GPS偽距定位原理分析課件

GPS偽距定位原理GPS偽距定位原理1主要內(nèi)容（一）GPS測距碼及其特性

（二）偽隨機碼的測距原理（三）衛(wèi)星偽距導(dǎo)航基本原理（四）導(dǎo)航定位精度的評估方法主要內(nèi)容（一）GPS測距碼及其特性2一GPS測距碼及其特性1.1偽隨機噪聲碼1.2GPS測距碼

一GPS測距碼及其特性1.1偽隨機噪聲碼31.1

偽隨機噪聲碼

隨機噪聲碼--對于某一時刻，碼元是0或1完全是隨機的。

（編碼無規(guī)律、非周期性、自相關(guān)性好、無法復(fù)制）偽隨機噪聲碼--PseudoRandomNoise（PRN）（編碼規(guī)則確定、周期性、自相關(guān)性好、可復(fù)制）碼隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼101111001111010010011110011001111011兩組碼元相互對齊時間延遲碼

--表達不同信息的二進制組合（0和1）。1.1偽隨機噪聲碼碼隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼10141.2

GPS測距碼(I)C/A碼（Coarse/Acquisitioncode）周期--1ms碼長--1023bit碼元寬--0.97752(293.05m)

特點：

①碼長短、易捕獲；

（50bit/s20.5s）

②碼元寬度較大、測距精度較低；

（對齊誤差1/1002.93m、粗碼）③結(jié)構(gòu)公開、民用；（調(diào)制在L1、L2載波上）

④不同衛(wèi)星發(fā)射不同C/A碼序列。

（屬于Gold碼、低互相關(guān)性，快速區(qū)分不同衛(wèi)星的信號）精度為碼元寬的1%1.2GPS測距碼(I)C/A碼（Coarse/Acqui51.2

GPS測距碼(II)P碼（Precisioncode）周期--266days碼長--2.35x1014bit碼元寬--0.097752(29.30m)

266/37=7days2.35x1014bit32SVs--P碼37周不會有重復(fù)，這樣就可以為不同的衛(wèi)星指定P碼不同周的部分。每顆衛(wèi)星所使用的P碼不同部分，碼長和周期相同，結(jié)構(gòu)不同。e.g.PRN01、PRN02……特點：

①先捕獲C/A碼，再根據(jù)導(dǎo)航電文信息捕獲P碼；（50bit/s1.4x106days）②碼元寬度為C/A碼的1/10；

（對齊誤差1/1000.29m、精碼）③AS(Anti-Spoofing)、P碼W碼P(Y)碼（01/31/1994、調(diào)制在L1、L2載波上、接收機技術(shù)Z-tracking）1.2GPS測距碼(II)P碼（Precisioncod6二偽隨機碼的測距原理2.1測距基本原理2.2測距碼測定偽距特點2.3偽距觀測方程二偽隨機碼的測距原理2.1測距基本原理72.1測定偽距原理(I)衛(wèi)星衛(wèi)星鐘測距碼接收機接收機鐘復(fù)制碼衛(wèi)地距偽距【時間延遲的測定】接收機產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相同的測距碼不斷變動延遲時間相關(guān)系數(shù)復(fù)制碼搜索衛(wèi)星信號鎖定衛(wèi)星信號時間延遲器2.1測定偽距原理(I)衛(wèi)星衛(wèi)星鐘測距碼接收機接收機鐘復(fù)制82.1測定偽距原理(II)對比時刻對應(yīng)的某一結(jié)構(gòu)的測距碼

接收的來自衛(wèi)星的測距碼經(jīng)時延器延遲后的復(fù)制碼

兩組信號的相關(guān)系數(shù)：

理論值實際值（兩組信號完全對齊）（所有碼總體上對得最好）原因①衛(wèi)星鐘和接收機鐘存在誤差，引起兩組信號的碼寬度與理論值并不完全相同；②衛(wèi)星信號在長距離傳播過程中可能產(chǎn)生畸變。最大相關(guān)性分析信號傳播時間2.1測定偽距原理(II)對比時刻對應(yīng)的某一92.2測距碼測定偽距特點(I)1）易于提取微弱的衛(wèi)星信號

衛(wèi)星信號20W衛(wèi)地距2x1014km干擾信號kW離用戶距離數(shù)km~數(shù)百km2）可提高測距精度積分間隔中所有碼總體上對得最好測距碼的獨特結(jié)構(gòu)所有碼分別測距取平均2.2測距碼測定偽距特點(I)1）易于提取微弱的衛(wèi)星信號測102.2測距碼測定偽距特點(II)

3）便于碼分多址技術(shù)對衛(wèi)星信號的識別碼分多址CDMA--CodeDivisionMultipleAccess

4）便于對系統(tǒng)進行控制和管理

ch1ch2…chxPRN01PRNxx…PRN02noise公開或加密碼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS精密定位服務(wù)PPSC/A碼

P(Y)碼2.2測距碼測定偽距特點(II)3）便于碼分多址技術(shù)對衛(wèi)112.3偽距觀測方程(I)在真空中且無誤差的情況下，距離觀測值等于衛(wèi)地幾何距離，表示如下：--觀測偽距（observed）

--衛(wèi)地幾何距離（geometric）

--信號發(fā)射時刻（GPST）--信號接收時刻（GPST）若考慮衛(wèi)星鐘和接收機鐘的誤差，則距離觀測值就要表示成：--衛(wèi)星鐘面時

--接收機鐘面時2.3偽距觀測方程(I)在真空中且無誤差的情況下，122.3偽距觀測方程(II)若將所有的誤差項考慮在內(nèi)，則距離觀測值可如下表示：

未知參數(shù)：接收機位置--接收機鐘差--偽距觀測方程2.3偽距觀測方程(II)若將所有的誤差項考慮在13三衛(wèi)星偽距導(dǎo)航基本原理3.1偽距觀測方程線性化3.2偽距單點定位實現(xiàn)三衛(wèi)星偽距導(dǎo)航基本原理3.1偽距觀測方程線性化14

非線性3.1偽距觀測方程線性化(I)非線性3.1偽距觀測方程線性化(I)153.1偽距觀測方程線性化(II)

可以將在測站近似坐標(biāo)處泰勒級數(shù)展開至一階項：

線性化3.1偽距觀測方程線性化(II)線性化163.1偽距觀測方程線性化(III)3.1偽距觀測方程線性化(III)173.2偽距單點定位(I)單點定位--根據(jù)衛(wèi)星星歷及單臺GNSS接收機的觀測值確定該接收機在地球坐標(biāo)系中的絕對坐標(biāo)的方法，又稱為絕對定位。3.2偽距單點定位(I)單點定位--根據(jù)衛(wèi)星183.2偽距單點定位(II)最小二乘3.2偽距單點定位(II)最小二乘19關(guān)于接收機位置近似值

（計算過程需迭代）信號傳播過程中的地球旋轉(zhuǎn)改正

（計算衛(wèi)地距時應(yīng)考慮地球旋轉(zhuǎn)改正）SA政策（SelectiveAvailability廣播星歷、衛(wèi)星鐘5/1/2000turnoff）2.2偽距單點定位(III)幾個需要注意的問題關(guān)于接收機位置近似值204.1偽距導(dǎo)航定位的精度評價4.2衛(wèi)星幾何分布對定位精度影響四導(dǎo)航定位精度的評估方法4.1偽距導(dǎo)航定位的精度評價四導(dǎo)航定位精度的評估方法21

假設(shè)偽距觀測值同精度且相互獨立，則由最小二乘原則，可以得到：

精度評定：

--偽距觀測值中誤差

--定位解的中誤差4.1

偽距導(dǎo)航定位的精度評價(I)對稱4.1偽距導(dǎo)航定位的精度評價(I)對稱22精度衰減因子DOP（DilutionofPrecision）

（協(xié)因數(shù)陣主對角線元素的函數(shù)）精度評定：

4.1

偽距導(dǎo)航定位的精度評價(II)對稱局部大地坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)系對稱位置精度因子精度衰減因子DOP（DilutionofPrecisio23幾種常用精度因子位置精度因子平面精度因子高程精度因子接收機鐘差精度因子幾何精度因子4.1

偽距導(dǎo)航定位的精度評價(III)VDOPPDOPHDOPGDOPTDOP幾種常用精度因子4.1偽距導(dǎo)航定位的精度評價(III)VD24DOP與所觀測衛(wèi)星的空間幾何分布有關(guān)4.2衛(wèi)星幾何分布對定位精度影響(I)DOP與所觀測衛(wèi)星的空間幾何分布有關(guān)4.2衛(wèi)星幾何分布對定25對于4顆觀測衛(wèi)星，由測站與衛(wèi)星所構(gòu)成的六面體體積越大，GDOP值越小。4.2衛(wèi)星幾何分布對定位精度影響(II)對于4顆觀測衛(wèi)星，由測站與衛(wèi)星所構(gòu)成的六面體體積越大，GDO26GPS偽距定位原理GPS偽距定位原理27主要內(nèi)容（一）GPS測距碼及其特性

（二）偽隨機碼的測距原理（三）衛(wèi)星偽距導(dǎo)航基本原理（四）導(dǎo)航定位精度的評估方法主要內(nèi)容（一）GPS測距碼及其特性28一GPS測距碼及其特性1.1偽隨機噪聲碼1.2GPS測距碼

一GPS測距碼及其特性1.1偽隨機噪聲碼291.1

偽隨機噪聲碼

隨機噪聲碼--對于某一時刻，碼元是0或1完全是隨機的。

（編碼無規(guī)律、非周期性、自相關(guān)性好、無法復(fù)制）偽隨機噪聲碼--PseudoRandomNoise（PRN）（編碼規(guī)則確定、周期性、自相關(guān)性好、可復(fù)制）碼隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼101111001111010010011110011001111011兩組碼元相互對齊時間延遲碼

--表達不同信息的二進制組合（0和1）。1.1偽隨機噪聲碼碼隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼101301.2

GPS測距碼(I)C/A碼（Coarse/Acquisitioncode）周期--1ms碼長--1023bit碼元寬--0.97752(293.05m)

特點：

①碼長短、易捕獲；

（50bit/s20.5s）

②碼元寬度較大、測距精度較低；

（對齊誤差1/1002.93m、粗碼）③結(jié)構(gòu)公開、民用；（調(diào)制在L1、L2載波上）

④不同衛(wèi)星發(fā)射不同C/A碼序列。

（屬于Gold碼、低互相關(guān)性，快速區(qū)分不同衛(wèi)星的信號）精度為碼元寬的1%1.2GPS測距碼(I)C/A碼（Coarse/Acqui311.2

GPS測距碼(II)P碼（Precisioncode）周期--266days碼長--2.35x1014bit碼元寬--0.097752(29.30m)

266/37=7days2.35x1014bit32SVs--P碼37周不會有重復(fù)，這樣就可以為不同的衛(wèi)星指定P碼不同周的部分。每顆衛(wèi)星所使用的P碼不同部分，碼長和周期相同，結(jié)構(gòu)不同。e.g.PRN01、PRN02……特點：

①先捕獲C/A碼，再根據(jù)導(dǎo)航電文信息捕獲P碼；（50bit/s1.4x106days）②碼元寬度為C/A碼的1/10；

（對齊誤差1/1000.29m、精碼）③AS(Anti-Spoofing)、P碼W碼P(Y)碼（01/31/1994、調(diào)制在L1、L2載波上、接收機技術(shù)Z-tracking）1.2GPS測距碼(II)P碼（Precisioncod32二偽隨機碼的測距原理2.1測距基本原理2.2測距碼測定偽距特點2.3偽距觀測方程二偽隨機碼的測距原理2.1測距基本原理332.1測定偽距原理(I)衛(wèi)星衛(wèi)星鐘測距碼接收機接收機鐘復(fù)制碼衛(wèi)地距偽距【時間延遲的測定】接收機產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相同的測距碼不斷變動延遲時間相關(guān)系數(shù)復(fù)制碼搜索衛(wèi)星信號鎖定衛(wèi)星信號時間延遲器2.1測定偽距原理(I)衛(wèi)星衛(wèi)星鐘測距碼接收機接收機鐘復(fù)制342.1測定偽距原理(II)對比時刻對應(yīng)的某一結(jié)構(gòu)的測距碼

接收的來自衛(wèi)星的測距碼經(jīng)時延器延遲后的復(fù)制碼

兩組信號的相關(guān)系數(shù)：

理論值實際值（兩組信號完全對齊）（所有碼總體上對得最好）原因①衛(wèi)星鐘和接收機鐘存在誤差，引起兩組信號的碼寬度與理論值并不完全相同；②衛(wèi)星信號在長距離傳播過程中可能產(chǎn)生畸變。最大相關(guān)性分析信號傳播時間2.1測定偽距原理(II)對比時刻對應(yīng)的某一352.2測距碼測定偽距特點(I)1）易于提取微弱的衛(wèi)星信號

衛(wèi)星信號20W衛(wèi)地距2x1014km干擾信號kW離用戶距離數(shù)km~數(shù)百km2）可提高測距精度積分間隔中所有碼總體上對得最好測距碼的獨特結(jié)構(gòu)所有碼分別測距取平均2.2測距碼測定偽距特點(I)1）易于提取微弱的衛(wèi)星信號測362.2測距碼測定偽距特點(II)

3）便于碼分多址技術(shù)對衛(wèi)星信號的識別碼分多址CDMA--CodeDivisionMultipleAccess

4）便于對系統(tǒng)進行控制和管理

ch1ch2…chxPRN01PRNxx…PRN02noise公開或加密碼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS精密定位服務(wù)PPSC/A碼

P(Y)碼2.2測距碼測定偽距特點(II)3）便于碼分多址技術(shù)對衛(wèi)372.3偽距觀測方程(I)在真空中且無誤差的情況下，距離觀測值等于衛(wèi)地幾何距離，表示如下：--觀測偽距（observed）

--衛(wèi)地幾何距離（geometric）

--信號發(fā)射時刻（GPST）--信號接收時刻（GPST）若考慮衛(wèi)星鐘和接收機鐘的誤差，則距離觀測值就要表示成：--衛(wèi)星鐘面時

--接收機鐘面時2.3偽距觀測方程(I)在真空中且無誤差的情況下，382.3偽距觀測方程(II)若將所有的誤差項考慮在內(nèi)，則距離觀測值可如下表示：

未知參數(shù)：接收機位置--接收機鐘差--偽距觀測方程2.3偽距觀測方程(II)若將所有的誤差項考慮在39三衛(wèi)星偽距導(dǎo)航基本原理3.1偽距觀測方程線性化3.2偽距單點定位實現(xiàn)三衛(wèi)星偽距導(dǎo)航基本原理3.1偽距觀測方程線性化40

非線性3.1偽距觀測方程線性化(I)非線性3.1偽距觀測方程線性化(I)413.1偽距觀測方程線性化(II)

可以將在測站近似坐標(biāo)處泰勒級數(shù)展開至一階項：

線性化3.1偽距觀測方程線性化(II)線性化423.1偽距觀測方程線性化(III)3.1偽距觀測方程線性化(III)433.2偽距單點定位(I)單點定位--根據(jù)衛(wèi)星星歷及單臺GNSS接收機的觀測值確定該接收機在地球坐標(biāo)系中的絕對坐標(biāo)的方法，又稱為絕對定位。3.2偽距單點定位(I)單點定位--根據(jù)衛(wèi)星443.2偽距單點定位(II)最小二乘3.2偽距單點定位(II)最小二乘45關(guān)于接收機位置近似值

（計算過程需迭代）信號傳播過程中的地球旋轉(zhuǎn)改正

（計算衛(wèi)地距時應(yīng)考慮地球旋轉(zhuǎn)改正）SA政策（SelectiveAvailability廣播星歷、衛(wèi)星鐘5/1/2000turnoff）2