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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GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.1 5.1 概述概述GPSGPS卫星定位基本原理卫星定位基本原理:卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。实际上是将卫星作为动态空间和时间信息。实际上是将卫星作为动态空间已知点，利用距离交会
2、的原理确定接收机的已知点，利用距离交会的原理确定接收机的三维位置。三维位置。5.1 5.1 概述概述被动式被动式 有源无线电定有源无线电定位技术位技术 利用距离交会利用距离交会的原理确定接的原理确定接收机的三维位收机的三维位置及钟差置及钟差GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用空空间间距距离离交交会会原原理理图图GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用1 1、GPSGPS定位的各种常用的观测量定位的各种常用的观测量qL L1 1载波相位波相位观测值 qL L2 2载波相位波相位观测值 q调制在调制在L L1 1上的上的C/A
3、-codeC/A-code伪距伪距 q调制在调制在L L2 2上的上的P-codeP-code伪距伪距 qDoppleDopple(多普勒多普勒)观测值(导航航电文文)GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.1 5.1 概述概述GPSGPS信号构成图信号构成图GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.1 5.1 概述概述 2 2、对卫星进行测距、对卫星进行测距有关各观测量及已知数据如下：有关各观测量及已知数据如下：r 为已知的卫地矢量 P为观测量（伪距）R为未知的测站点位矢量接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距R Rjj =
4、r rii +P Piijj地心PijPj riRjGGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.1 5.1 概述概述3.GPS3.GPS定位的分类定位的分类 按按定位方式定位方式分为分为：单点定位单点定位(伪距定位伪距定位)相对定位（差分定位）相对定位（差分定位）按接收机的按接收机的运动状态运动状态分为：分为：动态定位动态定位 静态定位静态定位 GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.1 5.1 概述概述5.1 5.1 概述概述单点定位单点定位就是根据一台接收机的观测数据就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，
5、它只能采用伪来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）相对定位（差分定位）是根据两台以上接是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。应采用相位观测值进行相对定位。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用3.GPS3.GPS定位的分类定位的分类 在定位观测时
6、，若接收机相对于地球表面在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为运动，则称为动态定位动态定位；在定位观测时，若接收机相对于地球表面在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静止，则称为静态定位静态定位。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.1 5.1 概述概述3.GPS3.GPS定位的分类定位的分类 伪距定义：伪距定义：GPS接收机对测距码的量测就接收机对测距码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机钟的误差、卫星钟的误差及大气传播收机钟的误差、卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。误差，故称为
7、伪距。对对C/A码测得的伪距称为码测得的伪距称为C/A码伪距，精度码伪距，精度约为约为20-30米左右，对米左右，对P码测得的伪距称为码测得的伪距称为P码伪距，精度约为码伪距，精度约为2-10米左右。米左右。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.2 5.2 伪距测量伪距测量5.2 5.2 伪距测量伪距测量单点定位解可以理解为一个单点定位解可以理解为一个空间距离后方交会空间距离后方交会问题问题 卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）至卫星的伪距（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星
8、钟存在同步误差由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差 所以要同步观测所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：颗卫星，解算四个未知参数：纬度纬度 ,经度经度 ,高程高程 h,钟差钟差 t5.2.1 5.2.1 伪距测量伪距测量GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用伪距观测值的计算伪距观测值的计算v接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的得到的 v接收机本身按同一公式复制码信号接收机本身按同一公式复制码信号 v比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时
9、间 t v传播延迟时间乘以光速就是距离观测值传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C t卫星钟调制的码信号 接收机时钟复制的码信号 ttGGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.2 5.2 伪距测量伪距测量(1)(1)为什么要用码相关法来测定伪距为什么要用码相关法来测定伪距利用码相关技术在自相关系数利用码相关技术在自相关系数R(R()=max)=max的情况下来确定信号的传播时间，实际上的情况下来确定信号的传播时间，实际上就是根据参加比对的就是根据参加比对的n n个码来共同确定传播个码来共同确定传播时间。自相关系数最大就意味着从总体上时间。自相关系数最大就意味
10、着从总体上讲这两组测距码已对得尽可能的齐了。在讲这两组测距码已对得尽可能的齐了。在这种情况下测定的传播时间，从某种意义这种情况下测定的传播时间，从某种意义上讲就是用上讲就是用n n个标志测定的信号传播时间的个标志测定的信号传播时间的平均值。这样可以大幅度地消除各种随机平均值。这样可以大幅度地消除各种随机误差的影响，从而大大提高测定精度。误差的影响，从而大大提高测定精度。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.2.1 5.2.1 伪距测量伪距测量(2)自相关系数的测定方法自相关系数的测定方法测定自相关系数测定自相关系数R()的工作由接收机锁相的工作由接收机锁
11、相环路中的环路中的相关器相关器和和积分器积分器来完成。自相关来完成。自相关系数系数R()可以用下式来表示：可以用下式来表示：GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.2 5.2 伪距测量伪距测量5.2.1 5.2.1 伪距测量伪距测量自相关原理自相关原理GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用自相关系数的测定方法自相关系数的测定方法 其测量原理如图：其测量原理如图：由接收机由接收机锁锁相相环环路中的相关器和路中的相关器和积积分器来完成分器来完成 卫星 接收机(t-)相关器 积分器 时钟 cp码发生器(t+t)码移位控制(t+
12、t-)(t)R()GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.2.2 5.2.2 伪距定位观测方程伪距定位观测方程考虑电离层、对流层、钟差影响有考虑电离层、对流层、钟差影响有伪距定位基本观测方程伪距定位基本观测方程GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.3 5.3 载波相位测量载波相位测量5.3.1 5.3.1 载波相位观测值载波相位观测值发自卫星发自卫星 的电磁波的电磁波 信号：信号：信号量测精度优于波长的1/100 载波波长（L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多 所以，GPS测量采
13、用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度 L1载波载波L2载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 mGGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.3.2 5.3.2 载波相位观测方程载波相位观测方程载波相位基本观测方程载波相位基本观测方程:考虑电离层、对流层、钟差影响有：GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用5.3.3 5.3.3 整周未知数整周未知数N N0 0的确定的确定(1/2)(1/2)N(t0)=4 N(t0)=4 N(t0)=4
14、N(t0):未知的整周未知数(ti):相位差的小数部分 接收机记录绿色部分为整周计数 接收机 记录GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用整周未知数整周未知数N N0 0的确定方法（的确定方法（2/22/2）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(化为以距离化为以距离 为单位为单位)后即可得到后即可得到N N0 0。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法经典方法 1)1)整数解整数解 短基线测量短基线测量 2)2)实数解数解 长基线测量基线测量 多普勒法多普勒法(三差法三
15、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 N0 0，从而直接解出坐标参数。常从而直接解出坐标参数。常用来用来获得获得未知参数的初始未知参数的初始值值。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一一进行平差，取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。知数的最佳估值。进行短基行短基线定位定位时，利用双，利用双频接收机只需接收机只需观测一分一分钟便能便能 成功地确
16、定整周未知数。成功地确定整周未知数。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用快速确定整周未知数法快速确定整周未知数法(1/4)所有历元双差观测值组成的误差方程为：经初始平差后，可以得到整周模糊度解的协 因数阵QNN和单位权验后中误差m0,双差整周模糊度 经过初始平差后得到的浮点解中误差mNi:GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用 上式中，tr,1-为显著水平为，自由度为r(双差浮点解平差中的多余观测数)的t分布密度函数的双尾分位值，当显著水平、自由度r确定以后，其值可从分布表中查得。设Ci为i的所有取值可能个数，则(n个整
17、周模糊度)快速确定整周未知数法快速确定整周未知数法(2/4)(2/4)由此，在一定置信水平1条件下，相应于任一 整周模糊度的置信区间应为:GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用快速确定整周未知数法快速确定整周未知数法(3/4)(3/4)将上述整周模糊度的各种可能组合依次作为固定值，代入法方程中进行平差计算，求出其验后单位权中误差。当这一计算过程全部完成后，取其验后单位权中误差最小的那一组未知测站近似坐标改正数为最后结果，由此模糊度也就求解出来了。这一过程称为相位模糊度的求解搜索过程。在这一处理过程中，有两个问题必须考虑：第一，如何判断整周未知数的最后取值是否
18、可靠；第二，怎样才可能获得精确的整周未知数的最后取值。关于前者，可以引入整周模糊度搜索因子Ratio来判断。Ratio定义为验后方差的次最小值与验后方差的最小值之间的比值。即GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用快速确定整周未知数法快速确定整周未知数法(4/4)(4/4)很显然，Ratio的值越大，求出的整周未知数越可靠。关于后者，要延长接收机的观测时间。当观测数据足够多时，初始平差后得到的验后方差就小，一方面减少了搜索整周未知数最佳值的时间，另一方面提高了计算结果的可靠性。由以上分析可以看出，在置信水平确定的情况下，整周模糊度的可能组合数的多少取决于初始平差后所得到的整周模糊度方差的大小和观测的卫星数。同时，整周模糊度的的可能组合数的多少却决定着完成模糊度搜索过程的时间。如果同步观测的时间较短，则初始平差后得到的整周模糊度的方差就较大，于是整周模糊度的可能组合数就很大，以致完成搜索过程的时间就较长，或者造成搜索过程失败。因此，如何减少平差计算的工作量，缩短搜索整周模糊度最佳估值的时间，并提高其可靠性，成为研究GPS相对定位的焦点。GGP P S S测测测测量量量量原原原原理理理理及及及及应应应应用用用用作作 业业快速确定整周未知数的方法快速确定整周未知数的方法