GPS-05-GPS衛(wèi)星定位基本原理(一)解析.ppt

1、GPS原理及應(yīng)用,上海海洋大學(xué)海洋學(xué)院 Email: 課程類別：海技專業(yè)基礎(chǔ)課,講授：沈蔚,第五章 GPS定位方法,概述 偽距測量 載波相位測量 整周跳變的修復(fù) GPS絕對定位 GPS相對定位 差分GPS定位原理 美國的GPS政策,GPS課程學(xué)習(xí)內(nèi)容及體系,GPS系統(tǒng)組成 衛(wèi)星的運動和衛(wèi)星星歷 GPS信號和觀測值 定位誤差源,5.1 概述,交會法確定點位,測角交會法 測邊交會法,5.1 概述,測角交會法,5.1 概述,測邊（距）交會法,兩條邊可確定P點坐標(biāo)，為了檢核和提高精度，增加第3條邊,無線電導(dǎo)航定位 衛(wèi)星激光測距定位,無線電發(fā)射臺或激光測距儀,無線電接收機或衛(wèi)星,5.1 概述,GPS衛(wèi)星

2、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。,5.1 概述,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）,5.1 概述,單點定位解算用戶位置,用戶在t 時元的位置為：,5.1 概述,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 根據(jù)觀測方式 1）絕對定位 2）相對定位,GPS衛(wèi)星定位方法分類,5.1 概述,1）偽距定位與載波相位定位,偽距定位 采用偽距觀測值，測距直接，定位精度低 載波相位定位 采用載波相位觀測

3、值，觀測值轉(zhuǎn)化成距離有一定難度，定位精度高,C/A碼： 29.3m P碼： 2.93m L1載波： 1.9cm L2載波： 2.4cm,測距精度比較,5.1 概述,2）靜態(tài)定位和動態(tài)定位,靜態(tài)定位：在定位過程中，接收機的位置是固定的，處于靜止?fàn)顟B(tài)。(這種靜止?fàn)顟B(tài)是相對的) 動態(tài)定位：在定位過程中，接收機天線處于運動狀態(tài)。 廣泛應(yīng)用于動態(tài)目標(biāo)的監(jiān)測，導(dǎo)航。,5.1 概述,3）絕對定位和相對定位,絕對定位（單點定位）： 一臺接收機獨立確定待定點在坐標(biāo)系中的絕對位置。 相對定位： 兩臺（或多臺）接收機同步觀測GPS衛(wèi)星，確定它們之間的相對位置的方法。,5.1 概述,5.2 偽距測量,偽距： 由衛(wèi)星發(fā)

4、射的測距碼信號到達(dá)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(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,5.2偽距測量,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。,5.2偽距測量,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(dá)接收機； 接收機產(chǎn)生一

5、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(jìn)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。,5.2偽距測量,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： 測距碼在傳播過程中由于外界干擾產(chǎn)生變形；測距碼和復(fù)制碼在產(chǎn)生時帶有隨即誤差。 僅根據(jù)測距碼中的某一標(biāo)志來進(jìn)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

6、的影響。,5.2偽距測量,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(zhǔn) 各臺GPS信號接收機的時間標(biāo)準(zhǔn) 統(tǒng)一上述時間標(biāo)準(zhǔn)的GPS時間系統(tǒng),5.2偽距測量,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(dá)接收天線的時元,偽噪聲碼在其衛(wèi)星的發(fā)射時元,5.2偽距測量,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）,5.2偽距測量,偽距測量的原理（續(xù)）,衛(wèi)星到接收天線的真實距離：,衛(wèi)星到接收天線的“偽距（pseudorange）”：,5.2偽距測量,偽距測量

7、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,5.2偽距測量,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),5.2偽距測量,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)）,5.2偽距測量,GPS接收機所接收的衛(wèi)星載波信號與接收機本地參考信號的相位差。,

8、5.3偽載波測量,5.3 載波相位測量,重建載波,5.3偽載波測量,載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù),重建載波 將非連續(xù)的載波信號恢復(fù)成連續(xù)的載波信號。,載波調(diào)制了電文之后 變成了非連續(xù)的波,偽距測量與載波相位測量,碼相關(guān)法 方法 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(fù)制碼相乘。 技術(shù)要點 衛(wèi)星信號（弱）與接收機信號（強）相乘。 特點 限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。 優(yōu)點：可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波長的載波，信號質(zhì)量好（信噪比高）,碼相關(guān)法,重建載波,載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù),平方法 方法 將所接收到的調(diào)制信號（衛(wèi)星信號）自乘。 技術(shù)要點 衛(wèi)星信號（弱）自乘。 特點 優(yōu)點：無需了解碼的結(jié)構(gòu) 缺點：無法

9、獲得導(dǎo)航電文，所獲載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30dB）,平方法,重建載波,載波相位測量的關(guān)鍵技術(shù),5.3.1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,5.3偽載波測量,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：,5.3偽載波測量,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)）,5.3偽載波測量,相位差,載波相位測量原理,觀測值 整周

10、計數(shù) 整周未知數(shù)（整周模糊度）,載波相位觀測值,5.3偽載波測量,載波相位測量的特點,優(yōu)點 精度高，測距精度可達(dá)0.1mm量級（對C/A碼而言精度3m左右，P碼約為30cm） 難點 整周未知數(shù)問題 整周技術(shù)問題,5.3偽載波測量,5.3.2載波相位測量的觀測方程,設(shè)在GPS標(biāo)準(zhǔn)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（ta），經(jīng)傳播延遲后，在GPS標(biāo)準(zhǔn)時刻Tb（接收機鐘時刻tb）到達(dá)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（Tb） = （tb）- j（ta）,5.3偽載

11、波測量,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 ） (5-12) 載波信號的相位與頻率的關(guān)系為: （t +t）= （t）+f t （5-13） 因此，公式（5-12）可寫為： = （Tb ）-fi tb- j（Ta ）+ f j ta (5-14),5.3偽載波測量,載波相位測量的觀測方程（續(xù)）,fi =f j =f Tb =Ta + ，由公式(5-13)得： （Tb）= j（Ta）+f 所以，公式(5-14)可改寫為： = j（Ta）+f -f tb- j（Ta ）+ f

12、ta = f -f tb+ f ta (5-15),5.3偽載波測量,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（5-15），得：,5.3偽載波測量,(5-17),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：,5.3偽載波測量,(5-18),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,5.3偽載波測量,5.3.3整周未知數(shù)N0的確定,靜態(tài)

13、方法 動態(tài)方法,5.3偽載波測量,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),5.3偽載波測量,1、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)。,5.3偽載波測量,所以，得,2、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,5.3偽載波測量,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(jìn)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)(

14、四舍五入法)，并重新進(jìn)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。,5.3偽載波測量,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)。,5.3偽載波測量,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，影響了作業(yè)效率，所以只有在高精度定位領(lǐng)域中才應(yīng)用,5.3偽載波測量,3、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 。,5.3偽載波測量,多普勒法（三差法）,tm時刻衛(wèi)星Sj

15、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N0,5.3偽載波測量,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。,5.3偽載波測量,4、快速確定整周未知數(shù)法,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。,5.3偽載波測量,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，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,5.3偽載波測量,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(yán)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。,5.3偽載波測量,動態(tài)初始化法,1993年徠卡公司開發(fā)成功 基本思想： 根據(jù)接收機在運動過程中對載波信號的短時間觀測值，與參考站的同步觀測值一起，利