j的載波信號(hào)相位為： ，它等于對(duì)應(yīng)于 的發(fā)射時(shí)刻 （衛(wèi)星鐘面時(shí))的載波相位 ，對(duì)應(yīng) 時(shí)接收機(jī)產(chǎn)生的基準(zhǔn)信號(hào)相位為 ，則第i個(gè)歷元的相位差為：,載波相位觀測(cè)值,觀測(cè)值 整周計(jì)數(shù) 整周未

17、知數(shù)（整周模糊度）,載波相位觀測(cè)值,載波相位測(cè)量的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 精度高，測(cè)距精度可達(dá)0.1mm量級(jí) 難點(diǎn) 整周未知數(shù)問題 整周跳變問題,1.衛(wèi)星載波信號(hào)的相位與傳播時(shí)間 假設(shè)以理想的GPS時(shí)為準(zhǔn)，衛(wèi)星sj在歷元tj(GPS)發(fā)射的載波 信號(hào)相位為jtj(GPS)，而接收機(jī)在歷元ti(GPS)的參考載波 相位為iti(GPS)，則其相位差為 ijt(GPS)= iti(GPS)- jtj(GPS)。 對(duì)于穩(wěn)定度良好的震蕩器，相位與頻率的關(guān)系可表示為(t+ t)= (t)+f t。設(shè)fi、fj分別為接收機(jī)震蕩器的固定參考 頻率和衛(wèi)星載波信號(hào)頻率，且fi=fj= f，則 iti(GPS)= jtj(G

18、PS)+f ti(GPS) - tj(GPS) ijt(GPS)= iti(GPS)- jtj(GPS)=f ij,ij =ti(GPS) - tj(GPS)是衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘同步的情況下， 衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間，與衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射歷元及該信號(hào)的接收 歷元有關(guān)。 由于衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射歷元一般是未知的，為了實(shí)際應(yīng)用，需 根據(jù)已知的觀測(cè)歷元來分析信號(hào)的傳播時(shí)間。 假設(shè)ijti(GPS) , tj(GPS)為站星之間的幾何距離，在忽 略大氣折射影響后有 ij= ijti(GPS) , tj(GPS)/c 由于tj(GPS) =ti(GPS) - ij ，將上式按級(jí)數(shù)展開得,上式中二次項(xiàng)影響很小可忽略，并考

19、慮接收機(jī)的鐘差，可得以觀測(cè)歷元ti為根據(jù)的表達(dá)式： 上式的計(jì)算可采用迭代法，并略去二次項(xiàng) 如果顧及大氣折射影響，則衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間最終表達(dá)為,2.測(cè)相偽距觀測(cè)方程 不同衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘都不可避免地含有鐘差影響，且大小 各異。在處理多測(cè)站多歷元對(duì)不同衛(wèi)星的同步觀測(cè)結(jié)果時(shí)， 必須采取統(tǒng)一的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)前述分析，可得衛(wèi)星發(fā)射信 號(hào)相位為j(tj)與接收機(jī)參考信號(hào)相位為i(ti)之間的相位差 ijti= ijt(GPS)+fti(ti)-tj(ti) 進(jìn)而有 ijti= f ij +fti(ti)-tj(ti) 將ij代入，略去下標(biāo)，得觀測(cè)歷元t為根據(jù)的載波信號(hào)相位 差：,由于載波相位測(cè)量只能測(cè)定

20、不足一整周的小數(shù)部分，如果假 定ij(t0)為相應(yīng)某一起始觀測(cè)歷元t0相位差的小數(shù)部分， Nij(t0)為相應(yīng)起始觀測(cè)歷元t0載波相位差的整周數(shù)，于觀測(cè)歷 元t0時(shí)的總相位差為 ij(t0)= ij(t0)+ Nij(t0)。 當(dāng)衛(wèi)星于歷元t0時(shí)被跟蹤鎖定后，載波相位變化的整周數(shù)便被 自動(dòng)計(jì)數(shù)，對(duì)其后任一觀測(cè)歷元t的總相位差為 ij(t)= ij(t)+ Nij(tt0) +Nij(t0) Nij(tt0)表示從某一起始觀測(cè)歷元t0至歷元t之間的載波相位 整周數(shù)（已知量）,如果取ij(t) ij(t)+ Nij(tt0) ，則 ij(t)= ij(t)+Nij(t0) 或 ij(t) = ij(t) -Nij(t0)。 ij(t)是載波相位的實(shí)際觀測(cè)量。如圖,Nij(t0)一般是未知的，通常稱為整周未知數(shù)（整周待定值或 整周模糊度）。一個(gè)整周的