(武漢大學)GPS原理及其應用08

1、 武漢大學武漢大學 測繪學院測繪學院 GPSGPS原理及其應用課程組原理及其應用課程組GPS原理及其應用原理及其應用 ( (八八) )GPS原理及其應用原理及其應用第四章第四章 距離測量與距離測量與GPS定位定位4.1 利用測距碼測定衛(wèi)地距利用測距碼測定衛(wèi)地距GPS原理及其應用原理及其應用4.1 利用測距碼測定衛(wèi)地距利用測距碼測定衛(wèi)地距GPS原理及其應用原理及其應用GPS定位的基本原理定位的基本原理 需解決的兩個關(guān)鍵問題需解決的兩個關(guān)鍵問題 如何確定衛(wèi)星的位置如何確定衛(wèi)星的位置 如何測量出站星距離如何測量出站星距離GPS原理及其應用原理及其應用測距方法測距方法 雙程測距雙程測距用于電磁波測用于

2、電磁波測距儀距儀 單程測距單程測距用于用于GPS距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛(wèi)地距利用測距碼測定衛(wèi)地距 測距方法測距方法GPS原理及其應用原理及其應用測距碼測距碼C/A碼（測距時有模糊度）碼（測距時有模糊度）P碼碼距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛(wèi)地距利用測距碼測定衛(wèi)地距 測距碼測距碼GPS原理及其應用原理及其應用信號傳播時間測距碼測距原理測距碼測距原理 距離測定的基本思路距離測定的基本思路 信號（測距碼）傳播時間的測定信號（測距碼）傳播時間的測定dtTutTuTRT)()(1相關(guān)系數(shù)：ctc信號傳播時間的測定信號傳播時間的測定距離測量與距離測量與GPS

3、定位定位 利用測距碼測定衛(wèi)地距利用測距碼測定衛(wèi)地距 測距碼測距原理測距碼測距原理GPS原理及其應用原理及其應用測距碼測距原理測距碼測距原理 利用測距碼測距的必要條件利用測距碼測距的必要條件 必須了解測距碼的結(jié)構(gòu)必須了解測距碼的結(jié)構(gòu) 利用測距碼進行測距的優(yōu)點利用測距碼進行測距的優(yōu)點 采用的是采用的是CDMA（碼分多址）（碼分多址）技術(shù)技術(shù) 易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號 可提高測距精度可提高測距精度 便于對系統(tǒng)進行控制和管理便于對系統(tǒng)進行控制和管理（如（如AS）每顆每顆GPS衛(wèi)星都采用特定的衛(wèi)星都采用特定的偽隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼微弱信號的捕獲微弱信號的捕獲距離測量與距離測量與GP

4、S定位定位 利用測距碼測定衛(wèi)地距利用測距碼測定衛(wèi)地距 測距碼測距原理測距碼測距原理GPS原理及其應用原理及其應用Z跟蹤技術(shù)跟蹤技術(shù) AS P碼碼+W碼碼Y碼碼 W碼的碼元寬度比碼的碼元寬度比Y碼大幾十碼大幾十倍倍 Z跟蹤技術(shù)跟蹤技術(shù) 原理原理 將相關(guān)間隔（積分間隔）限將相關(guān)間隔（積分間隔）限定在一個定在一個W碼碼元內(nèi)碼碼元內(nèi)碼碼碼碼碼元內(nèi)在一個PPYW 0 1 0 0 1 0 0（1） W 碼 0 1 0 0 1 0 P 碼 Y 碼 + = 0 1 0 0 1 0 1（-1） W 碼 1 0 1 1 0 1 P 碼 Y 碼 + = 距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛(wèi)地距利用測

5、距碼測定衛(wèi)地距 Z跟蹤技術(shù)跟蹤技術(shù)GPS原理及其應用原理及其應用偽距測量的特點偽距測量的特點 優(yōu)點優(yōu)點 無模糊度無模糊度 缺點缺點 精度低精度低距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛(wèi)地距利用測距碼測定衛(wèi)地距 偽距測量的特點偽距測量的特點GPS原理及其應用原理及其應用GPS測量的基本觀測方程測量的基本觀測方程距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛(wèi)地距利用測距碼測定衛(wèi)地距 GPS測量的基本觀測方程測量的基本觀測方程SR ()tR ()tS接 收 機 根 據(jù) 自 身的 鐘 在時 刻 復制 信 號 的 相 位tR接 收 機 根 據(jù) 自 身的 鐘 在時 刻 所接 收 到 衛(wèi)

6、星 在時 刻 所 發(fā) 送 信 號的 相 位tRtS tR tSGPS原理及其應用原理及其應用對流層折射延對流層折射延遲改正遲改正電離層折射延電離層折射延遲改正遲改正接收機鐘的接收機鐘的改正數(shù)改正數(shù)衛(wèi)星鐘的改衛(wèi)星鐘的改正數(shù)正數(shù)信號離開信號離開衛(wèi)星的時衛(wèi)星的時刻（由衛(wèi)刻（由衛(wèi)星鐘測定）星鐘測定）信號到達接信號到達接收機的時刻收機的時刻（由接收機（由接收機鐘測定）鐘測定）RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc)()()()()()(故：站星真實距離：則：；設(shè)：偽距：測距碼測距的觀測方程測距碼測距的

7、觀測方程距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛(wèi)地距利用測距碼測定衛(wèi)地距 測距碼測距的觀測方程測距碼測距的觀測方程GPS原理及其應用原理及其應用222222000000000000()()()()()()()()()()()()()SRiiiiiiiiiontropttiiiiiiiiiiiiiiixXyYzZixXyYzZVVc Vc VxXyYzZxXyYzdXdYdZdXdY 令真實的站星距離：， 為衛(wèi)星則站星距離的觀測值：將 用泰勒級數(shù)展開，保留一階項，有0022200000000000000()()()()()()()()()()()SiRiiiiiiiiiiiiiiii

8、iionitropitiiiitiZdZxXyYzZXXdXYYdYZZdZxXyYzZlmnLc VVVVl dXmdYndZc VL 其中：；令：；則誤差方程為：偽距測量的誤差方程偽距測量的誤差方程距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛(wèi)地距利用測距碼測定衛(wèi)地距 測距碼測距的誤差方程測距碼測距的誤差方程GPS原理及其應用原理及其應用4.2 載波相位測量載波相位測量GPS原理及其應用原理及其應用 載波相位測量載波相位測量距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量itjtitijttR(c )2002, 黃勁松GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重

9、建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波 重建載波重建載波 將非連續(xù)的載波信號恢復成連續(xù)的載波信號。將非連續(xù)的載波信號恢復成連續(xù)的載波信號。載波調(diào)制了電文之后載波調(diào)制了電文之后變成了非連續(xù)的波變成了非連續(xù)的波偽距測量與載波相位測量偽距測量與載波相位測量距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波 碼相關(guān)法碼相關(guān)法 方法方法 將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）與接收機產(chǎn)生的復制碼相乘。與接收機產(chǎn)生的復制碼

10、相乘。 技術(shù)要點技術(shù)要點 衛(wèi)星信號（弱）與接收機信號（強）衛(wèi)星信號（弱）與接收機信號（強）相乘。相乘。 特點特點 限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。 優(yōu)點：可獲得導航電文，可獲得全優(yōu)點：可獲得導航電文，可獲得全波長的載波，信號質(zhì)量好（信噪比波長的載波，信號質(zhì)量好（信噪比高）高）衛(wèi)星信號的生成接收機重建載波(c )2002, 黃勁松碼相關(guān)法碼相關(guān)法距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波 平方法平方法 方法方法

11、將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）自乘。自乘。 技術(shù)要點技術(shù)要點 衛(wèi)星信號（弱）自乘。衛(wèi)星信號（弱）自乘。 特點特點 優(yōu)點：無需了解碼的結(jié)構(gòu)優(yōu)點：無需了解碼的結(jié)構(gòu) 缺點：無法獲得導航電文，所獲載缺點：無法獲得導航電文，所獲載波波長為原來波長的一半，信號質(zhì)波波長為原來波長的一半，信號質(zhì)量較差（信噪比低，降低了量較差（信噪比低，降低了30dB）平方法平方法距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波 互

12、相關(guān)（交叉相關(guān)）互相關(guān)（交叉相關(guān)） 方法方法 在不同頻率的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）進行相關(guān)處理，獲取兩個在不同頻率的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）進行相關(guān)處理，獲取兩個頻率間的偽距差和相位差頻率間的偽距差和相位差 技術(shù)要點技術(shù)要點 不同頻率的衛(wèi)星信號（弱）進行相關(guān)。不同頻率的衛(wèi)星信號（弱）進行相關(guān)。 特點特點 優(yōu)點：無需了優(yōu)點：無需了Y解碼的結(jié)構(gòu)，可獲得導航電文，可獲得全波波解碼的結(jié)構(gòu)，可獲得導航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了27dB）)()(12/, 12, 1, 2/, 12LLACLLYLYLACLLRRRR距離測量與距離測量與G

13、PS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波 Z跟蹤跟蹤 方法：將衛(wèi)星信號在一個方法：將衛(wèi)星信號在一個W碼碼元內(nèi)與接收機碼碼元內(nèi)與接收機復制出的復制出的P碼進行相關(guān)處理。碼進行相關(guān)處理。 在一個在一個W碼碼元內(nèi)進行衛(wèi)星信號（弱）與復制碼碼元內(nèi)進行衛(wèi)星信號（弱）與復制信號（強）進行相關(guān)。信號（強）進行相關(guān)。 特點特點 優(yōu)點：無需了解優(yōu)點：無需了解Y碼結(jié)構(gòu)，可測定雙頻偽距觀測值，碼結(jié)構(gòu)，可測定雙頻偽距觀測值，可獲得導航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量

14、可獲得導航電文，可獲得全波波長的載波，信號質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了較平方法好（信噪比降低了14dB）距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波GPS原理及其應用原理及其應用載波測距載波測距itjtitijttR(c )2002, 黃勁松距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波測距載波測距GPS原理及其應用原理及其應用GPS載波相位測量的基本原理載波相位測量的基本原理距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 GPS載波相位測量的基本原理載波相位測量的基本原理SR SR

15、)SR ()tR ()tS接 收 機 根 據(jù) 自 身的 鐘 在時 刻 復制 信 號 的 相 位tR接 收 機 根 據(jù) 自 身的 鐘 在時 刻 所接 收 到 衛(wèi) 星 在時 刻 所 發(fā) 送 信 號的 相 位tRtS tR tS理想情況理想情況實際情況實際情況GPS原理及其應用原理及其應用載波相位觀測值載波相位觀測值 觀測值觀測值 整周計數(shù)整周計數(shù) 整周未知數(shù)（整周模糊度）整周未知數(shù)（整周模糊度）載波相位觀測值載波相位觀測值)()()()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示為：以后的觀測：首次觀測： Int0NN0Fr0N0Int( )iFrit0ti距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位觀測值載波相位觀測值GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的特點載波相位測量的特點 優(yōu)點優(yōu)點 精度高，測距精度可達精度高，測距精度可達0.1mm量級量級 難點難點 整周未知數(shù)問題整周未知數(shù)問題 整周跳變問題整周跳變問題距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的特點載波相位測量的特點GPS原理及其應用原理及其應用tropiioniiiittiiiiiVVLLcVcVNdZndYmdXlvSR)()(其中：0載波相位測量的觀測方程載波相位測量的觀