第三章01GPS測量概述

第三章01GPS測量概述第一頁，共34頁。3.1.1 GPS定位的方式四種分類（八種定位方式）：

絕對定位

按參考點位置的不同相對定位絕對定位：單點定位，以地球質心為參考點

。相對定位：確定與某一地面參考點的相對位置。

第二頁，共34頁。按照接收機運動狀態(tài)不同靜態(tài)定位動態(tài)定位按照定位采用觀測量的不同偽距測量（測距碼：C/A、P）載波相位測量（載波：L1、L2）按照獲取定位結果時間的不同實時定位（實時解算接收機天線位置）非實時定位（后處理定位）第三頁，共34頁。GPS定位的基本原理GPS定位的基本原理是以GPS衛(wèi)星至用戶接收機之間的距離或距離差為觀測量，根據(jù)已知衛(wèi)星的瞬時坐標，利用空間距離后方交會，確定用戶接收機天線所對應的觀測站的位置。測量衛(wèi)星與接收機之間的距離，以衛(wèi)星所在位置為圓心，以距離為半徑畫球體，則接收機位于球體表面；用同樣的方法，以接收機與第二顆衛(wèi)星的距離做球體，接收機的位置位于兩球體相交的圓弧上；再以第三顆衛(wèi)星做精密定位，則將接收機位置確定在三個球面所交會的兩點上，其中一點為接收機所在位置，作為接收機位置的參考點，另一點很可能為太空上的某一點。第四頁，共34頁。第五頁，共34頁。實現(xiàn)定位的基本條件：已知衛(wèi)星的瞬時位置；確定衛(wèi)星與接收機之間的距離。偽距測量（碼相位測量）載波相位測量第六頁，共34頁。3.1.2碼相位測量偽距測量：碼相位測量，指利用測距碼測量衛(wèi)星信號到達接收機的時間延遲（距離延遲）。偽距：衛(wèi)星信號到達接收機的時間延遲與光速乘積。由于衛(wèi)星與接收機之間的觀測距離并非站星之間的幾何距離，而是包含了電離層、對流層誤差以及站星鐘差的距離，因此也被稱為偽距第七頁，共34頁。時間延遲：接收機內部復制碼與接收到的測距碼信號對齊，達到最大相關時所需的相移量，即為衛(wèi)星信號的傳播時間。第八頁，共34頁。衛(wèi)星信號于“T”時刻發(fā)射GPS接收機于“T+t”收到信號站星距離=信號傳播時間x光速碼相位測量原理第九頁，共34頁。碼相位測量原理重點：碼相位測量的重點是確定衛(wèi)星信號的傳播時間。測距碼是具有一定編碼規(guī)則的二進制碼序列，在一個周期內每個碼對應著某一特定的時間；實際上每個碼在產(chǎn)生過程中都帶有隨機誤差，而且在長距離傳送后也會產(chǎn)生變形；

第十頁，共34頁。采用碼相關技術確定信號傳播時間，排除隨機誤差的影響，采用多個碼特征確定信號傳播時間；由于測距碼和復制碼在產(chǎn)生時都帶有隨機誤差而且傳播過程中的大氣折射影響也帶有誤差，碼的自相關不可能為“1”，只能在自相關最大的情況下確定偽距。第十一頁，共34頁。測定測距碼的自相關系數(shù)由GPS接收機完成衛(wèi)星于某一時刻T發(fā)射出某一結構的測距碼信號，接收機也在同一時刻產(chǎn)生與發(fā)射信號結構完全相同的測距碼（也稱為復制碼）；第十二頁，共34頁。經(jīng)過時間t，接收機接收到衛(wèi)星的測距碼信號后（接收碼），通過時間按延遲器將復制碼向后平移若干碼元，使復制碼與接收碼達到最大相關，記錄平移碼元數(shù)，平移碼元數(shù)與碼元寬度的乘積就是衛(wèi)星測距碼信號的傳播時間t。第十三頁，共34頁。偽距測量方程的基本步驟確定衛(wèi)星信號傳播時間；考慮偽距觀測量與信號傳播時間的關系；偽距測量觀測方程線性化。第十四頁，共34頁。確定衛(wèi)星信號的傳播時間加入接收機、衛(wèi)星鐘差的信號傳播時間：實際鐘時刻理想鐘時刻鐘差（3.1）（3.2）信號傳播時間第十五頁，共34頁?？紤]偽距觀測量與信號傳播時間的關系加入大氣折射誤差，得到觀測歷元t時刻的偽距觀測方程：衛(wèi)星至接收機間幾何距離第十六頁，共34頁。偽距測量觀測方程線性化取至一次項的情況下，線性化：衛(wèi)星瞬時坐標觀測站坐標觀測站近似坐標觀測站坐標改正數(shù)第十七頁，共34頁。線性化公式簡化后方程：第十八頁，共34頁。3.1.3載波相位測量載波相位測量：測量接收機產(chǎn)生的參考載波信號與接收到的來自衛(wèi)星的具有多普勒頻移的載波信號之間的相位差。載波相位變化公式：接收機于ti歷元所產(chǎn)生的參考載波信號的相位衛(wèi)星于tj時刻發(fā)射的載波信號相位第十九頁，共34頁。載波相位測量基本原理載波相位變化量的測定：假定衛(wèi)星鐘和接收機鐘無鐘誤差，衛(wèi)星Sj于某一時刻T發(fā)射載波信號，其相位為φj，同時接收機振蕩器也在T時刻復制一個與發(fā)射載波初相和頻率完全相同參考載波；經(jīng)過時間△t時間，接收機接收到衛(wèi)星載波信號，此時接收機內載波信號已發(fā)生相位變化，相位為φi；GPS接收機通過接收信號與參考信號比相，獲得衛(wèi)星發(fā)射的載波信號從衛(wèi)星至接收機的相位變化。第二十頁，共34頁。

載波相位測量基本原理電磁波傳播示意圖第二十一頁，共34頁。GPS載波相位測量的基本原理理想情況實際情況第二十二頁，共34頁。載波相位測量的關鍵技術－重建載波重建載波為此要在載波相位測量之前先進行解調，設法將調制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉，恢復載波的相位。GPS接收機所接收到的衛(wèi)星信號中，已用相位調制技術在載波上調制了測距碼和衛(wèi)星導航電文，所以載波已不再連續(xù)。第二十三頁，共34頁。載波相位測距基本原理如果接收機在某一時刻跟蹤衛(wèi)星信號，并對恢復后的載波進行相位測量。同上文所講，接收機的本機振蕩器同時又能產(chǎn)生一個參考載波信號，其相位就等于衛(wèi)星載波信號的相位。如果在時刻ti接收機產(chǎn)生的基準信號的相位是φi，接收機接收到的載波信號的相位是φj，若能測定出二者相位之差，則由載波波長λ就可以求出該瞬間從衛(wèi)星至接收機的距離：第二十四頁，共34頁。特點分析由于測距碼的碼元寬度較大，因而測距精度不高，只能滿足某些導航和低精度定位要求。載波的波長較短，相同分辨率的情況下，載波相位的測量精度比偽距測量高出許多。C/A：2.9mP：0.29mL1：2mmL2：2.5mm第二十五頁，共34頁。載波信號是一種周期性的正弦波信號，接收機的鑒定器只能測定載波信號接受過程中相位變化不足一周的部分，因此，載波信號傳播路徑上相位變化的整周數(shù)無法直接測定，即有整周不確定性問題。在衛(wèi)星信號遮擋、多路徑效應以及外界噪聲等因素的干擾下，可能出現(xiàn)整周跳變現(xiàn)象，使整周未知數(shù)的確定變得愈加復雜。相比而言，偽距測量更容易。第二十六頁，共34頁。載波相位測量方程建立的基本步驟衛(wèi)星信號的傳播時間考慮接收機鐘差、大氣折射影響載波相位觀測方程考慮衛(wèi)星終、接收機鐘差影響以及整周位未知數(shù)表示相位差公式加入波長，建立載波相位觀測方程載波相位觀測方程線性化采用與偽距測量相同的線性化方法第二十七頁，共34頁。衛(wèi)星信號的傳播時間以理想GPS時間為準的載波信號相位差：ti時刻接收機載波相位tj時刻衛(wèi)星發(fā)射的載波相位載波相位與載波頻率、傳播時間的關系：理想的衛(wèi)星信號傳播時間第二十八頁，共34頁。衛(wèi)星信號傳播時間的確定與衛(wèi)星與接受機間幾何距離的關系：上式按泰勒級數(shù)展開后，忽略二次項，并考慮接收機鐘差的影響，可改寫為：第二十九頁，共34頁。將上式作一次迭代，略去平方項，考慮大氣折射影響的信號傳播時間最終表示為：衛(wèi)星信號傳播時間的確定（3.17）第三十頁，共34頁。GPS載波相位觀測方程觀測值載波相位觀測值周跳整周未知數(shù)

(整周模糊度)第三十一頁，共34頁。GPS載波相位觀測方程考慮衛(wèi)星和接收機鐘差的影響