GPS的基本原理及應(yīng)用測(cè)繪工程專業(yè)必備課件

1、GPS的基本原理及應(yīng)用測(cè)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(cè)量原理載波相位測(cè)量原理交會(huì)法確定點(diǎn)位測(cè)角交會(huì)法測(cè)邊交會(huì)法測(cè)角交會(huì)法ABP測(cè)方交會(huì)前方交會(huì)ABPA、B和C點(diǎn)坐標(biāo)已知，P點(diǎn)坐標(biāo)未知后方交會(huì)PCAB測(cè)邊（距）交會(huì)法兩條邊可確定P點(diǎn)坐標(biāo) 無(wú)線電導(dǎo)航定位 衛(wèi)星激光測(cè)距定位PCABd1d2d3無(wú)線電發(fā)射臺(tái)或激光測(cè)距儀無(wú)線電接收機(jī)或衛(wèi)星GPS衛(wèi)星定位的基本原理應(yīng)用測(cè)距交會(huì)的原理，利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置交會(huì)出地面未知點(diǎn)（用戶接收機(jī)）的位置。GPS衛(wèi)星定位的基本原理觀測(cè)方程P點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）依據(jù)測(cè)距的原理劃分： 1）偽距法定位（測(cè)碼） 2）載波相位測(cè)量定

2、位（測(cè)相） 3）差分GPS定位根據(jù)待定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)劃分： 1）靜態(tài)定位 2）動(dòng)態(tài)定位 GPS衛(wèi)星定位方法分類偽距測(cè)量偽距： 由衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速所得出的量測(cè)距離。由于各種誤差的存在，與衛(wèi)星到測(cè)站的實(shí)際幾何距離有一定差值。兩種測(cè)量值： - CA碼偽距 - P碼偽距由GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻測(cè)出到達(dá)四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用測(cè)距交會(huì)的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)。偽距法定位偽距測(cè)量的特點(diǎn)適用于導(dǎo)航和低精度測(cè)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(cè)量中解決整波數(shù)不確定問(wèn)題（模糊度）的輔助資料

3、。偽距測(cè)量的方法衛(wèi)星發(fā)出一個(gè)測(cè)距碼，該測(cè)距碼經(jīng)過(guò)時(shí)間后到達(dá)接收機(jī)；接收機(jī)產(chǎn)生一組結(jié)構(gòu)完全相同的測(cè)距碼復(fù)制碼，并通過(guò)時(shí)延器使其延遲時(shí)間；將兩組測(cè)距碼進(jìn)行相關(guān)處理，直到兩組測(cè)距碼的自相關(guān)系數(shù) R()=1為止，此時(shí)，復(fù)制碼已和測(cè)距碼對(duì)齊，復(fù)制碼的延遲時(shí)間 就等于衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間；將 乘上光速c后即可求得衛(wèi)星至接收機(jī)的偽距。偽距測(cè)量的方法(續(xù))為什么利用碼相關(guān)法測(cè)定偽距？為什么不利用碼的標(biāo)志來(lái)推算時(shí)延值？隨機(jī)誤差的存在： 每個(gè)測(cè)距碼在產(chǎn)生時(shí)；測(cè)距碼在傳播過(guò)程中由于外界干擾產(chǎn)生變形；復(fù)制碼在產(chǎn)生時(shí)。僅根據(jù)測(cè)距碼中的某一標(biāo)志來(lái)進(jìn)行量測(cè)會(huì)帶來(lái)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(lái)確定信號(hào)的傳播時(shí)間，實(shí)質(zhì)上是采用了多個(gè)碼特征來(lái)確定 ，排除了隨機(jī)誤差的影響。偽距測(cè)量的原理 三種時(shí)間系統(tǒng)：各顆GPS衛(wèi)星的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)各臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一上述時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的GPS時(shí)間系統(tǒng)偽距測(cè)量的原理（續(xù)）偽噪聲碼從衛(wèi)星到接收天線的傳播時(shí)間：偽噪聲碼從衛(wèi)星到達(dá)接收天線的時(shí)元偽噪聲碼在其衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)元偽距測(cè)量的原理（續(xù)）dt 衛(wèi)星時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間偏差（可根據(jù)導(dǎo)航電文求得）dT 接收機(jī)時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間偏差（接收機(jī)鐘差）偽距測(cè)量的原理（續(xù)）衛(wèi)星到接收天線的距離（包含電離層、對(duì)流層的誤差）：衛(wèi)星到接收天線的“偽距（pseudorange）”：偽噪聲碼的真實(shí)傳播時(shí)間偽

5、距測(cè)量的原理（續(xù)）考慮電離層/對(duì)流層影響的偽距值：C (dt dT ) 時(shí)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(duì)流層引起的距離偏差偽距測(cè)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(shí)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(shí)元t 的三維坐標(biāo)，為待求的未知數(shù)上式中有4個(gè)未知數(shù)（用戶三維坐標(biāo)和接收機(jī)的鐘差dT ）。這樣在任何一個(gè)觀測(cè)瞬間，用戶至少需要同時(shí)觀測(cè)4顆衛(wèi)星，以便解算4個(gè)未知數(shù)。偽距測(cè)量的基本方程（續(xù)）載波相位測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì) 偽距測(cè)量的不足： 測(cè)距碼的碼元寬度較大，因此量測(cè)精度較低。 （對(duì)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(cè)信號(hào)，載波的波長(zhǎng)要短得多（L1=19cm， L2=24cm ），比P碼碼元的長(zhǎng)度小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)載波進(jìn)行相位測(cè)量，可以達(dá)到很高的精度。載波相位測(cè)量存在的問(wèn)題載波信號(hào)是一種周期性正弦信號(hào)，相位測(cè)量只能測(cè)定其不足一個(gè)波長(zhǎng)的部分，因而存在著整周數(shù)不確定性的問(wèn)題，使解算過(guò)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(cè)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(shí)提取測(cè)距信號(hào)和衛(wèi)星電文 - 平方法 ：只能提取載波載波相位測(cè)量的觀測(cè)量GPS接收機(jī)所接收的衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)本振參考信號(hào)的相位差。載波相位測(cè)量原理k 接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時(shí)刻tk 時(shí)觀測(cè)j 衛(wèi)星所取得的相

7、位觀測(cè)量k 接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時(shí)刻tk 時(shí)所產(chǎn)生的本地參考信號(hào)的相位值k 接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時(shí)刻tk 時(shí)所接收到的j 衛(wèi)星載波信號(hào)的相位值初始t0時(shí)刻，小于一周的相位差為0，其整周數(shù)為 ，則此時(shí)的相位觀測(cè)值為： 任一時(shí)刻ti衛(wèi)星Sj 到k接收機(jī)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(cè)量的觀測(cè)方程設(shè)在GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻Ta（衛(wèi)星鐘時(shí)刻ta）衛(wèi)星Sj發(fā)射的載波信號(hào)相位為j（ta），經(jīng)傳播延遲后，在GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻Tb（接收機(jī)鐘時(shí)刻tb）到達(dá)接收機(jī)。根據(jù)電磁波傳播原理， Tb時(shí)接收到的和Ta時(shí)發(fā)射時(shí)的相位不變，即j（Tb） = j（ta）在Tb 時(shí)，載波相位觀測(cè)量為： = （tb）- j（

8、Tb） = （tb）- j（ta）載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程（續(xù)）考慮衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差，有Ta =ta+ta , Tb =tb+tb , 則： = （Tb - tb）- j（ Ta - ta ） (1)載波信號(hào)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(cè)量的觀測(cè)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(cè)量的觀測(cè)方程（續(xù)）傳播延遲中考慮電離層和對(duì)流層的影響1和2 ，則：代入公式（4），得：載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程f：接收機(jī)產(chǎn)生的固定參考頻率c: 光速：衛(wèi)星至接收機(jī)之間的距離（未知數(shù)）1：電離層影響2：對(duì)流層影響ta ：衛(wèi)星鐘差tb ：接收機(jī)鐘差（未知數(shù)）接收機(jī) k 對(duì)衛(wèi)星 j 的載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程：偽距測(cè)量與載波相位測(cè)量的觀測(cè)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(dòng)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(duì)GPS衛(wèi)星的靜態(tài)觀測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)偽距法將載波相位測(cè)量的觀測(cè)值(化為以距離為單位)減去偽距實(shí)際觀測(cè)值后

10、即可得到No。由于偽距測(cè)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(shí)數(shù)解經(jīng)典方法整數(shù)解 短基線定位時(shí)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(cè)值進(jìn)行平差計(jì)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(gè)實(shí)數(shù)，將其固定為整數(shù)(四舍五入法)，并重新進(jìn)行平差計(jì)算。 在計(jì)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(shí)數(shù)解基線較長(zhǎng)時(shí)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(gè)實(shí)數(shù)。經(jīng)典方法的不足采用經(jīng)典方法時(shí)，需要較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)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(cè)值中均含有相同的整周未知數(shù)N0，所以將相鄰兩個(gè)觀測(cè)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(shí)刻衛(wèi)星Sj到k接收機(jī)的相位差： tn時(shí)刻衛(wèi)星Sj到k接收機(jī)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(gè)歷元間的載波相位觀測(cè)值之差受接收機(jī)鐘及衛(wèi)星鐘的隨機(jī)誤差影響，所以精度不太好，往往用來(lái)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(jì)和統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)

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(jìn)行平差計(jì)算。使估值的驗(yàn)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(jìn)行短基線定位時(shí)，利用雙頻接收機(jī)只須觀測(cè)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(shí)，一旦對(duì)所測(cè)衛(wèi)星失鎖，則接收機(jī)載體必須停下來(lái)，重新確定整周未知數(shù)，嚴(yán)重限制了載波相位觀測(cè)法在高精度動(dòng)態(tài)定位中的有效應(yīng)用。動(dòng)態(tài)初始化法AROFAmbiguity resolution on the fly1993