GPS卫星定位基本原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第五章,GPS,卫星定位基本原理,5.1,概 述,5.2,伪距测量,5.3,载波相位测量,5.4,整周跳变的修复,5.5 GPS,绝对定位与相对定位,5.6,美国的,GPS,政策,5.7,差分,GPS,定位原理,5.1,概 述,测角交会,前方交会,后方交会,测边（距）交会法,两条边可确定,P,点坐标,无线电导航定位,卫星激光测距定位,GPS,定位基本原理,运用空间距离,前方交会,的方法求出,卫星的位置,。,运用空间距离,后方交会,的方法求,测站点的位置,。,观测值：,距离,GPS,定位方法及分类,依据测距的原理划分：,伪距法定位（测码）,载波相位测量定位（测相）,差分定位,依据（接收机）待定点运动状态划分,动态定位,认为接收机相对于地面是运动的,静态定位,认为接收机相对于地面静止不动,绝对定位与相对定位：,绝对定位,求测站点相对于地心的坐标；（静态） 相对定位,求测站点相对于某已知点的坐标增量；,5.2,伪距测量,GPS,测距码,5.2.1,伪距,:,卫星发射的测距码信号到达,GPS,接收机的传播时间。,5.2.2,伪距定位观测方程,GPS,测距码,模二相加,运算规则,脉冲：在短时间内突变，随后又迅速返回到其初始值的物理量；,脉冲信号：像脉搏跳动一样的信号，相对与直流，断续的信号。,码：表达信息的二进制数及其组合,状态编号,各存储器单元, ,模二相加, ,输出码元,1,2,3,1 1 1 1,1 1 1 0,1 1 0 0,0,0,0,1,1,1,4,5,6,1 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,1,0,0,1,0,0,7,8,9,0 1 0 0,1 0 0 1,0 0 1 1,1,1,0,0,1,0,10,11,12,0 1 1 0,1 1 0 1 1 0 1 0,1,0,1,0,1,1,13,14,15,0 1 0 1,1 0 1 1,0 1 1 1,1,1,1,0,1,0,四级反馈移位寄存器的状态序列,四级反馈移位寄存器,t,u,：,钟脉冲的时间间隔,码值,1,码状态,-1,码值,0,码状态,+1,GPS,测距码,C/A,码（,Coarse/Acquisition Code,）,10,级,1,周期含码元数,N,：,1023,； 码率：,1.023MHz,；,码元宽度,t,u,：,0.98us(293.05m),；精度：,2.9m,周期：,T,u,=,Nt,u,=1ms,；,粗码,/,捕获码；,仅被调制在,L1,上,P,（,Y,）码（,Precise Code,）,1,周期含码元数：,6.19,10,12,；,码率：,10.23MHz,； 周期：,7,天；,码元宽度：,0.098us(29.30m),； 精度,:0.29m,精码；,被调制在,L1,和,L2,上,测距码（续）,5.2.1,码相关伪距测量原理,（,1,）卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出某一结构的测距码，经过,t,时的传播到达,GPS,接收机。,（,2,）接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构完全相同的复制码。,（,3,）通过时延器使之延迟时间,，对两码进相关比较。,（,4,）直至两码完全对齐，相关系数,R,（,t,）,=max=1,，则该时间延迟,即为传播时间,t,（,=t,）。,（,5,）距离,=,ct,=,c,。,复制码,接收码,5.2.2,伪距定位观测方程,由卫星钟驱动下产生的,GPS,信号，离开卫星发射天线，在地球引力场中穿越大气层，进入接收机内部，与接收机自身产生的参考信号相比较，得到,GPS,观测值。,观测方程要反映该过程,5.2.2,伪距定位观测方程,三种时间系统,5.2.2,伪距定位观测方程,伪距,信号传播时间,卫星发出信号时间（以卫星钟面时间标准）,接收机接收的时间（以接收机钟面时间标准）,RINEX 2,格式的广播电文含义,PRN,号,年月日时分秒,a,0,a,1,a,2,AODE,C,rs,n,M,0,C,uc,e,C,us,t,0,C,ic,0,C,is,i,0,C,rs,cflgl2,GPD,pflgl2,卫星精度,卫星健康,T,gd,AODC,信息传输时间,地球大气结构,大气折射效应,色散介质与非色散介质,色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同,非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同,对,GPS,信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质,电离层对,C/A,码影响,C/A,码,在电离层中以群速,V,g,传播 （级数展开）,其速度与频率有关,电离层改正的大小主要取决于电子总量和信号频率,电离层对载波影响,载波是正弦波,在电离层中以相速度传播,电离层影响与太阳黑子活动有关,与卫星到接收机方向有关，天顶方向最大,50m,延迟高度角,20,时,150m,延迟,对流层影响,从地面到高空,40KM,大气层为对流层；,电磁波经过对流层会产生延迟，和温度、湿度、气压有关；,天顶方向可达,23m,，,高度角,10,o,，可达,13m,。,5.2.2,伪距定位观测方程,考虑大气影响,卫星与测站真实距离为,伪距测量方程为,伪距测量的特点：无模糊度，精度低。,5.3,载波相位测量,1.,采用载波相位测量原因及重建载波,5.3.1,载波相位测量原理,5.3.2,载波相位测量,.,的观测方程,5.3.3,整周未知数,N,0,的确定,1,、采用载波相位测量原因, 测距码测距精度对于一些高精度的应用无法满足,C/A 2.9,P 0.29m,载波的波长短，可达到很高的精度,载波,L1 ,频率：,154,f,0,= 1575.43MHz,；,波长：,19.03cm,L2 ,频率：,120,f,0,= 1227.60MHz,；,波长：,24.42cm,卫星信号的调制,二进制信号的相位调制,调相,PM,载波相位测量的关键技术重建载波,码相关法,方法：将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。,技术要点：卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。,特点,限制：需要了解码的结构。,优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）,载波相位测量的特点,优点,精度高，测距精度可达,0.1mm,量级,难点,整周未知数问题,整周跳变问题,5.3.1 GPS,载波相位测量原理,5.3.1 GPS,载波相位测量原理,GPS,载波相位测量的基本原理,理想情况,实际情况,载波相位观测值,观测值,整周计数,整周未知数（整周模糊度）,GPS,载波相位测量的基本原理,载波相位测量的观测量是,GPS,接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。,k,接收机在接收机钟面时刻,t,k,时观测,j,卫星所取得的相位观测量,5.3.2,载波相位观测方程,在初始时刻,t,0,，测得小于一周的相位差为 ，其整周数为 ，此时包含整周数的相位差为,5.3.2,载波相位观测方程,接收机继续跟踪卫星信号，不断测定小于,1,周的相位差 ，同时计数器记录从 到 时间内的整周变化量 ，只要卫星信号没中断，初始时刻的整周模糊度 为一常数。,时刻 卫星到接收机的相位差为,5.3.2,载波相位观测方程,在,GPS,标准时刻,T,a,（卫星钟时刻,t,a,）卫星发射的载波相位为,经传播延迟 ，在,GPS,标准时刻,T,b,（接收机钟面时刻,t,b,）到达接收机,电磁波传播原理,在,T,b,时,接收机本振产生的载波相位为,T,b,时的相位差为,5.3.2,载波相位观测方程,传播延迟,相位差,观测量,伪距测量与载波相位测量的观测方程的联系,5.3.3,整周模糊度的确定,整周未知数,5.3.3,整周模糊度的确定,伪距法,将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值,(,化为以距离为单位,),后即可得到,N,0,。（实时动态相对定位,RTK P,码双频法）,将整周未知数当作平差中的待定参数,经典方法,1,）整数解 短基线测量,2,）实数解 长基线测量,多普勒法,(,三差法,),将相邻两个观测历元的载波相位相减，消去了整周未知数,N,0,，从而直接解出坐标参数。常用来获得未知参数的初始值。,5.3.3,整周模糊度的确定,快速确定整周未知数法,这种方法对某一置信区间所有整数组合一一进行平差，取估值的验后方差或方差和为最小的一组整周未知数作为整周未知数的最佳估值。,进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟便能成功地确定整周未知数。用于快速静态定位。（精度,cm,级）,5.4,整周跳变修复,整周跳变,：,卫星信号中断或失锁，接收机计数器无法连续计数使整周计数不正确，但不到一整周的相位观测值仍是正确的。简称周跳。,产生周跳的原因,建筑物或树木等障碍物的遮挡,电离层电子活动剧烈,多路径效应的影响,卫星信噪比,(SNR),太低,接收机的高动态,接收机内置软件的设计不周全,电源故障或振荡器本身,故障使信号中断 ？,Diffraction,Multipaths,Direct,Reflected,Wall,周跳的特点,周跳只引起载波相位观测量的整周数发生跳跃，小数部分则是正确的。,周跳具有继承性，即从发生周跳的历元开始，以后所有历元的相位观测值都受到这个周跳的影响。,周跳发生非常频繁。,周跳修复的必要性,相位观测值中存在周跳，相当于观测值中存在粗差，将会严重影响,GPS,基线解算过程中的最小二乘估计，使基线解算失败或严重歪曲基线解算的结果。在,GPS,动态定位中，如数值为,1,周的周跳不修复，将会导致数十厘米的误差。这对于高精度的,GPS,测量是无法接受的。,周跳的探测与修复是,GPS,载波相位数据处理中不可缺少的组成部分,只有消除了周跳的“干净”相位数据，才能用于,GPS,精密定位。,