GPS的基本原理及應(yīng)用測繪工程專業(yè)必備課件

1、GPS的基本原理及應(yīng)用測繪工程專業(yè)必備課件第六講 GPS衛(wèi)星定位基本原理（一）概述偽距測量原理載波相位測量原理交會法確定點位測角交會法測邊交會法測角交會法ABP測方交會前方交會ABPA、B和C點坐標(biāo)已知，P點坐標(biāo)未知后方交會PCAB測邊（距）交會法兩條邊可確定P點坐標(biāo) 無線電導(dǎo)航定位 衛(wèi)星激光測距定位PCABd1d2d3無線電發(fā)射臺或激光測距儀無線電接收機或衛(wèi)星GPS衛(wèi)星定位的基本原理應(yīng)用測距交會的原理，利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置交會出地面未知點（用戶接收機）的位置。GPS衛(wèi)星定位的基本原理觀測方程P點的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）依據(jù)測距的原理劃分： 1）偽距法定位（測碼） 2）載波相位測量定

2、位（測相） 3）差分GPS定位根據(jù)待定點的運動狀態(tài)劃分： 1）靜態(tài)定位 2）動態(tài)定位 GPS衛(wèi)星定位方法分類偽距測量偽距： 由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達GPS接收機的傳播時間乘以光速所得出的量測距離。由于各種誤差的存在，與衛(wèi)星到測站的實際幾何距離有一定差值。兩種測量值： - CA碼偽距 - P碼偽距由GPS接收機在某一時刻測出到達四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用測距交會的方法求定接收機天線所在點的三維坐標(biāo)。偽距法定位偽距測量的特點適用于導(dǎo)航和低精度測量（P碼定位誤差約為10m，C/A碼定位誤差為2030m）；定位速度快；可作為載波相位測量中解決整波數(shù)不確定問題（模糊度）的輔助資料

3、。偽距測量的方法衛(wèi)星發(fā)出一個測距碼，該測距碼經(jīng)過時間后到達接收機；接收機產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)完全相同的測距碼復(fù)制碼，并通過時延器使其延遲時間；將兩組測距碼進行相關(guān)處理，直到兩組測距碼的自相關(guān)系數(shù) R()=1為止，此時，復(fù)制碼已和測距碼對齊，復(fù)制碼的延遲時間 就等于衛(wèi)星信號的傳播時間；將 乘上光速c后即可求得衛(wèi)星至接收機的偽距。偽距測量的方法(續(xù))為什么利用碼相關(guān)法測定偽距？為什么不利用碼的標(biāo)志來推算時延值？隨機誤差的存在： 每個測距碼在產(chǎn)生時；測距碼在傳播過程中由于外界干擾產(chǎn)生變形；復(fù)制碼在產(chǎn)生時。僅根據(jù)測距碼中的某一標(biāo)志來進行量測會帶來較大誤差。利用碼相關(guān)技術(shù)在自相關(guān)系數(shù)R() = max 的情況下

4、來確定信號的傳播時間，實質(zhì)上是采用了多個碼特征來確定 ，排除了隨機誤差的影響。偽距測量的原理 三種時間系統(tǒng)：各顆GPS衛(wèi)星的時間標(biāo)準各臺GPS信號接收機的時間標(biāo)準統(tǒng)一上述時間標(biāo)準的GPS時間系統(tǒng)偽距測量的原理（續(xù)）偽噪聲碼從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間：偽噪聲碼從衛(wèi)星到達接收天線的時元偽噪聲碼在其衛(wèi)星的發(fā)射時元偽距測量的原理（續(xù)）dt 衛(wèi)星時鐘相對于GPS時間系統(tǒng)的時間偏差（可根據(jù)導(dǎo)航電文求得）dT 接收機時鐘相對于GPS時間系統(tǒng)的時間偏差（接收機鐘差）偽距測量的原理（續(xù)）衛(wèi)星到接收天線的距離（包含電離層、對流層的誤差）：衛(wèi)星到接收天線的“偽距（pseudorange）”：偽噪聲碼的真實傳播時間偽

5、距測量的原理（續(xù)）考慮電離層/對流層影響的偽距值：C (dt dT ) 時鐘偏差引起的距離偏差dion電離層效應(yīng)引起的距離偏差dtrop對流層引起的距離偏差偽距測量的原理（續(xù)） 是衛(wèi)星在軌位置和用戶位置的函數(shù)，即： 第j 顆衛(wèi)星在時元t 的三維坐標(biāo)，可從導(dǎo)航電文中求得 用戶接收天線在時元t 的三維坐標(biāo)，為待求的未知數(shù)上式中有4個未知數(shù)（用戶三維坐標(biāo)和接收機的鐘差dT ）。這樣在任何一個觀測瞬間，用戶至少需要同時觀測4顆衛(wèi)星，以便解算4個未知數(shù)。偽距測量的基本方程（續(xù)）載波相位測量優(yōu)勢 偽距測量的不足： 測距碼的碼元寬度較大，因此量測精度較低。 （對C/A碼而言精度3m左右，P碼約為30cm）如

6、果把載波作為量測信號，載波的波長要短得多（L1=19cm， L2=24cm ），比P碼碼元的長度小兩個數(shù)量級。對載波進行相位測量，可以達到很高的精度。載波相位測量存在的問題載波信號是一種周期性正弦信號，相位測量只能測定其不足一個波長的部分，因而存在著整周數(shù)不確定性的問題，使解算過程變得比較復(fù)雜。重建載波重建載波： 將調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文去掉，重新獲得載波。方法： - 碼相關(guān)法：可同時提取測距信號和衛(wèi)星電文 - 平方法 ：只能提取載波載波相位測量的觀測量GPS接收機所接收的衛(wèi)星載波信號與接收機本振參考信號的相位差。載波相位測量原理k 接收機在接收機鐘面時刻tk 時觀測j 衛(wèi)星所取得的相

7、位觀測量k 接收機在接收機鐘面時刻tk 時所產(chǎn)生的本地參考信號的相位值k 接收機在接收機鐘面時刻tk 時所接收到的j 衛(wèi)星載波信號的相位值初始t0時刻，小于一周的相位差為0，其整周數(shù)為 ，則此時的相位觀測值為： 任一時刻ti衛(wèi)星Sj 到k接收機的相位差：整周數(shù)變化量整周模糊度（常數(shù)）三差法載波相位測量的觀測方程設(shè)在GPS標(biāo)準時刻Ta（衛(wèi)星鐘時刻ta）衛(wèi)星Sj發(fā)射的載波信號相位為j（ta），經(jīng)傳播延遲后，在GPS標(biāo)準時刻Tb（接收機鐘時刻tb）到達接收機。根據(jù)電磁波傳播原理， Tb時接收到的和Ta時發(fā)射時的相位不變，即j（Tb） = j（ta）在Tb 時，載波相位觀測量為： = （tb）- j（

8、Tb） = （tb）- j（ta）載波相位測量的觀測方程（續(xù)）考慮衛(wèi)星鐘差和接收機鐘差，有Ta =ta+ta , Tb =tb+tb , 則： = （Tb - tb）- j（ Ta - ta ） (1)載波信號的相位與頻率的關(guān)系為: （t +t）= （t）+ f t （2）因此，公式（1）可寫為： = （Tb ）- fi tb- j（Ta ）+ f j ta （3）載波相位測量的觀測方程（續(xù)）fi =f j =fTb =Ta + ，由公式（2），得： Nkj+（Tb）= j（Ta）+ f 所以，公式（3）可改寫為： = j（Ta）+ f - f tb- j（Ta ） + f ta- Nkj =

9、 (f -f tb+ f ta)- Nkj （4）載波相位測量的觀測方程（續(xù)）傳播延遲中考慮電離層和對流層的影響1和2 ，則：代入公式（4），得：載波相位測量的觀測方程f：接收機產(chǎn)生的固定參考頻率c: 光速：衛(wèi)星至接收機之間的距離（未知數(shù)）1：電離層影響2：對流層影響ta ：衛(wèi)星鐘差tb ：接收機鐘差（未知數(shù)）接收機 k 對衛(wèi)星 j 的載波相位測量的觀測方程：偽距測量與載波相位測量的觀測方程的聯(lián)系由于=c/f，則：所以，得整周未知數(shù)N0的確定靜態(tài)方法動態(tài)方法靜態(tài)法偽距法經(jīng)典方法多普勒法快速確定法需要對GPS衛(wèi)星的靜態(tài)觀測來實現(xiàn)偽距法將載波相位測量的觀測值(化為以距離為單位)減去偽距實際觀測值后

10、即可得到No。由于偽距測量的精度較低，所以要有較多的No取平均值后才能獲得正確的整波段數(shù)。所以，得經(jīng)典方法 將整周未知數(shù)當(dāng)做平差中的待定參數(shù) 整數(shù)解 實數(shù)解經(jīng)典方法整數(shù)解 短基線定位時一般采用這種方法。 具體步驟： 首先根據(jù)衛(wèi)星位置和修復(fù)了周跳后的相位觀測值進行平差計算，求得基線向量和整周未知數(shù)。 解得的整周未知數(shù)是一個實數(shù)，將其固定為整數(shù)(四舍五入法)，并重新進行平差計算。 在計算中整周未知數(shù)采用整周值并視為已知數(shù)，以求得基線向量的最后值。經(jīng)典方法實數(shù)解基線較長時采用這種方法。具體步驟類似整數(shù)解方法，區(qū)別在于解得的整周未知數(shù)是一個實數(shù)。經(jīng)典方法的不足采用經(jīng)典方法時，需要較長的觀測時間，影響了

11、作業(yè)效率，所以只有在高精度定位領(lǐng)域中才應(yīng)用多普勒法（三差法）由于連續(xù)跟蹤的所有載波相位觀測值中均含有相同的整周未知數(shù)N0，所以將相鄰兩個觀測歷元的載波相位相減，就可消去N0，從而解出坐標(biāo)。然后再根據(jù)坐標(biāo)值求解N0 。多普勒法（三差法） tm時刻衛(wèi)星Sj到k接收機的相位差： tn時刻衛(wèi)星Sj到k接收機的相位差：(1)(2)公式（1）-（2），即可消除N0多普勒法（三差法）（續(xù)）兩個歷元間的載波相位觀測值之差受接收機鐘及衛(wèi)星鐘的隨機誤差影響，所以精度不太好，往往用來求整周數(shù)的初始值。 1990年EFrei和GBeutler提出 基本思路： 利用初始平差的解向量及其精度信息，以參數(shù)估計和統(tǒng)計假設(shè)檢驗

12、為基礎(chǔ)，確定在某一置信區(qū)間內(nèi)N0的可能的整數(shù)解的組合； 依次將N0的每一組合作為已知值，重復(fù)進行平差計算。使估值的驗后平差或方差和為最小的一組N0 ，即為最佳估值?？焖俅_定整周未知數(shù)法(FARA)Fast ambiguity resolution approach快速確定整周未知數(shù)法（續(xù)）利用這種方法進行短基線定位時，利用雙頻接收機只須觀測一分鐘即可確定整周未知數(shù)此方法已在快速靜態(tài)定位中得到了廣泛應(yīng)用靜態(tài)法的不足使用靜態(tài)方法時，一旦對所測衛(wèi)星失鎖，則接收機載體必須停下來，重新確定整周未知數(shù)，嚴重限制了載波相位觀測法在高精度動態(tài)定位中的有效應(yīng)用。動態(tài)初始化法AROFAmbiguity resolution on the fly1993