GPS卫星定位基本原理.ppt

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1、第五章第五章 GPSGPS卫星定位基本原理卫星定位基本原理5.1 5.1 概概 述述5.2 5.2 伪距测量伪距测量5.3 5.3 载波相位测量载波相位测量5.4 5.4 整周跳变的修复整周跳变的修复5.5 GPS5.5 GPS绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位5.6 5.6 美国的美国的GPSGPS政策政策5.7 5.7 差分差分GPSGPS定位原理定位原理5.1 5.1 概概 述述测角交会测角交会前方交会前方交会后方交会后方交会测边（距）交会法测边（距）交会法两条边可确定两条边可确定P P点坐标点坐标无线电导航定位无线电导航定位卫星激光测距定位卫星激光测距定位GPS定位基本原理定位基本原

2、理 运用空间距离运用空间距离前方交会前方交会的方的方法求出法求出卫星的位置卫星的位置。运用空间距离运用空间距离后方交会后方交会的方的方法求法求测站点的位置测站点的位置。观测值：观测值：距离距离GPSGPS定位方法及分类定位方法及分类依据测距的原理划分：依据测距的原理划分：伪距法定位（测码）伪距法定位（测码）载波相位测量定位（测相）载波相位测量定位（测相）差分定位差分定位依据（接收机）待定点运动状态划分依据（接收机）待定点运动状态划分 动态定位动态定位认为接收机相对于地面是运动的认为接收机相对于地面是运动的 静态定位静态定位认为接收机相对于地面静止不动认为接收机相对于地面静止不动绝对定位与相对定

3、位：绝对定位与相对定位：绝对定位绝对定位求测站点相对于地心的坐标；（静态）求测站点相对于地心的坐标；（静态）相对定位相对定位求测站点相对于某已知点的坐标增量；求测站点相对于某已知点的坐标增量；5.2 5.2 伪距测量伪距测量GPSGPS测距码测距码5.2.1 5.2.1 伪距伪距:卫星发射的测距码信号到达卫星发射的测距码信号到达GPSGPS接收机的传播时间。接收机的传播时间。5.2.2 5.2.2 伪距定位观测方程伪距定位观测方程GPSGPS测距码测距码模二相加模二相加运算规则运算规则脉冲：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；物理量

4、；脉冲信号：像脉搏跳动一样的信号，相对与直流，断续脉冲信号：像脉搏跳动一样的信号，相对与直流，断续的信号。的信号。码：表达信息的二进制数及其组合码：表达信息的二进制数及其组合状态状态编号编号 各存储器单元各存储器单元 模二相加模二相加 输出输出码元码元1 12 23 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 00 00 00 01 11 11 14 45 56 6 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 01 10 00 01 10 00 07 78 89 9 0 1 0 0 0 1 0

5、0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 11 11 10 00 01 10 0101011111212 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 01 0 1 01 10 01 10 01 11 1131314141515 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 11 11 11 10 01 10 0四四级级反反馈馈移移位位寄寄存存器器的的状状态态序序列列四级反馈移位寄存器四级反馈移位寄存器tu：钟脉冲的时间间隔钟脉冲的时间间隔码值码值1 码状态码状态-1 码值码值0 码状态码状态+1

6、 GPSGPS测距码测距码 C/AC/A码（码（Coarse/Acquisition CodeCoarse/Acquisition Code）1010级级 1 1周期含码元数周期含码元数N N：10231023；码率：码率：1.023MHz1.023MHz；码元宽度码元宽度t tu u：0.98us(293.05m)0.98us(293.05m)；精度：；精度：2.9m2.9m 周期：周期：T Tu u=NtNtu u=1ms=1ms；粗码粗码/捕获码；捕获码；仅被调制在仅被调制在L1L1上上 P P（Y Y）码（）码（Precise CodePrecise Code）1 1周期含码元数：周期

7、含码元数：6.196.1910101212；码率：码率：10.23MHz10.23MHz；周期：周期：7 7天；天；码元宽度：码元宽度：0.098us(29.30m)0.098us(29.30m)；精度精度:0.29m :0.29m 精码；精码；被调制在被调制在L1L1和和L2L2上上测距码（续）测距码（续）5.2.1 5.2.1 码相关伪距测量原理码相关伪距测量原理（1）卫星依据自己时钟（钟脉冲）卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出某一结构的测距码，经过发出某一结构的测距码，经过t时时的传播到达的传播到达GPS接收机。接收机。（2）接收机在自己钟脉冲驱动下，）接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构

8、完全相同的复制码。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）通过时延器使之延迟时间，对，对两码进相关比较。两码进相关比较。（4）直至两码完全对齐，相关系数）直至两码完全对齐，相关系数 R（t）=max=1，则该时间延迟，则该时间延迟即即为传播时间为传播时间t（=t）。）。（5）距离）距离=ct=c。复制码复制码 接收码接收码5.2.2 5.2.2 伪距定位观测方程伪距定位观测方程 由卫星钟驱动下产生的由卫星钟驱动下产生的GPS信号，离信号，离开卫星发射天线，在地球引力场中穿越大开卫星发射天线，在地球引力场中穿越大气层，进入接收机内部，与接收机自身产气层，进入接收机内部，与接收

9、机自身产生的参考信号相比较，得到生的参考信号相比较，得到GPS观测值。观测值。观测方程要反映该过程观测方程要反映该过程5.2.2 5.2.2 伪距定位观测方程伪距定位观测方程三种时间系统三种时间系统5.2.2 5.2.2 伪距定位观测方程伪距定位观测方程伪距伪距信号传播时间信号传播时间卫星发出信号时间（以卫星钟面时间标准）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）接收机接收的时间（以接收机钟面时间标准）RINEX 2 RINEX 2 格式的广播电文含义格式的广播电文含义PRN号号年月日时分秒年月日时分秒a0a1a2AODECrsnM0CuceCust0Cic

10、0Cisi0Crscflgl2 GPDpflgl2卫星精度卫星精度卫星健康卫星健康TgdAODC信息传输时间信息传输时间地球大气结构地球大气结构大气折射效应大气折射效应 色散介质与非色散介质色散介质与非色散介质色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同效应也不同非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同射效应相同对对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质是非色散介质电离层对电离层对C/AC/A码影响码影响C/AC/A码 在电离层中以群速在电离层中以群速

11、V Vg g传播传播 （级数展开）（级数展开）其速度与频率有关其速度与频率有关 电离层改正的大小主电离层改正的大小主要取决于电子总量和要取决于电子总量和信号频率信号频率电离层对载波影响电离层对载波影响载波是正弦波载波是正弦波 在电离层中以相速度传播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电离层影响与太阳黑子活动有关 与与卫卫星星到到接接收收机机方方向向有有关关，天天顶顶方方向向最最大大50m延延迟迟高度角高度角20时时150m延迟延迟对流层影响对流层影响 从地面到高空从地面到高空40KM大大气层为对流层；气层为对流层；电磁波经过对流层会产电磁波经过对流层会产生延迟，和温度、湿度、生

12、延迟，和温度、湿度、气压有关；气压有关；天顶方向可达天顶方向可达23m，高度角高度角10o，可达，可达13m。5.2.2 5.2.2 伪距定位观测方程伪距定位观测方程考虑大气影响考虑大气影响,卫星与测站真实距离为卫星与测站真实距离为伪距测量方程为伪距测量方程为 伪距测量的特点：无模糊度，精度低。伪距测量的特点：无模糊度，精度低。5.3 5.3 载波相位测量载波相位测量1.采用载波相位测量原因及重建载波采用载波相位测量原因及重建载波5.3.1 载波相位测量原理载波相位测量原理5.3.2 载波相位测量载波相位测量.的观测方程的观测方程5.3.3 整周未知数整周未知数N0的确定的确定1、采用载波相位

13、测量原因、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测距码测距精度对于一些高精度的应用无法满足法满足 C/A 2.9C/A 2.9 P 0.29m P 0.29m 载波的波长短，可达到很高的精度载波的波长短，可达到很高的精度 载波载波L1 频率：频率：154 f0 =1575.43MHz；波长：波长：19.03cmL2 频率：频率：120 f0 =1227.60MHz；波长：波长：24.42cm卫星信号的调制卫星信号的调制二进制信号的相位调制二进制信号的相位调制调相调相PM载波相位测量的关键技术重建载波载波相位测量的关键技术重建载波码相关法码相关法方法：将所接收到的调制信号方法

14、：将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。复制码相乘。技术要点：卫星信号（弱）与技术要点：卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。接收机信号（强）相乘。特点特点限制：需要了解码的结构。限制：需要了解码的结构。优点：可获得导航电文，可获优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）好（信噪比高）载波相位测量的特点载波相位测量的特点优点优点 精度高，测距精度可达精度高，测距精度可达0.1mm量级量级难点难点 整周未知数问题整周未知数问题 整周跳变问题整周跳变问题5.3.1 GPS5.3.1 GPS载波相位测量原理载

15、波相位测量原理5.3.1 GPS5.3.1 GPS载波相位测量原理载波相位测量原理GPS载波相位测量的基本原理载波相位测量的基本原理理想情况理想情况实际情况实际情况载波相位观测值载波相位观测值观测值观测值整周计数整周计数整周未知数（整周模糊度）整周未知数（整周模糊度）GPSGPS载波相位测量的基本原理载波相位测量的基本原理 载波相位测量的观测量是载波相位测量的观测量是GPSGPS接收机所接收的卫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。星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。k k接收机在接收机钟面接收机在接收机钟面时刻时刻t tk k时观测时观测j j卫星所卫星所取得的相位观测

16、量取得的相位观测量5.3.2 5.3.2 载波相位观测方程载波相位观测方程在初始时刻在初始时刻t0，测得小于一周的相位差为，测得小于一周的相位差为 ，其整周，其整周数为数为 ，此时包含整周数的相位差为，此时包含整周数的相位差为5.3.2 5.3.2 载波相位观测方程载波相位观测方程 接收机继续跟踪卫星信号，不断测定小于接收机继续跟踪卫星信号，不断测定小于1周周的相位差的相位差 ，同时计数器记录从，同时计数器记录从 到到 时间内时间内的整周变化量的整周变化量 ，只要卫星信号没中断，初始，只要卫星信号没中断，初始时刻的整周模糊度时刻的整周模糊度 为一常数。为一常数。时刻时刻 卫星到接收机的相位差为

17、卫星到接收机的相位差为5.3.2 5.3.2 载波相位观测方程载波相位观测方程在在GPS标准时刻标准时刻Ta（卫星钟时刻（卫星钟时刻ta）卫星发射的载）卫星发射的载波相位为波相位为 ,经传播延迟经传播延迟 ，在，在GPS标准时刻标准时刻Tb（接收机钟面时刻（接收机钟面时刻tb）到达接收机）到达接收机电磁波传播原理电磁波传播原理在在Tb时时,接收机本振产生的载波相位为接收机本振产生的载波相位为Tb时的相位差为时的相位差为5.3.2 5.3.2 载波相位观测方程载波相位观测方程传播延迟传播延迟相位差相位差观测量观测量伪距测量与载波相位测量的观测方程的联系伪距测量与载波相位测量的观测方程的联系5.3

18、.3 5.3.3 整周模糊度的确定整周模糊度的确定整周未知数整周未知数5.3.3 5.3.3 整周模糊度的确定整周模糊度的确定伪距法伪距法 将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值(化化为以距离为单位为以距离为单位)后即可得到后即可得到N0。（实时动态相。（实时动态相对定位对定位RTK P码双频法）码双频法）将整周未知数当作平差中的待定参数将整周未知数当作平差中的待定参数经典方经典方法法 1）整数解）整数解 短基线测量短基线测量 2）实数解）实数解 长基线测量长基线测量 多普勒法多普勒法(三差法三差法)将相邻两个观测历元的载波相位相减，消去了整将相邻两个

19、观测历元的载波相位相减，消去了整周未知数周未知数N0，从而直接解出坐标参数。常用来获，从而直接解出坐标参数。常用来获得未知参数的初始值。得未知参数的初始值。5.3.3 5.3.3 整周模糊度的确定整周模糊度的确定快速确定整周未知数法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和为最小的一组整周未知数作为整周未知数的最佳估值。数的最佳估值。进行短基线定位时，利用双频接收机只进行短基线定位时，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。

20、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。（精度用于快速静态定位。（精度cm级）级）5.4 5.4 整周跳变修复整周跳变修复 整周跳变整周跳变：卫星信号中断或失锁，接收机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。简称不到一整周的相位观测值仍是正确的。简称周跳。周跳。产生周跳的原因产生周跳的原因建筑物或树木等障碍物的遮挡建筑物或树木等障碍物的遮挡 电离层电子活动剧烈电离层电子活动剧烈 多路径效应的影响多路径效应的影响 卫星信噪比卫星信噪比(SNR)太低太低 接收机的高动态接收机的高动态 接

21、收机内置软件的设计不周全接收机内置软件的设计不周全电源故障或振荡器本身电源故障或振荡器本身故障使信号中断故障使信号中断？DiffractionDiffractionMultipathsMultipaths DirectReflectedWall 周跳的特点周跳的特点周跳只引起载波相位观测量的整周数发生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。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始，以后所有历元的相位观测值都受到这个周跳的影响。个周跳的影响。周跳发生非常频繁。周跳发生非常频繁。周

22、跳修复的必要性周跳修复的必要性 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，将会严重影响差，将会严重影响GPS基线解算过程中的最小二乘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。估计，使基线解算失败或严重歪曲基线解算的结果。在在GPS动态定位中，如数值为动态定位中，如数值为1周的周跳不修复，周的周跳不修复，将会导致数十厘米的误差。这对于高精度的将会导致数十厘米的误差。这对于高精度的GPS测测量是无法接受的。量是无法接受的。周跳的探测与修复是周跳的探测与修复是GPS载波相位数据处理中不载波相位数据处理中不可缺少的组成部分可缺少的组成部分,只有消除了周跳的只有消除了周跳的“干净干净”相位相位数据，才能用于数据，才能用于GPS精密定位。精密定位。