第五章--GPS衛(wèi)星定位的基本原理

1、精選pptGPS技術講授老師：王志芳精選ppt第五章 GPS衛(wèi)星定位基本原理5.1 概述5.2 偽距測量5.3 載波相位測量5.4 整周跳變的修復 5.5 GPS絕對定位和相對定位5.6 美國的GPS政策5.7 差分GPS定位原理 精選ppt5.1 概述概述精選ppt5.1 概述概述空空間間距距離離交交會會原原理理圖圖精選ppt5.1 概述概述精選ppt5.1 概述概述精選ppt對于固定不動的待定點，將GPS接收機安置于其上，觀測數分鐘乃至更長的時間，以確定該點的三維坐標，又叫絕對定位。若以兩臺GPS接收機分別置于兩個待定點上，則通過一定時間的觀測，可以確定兩個待定點之間的相對位置，又叫相對定

2、位。 5.1 概述概述精選ppt5.2 偽距測量偽距測量由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達GPS接收機的傳播時間乘以光速傳播時間乘以光速所得出的量測距離量測距離。由于各種誤差各種誤差的存在，與衛(wèi)星到測站的實際幾何距離有一定差值。- CA碼偽距 - P碼偽距精選ppt由GPS接收機在某一時刻測出到達四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用測距交會測距交會的方法求接收機天線所在點的三維坐標。5.2 偽距測量偽距測量精選ppt適用于導航和低精度測量（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不確定問題（模糊度）的輔助資料。5.2 偽距測量偽距測

3、量精選ppt衛(wèi)星發(fā)出一個測距碼，該測距碼經過時間后到達接收機；接收機產生一組結構完全相同的測距碼復制碼，并通過時延器使其延遲時間；5.2 偽距測量偽距測量精選ppt將兩組測距碼進行相關處理，直到兩組測距碼的自相關系數 R()=1為止，此時，復制碼已和測距碼對齊，復制碼的延遲時間 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 偽距測量偽距測量精選ppt隨機誤差的存在： 每個測距碼在產生時；復制碼在產生時；測距碼在傳播過程中由于外界干擾產生變形。僅根據測距碼中的某一標志來進行量測會帶來較大誤差。利用碼相關技術在自相關系數R() = max 的情況下來確定信號的傳播時

4、間，實質上是采用了多個碼特征來確定 ，排除了隨機誤差的影響。5.2 偽距測量偽距測量精選ppt5.2 偽距測量偽距測量自相關系數的測定方法自相關系數的測定方法 其測量原理如圖：由接收機鎖相環(huán)路中的相關器和積分器來完成由衛(wèi)星鐘控制的測距碼a(t)在GPS時間t時刻自衛(wèi)星天線發(fā)出，經傳播延遲到達GPS接收機，接收機所接收到的信號為(t-)。)dt-t-(t)-(t1)(TTR接收機 (t-) 相關器 積分器 接收機 時鐘 cp碼發(fā)生器 (t+t)碼移位控制 a(t+t-)R() 精選ppt5.2 偽距測量偽距測量考慮電離層、對流層、鐘差影響有偽距定位基本觀測方程tjctkc21tC衛(wèi)星鐘差：對流層

5、改正：接收機鐘差：電離層改正項：tjctkc21精選ppt5.3 載波相位測量載波相位測量測距碼的碼元寬度較大，因此量測精度較低。 如果把載波作為量測信號，載波的波長要短得多（L1=19cm， L2=24cm ），比P碼碼元的長度小兩個數量級。對載波進行相位測量，可以達到很高的精度。精選ppt載波信號是一種周期性正弦信號，相位測量只能測定其不足一個波長的部分，因而存在著整周數不確定性整周數不確定性的問題，使解算過程變得比較復雜。5.3 載波相位測量載波相位測量精選ppt由于已用相位調整的方法在載波上調制了測距碼和導航電文，因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)，所以要設法將調制在載波上的測距碼和導航

6、電文去掉，重新獲得載波。- 碼相關法：可同時提取測距信號和衛(wèi)星電文 - 平方法：只能提取載波5.3 載波相位測量載波相位測量精選pptGPS接收機所接收的衛(wèi)星載波信號與接收機本振參考信號的相位差。5.3 載波相位測量載波相位測量精選ppt5.3 載波相位測量載波相位測量載波相位基本觀測方程:考慮電離層、對流層、鐘差影響有：時刻相位觀測值）（初始相位觀測值）itIntJNitjkitjkitjkJNtjk)(0)()()(00)0(jktktjijkijkNcfcffftcft21)()(精選ppt5.3 載波相位測量載波相位測量精選ppt5.3 載波相位測量載波相位測量偽距法偽距法 將偽距觀測

7、值減去載波相位測量的實際觀測值(化為以距離 為單位)后即可得到N0 。 將整周未知數當作平差中的待定參數將整周未知數當作平差中的待定參數經典方法經典方法 1)整數解整數解-短基線測量短基線測量 首先根據衛(wèi)星位置和修復了周跳后的相位觀測值進行平差計算，求得基線向量和整周未知數。由于各種誤差的影響，解得的整周未知數往往不是一個整數(稱為實數解)，然后將其固定為整數，并重新進行平差計算。在計算中整周未知數采用整周值并視為已知數，以求得基線向量的最后值。 2)實數解實數解-長基線測量長基線測量 當基線較長時，誤差的相關性將降低，許多誤差消除得不夠完善。所以無論是基線向量還是整周未知數，均無法估計得很準

8、確。在這種情況下再將整周未知數固定為某一整數往往無實際意義，所以通常將實數解作為最后解。精選ppt5.3 載波相位測量載波相位測量多普勒法多普勒法( (三差法三差法) ) 將相鄰兩個觀測歷元的載波相位相減，消去了整周未知數N0， 從而直接解出坐標參數。常用來獲得未知參數的初始值。 快速確定整周未知數法快速確定整周未知數法 這種方法對某一置信區(qū)間所有整數組合一一進行平差，取 估值的驗后方差或方差和為最小的一組整周未知數作為整周未 知數的最佳估值。 進行短基線定位時，利用雙頻接收機只需觀測一分鐘便能 成功地確定整周未知數。精選ppt5.4 整周跳變的修復整周跳變的修復 衛(wèi)星信號失鎖，使接收機的整周

9、計數無法連續(xù)計數。因此，當信號重新被跟蹤后，整周計數就不正確，但不到一整周的相位觀測值仍是正確的。這種現象稱為周跳。 精選ppt5.4 整周跳變的修復整周跳變的修復 DirectReflectedWall 建筑物或樹木等障礙物的遮擋 電離層電子活動劇烈 多路徑效應的影響 衛(wèi)星信噪比(SNR)太低 接收機的高動態(tài) 接收機內置軟件的設計不周全精選ppt5.4 整周跳變的修復整周跳變的修復周跳的特點周跳的特點周跳只引起載波相位觀測量的整周數發(fā)生跳躍，小數部分則是正確的。 周跳具有繼承性，即從發(fā)生周跳的歷元開始，以后所有歷元的相位觀測值都受到這個周跳的影響。 周跳發(fā)生非常頻繁。 精選ppt5.4 整周

10、跳變的修復整周跳變的修復周跳修復的必要性周跳修復的必要性 相位觀測值中存在周跳，相當于觀測值中存在粗差，將會嚴重影響GPS基線解算過程中的最小二乘估計，使基線解算失敗或嚴重歪曲基線解算的結果。在GPS動態(tài)定位中，如數值為1周的周跳不修復，將會導致數十厘米的誤差。這對于高精度的GPS測量是無法接受的。 周跳的探測與修復是GPS載波相位數據處理中不可缺少的組成部分,只有消除了周跳的“干凈”相位數據，才能用于GPS精密定位。精選ppt5.4 整周跳變的修復整周跳變的修復 周跳探測修復方法周跳探測修復方法v屏幕掃描法 v高次差或多項式擬和法 v在衛(wèi)星間求差法 v用雙頻觀測值修復周跳 v根據平差后的殘差

11、發(fā)現和修復整周跳變精選pptv也叫單點定位，即直接確定用戶接收機天線在WGS-84坐標系中相對于坐標系原點地球質心的絕對位置。5.5 GPS絕對定位與相對定位絕對定位與相對定位 精選ppt載波相位測量較難應用于動態(tài)絕對定位中的原因：載波相位測量較難應用于動態(tài)絕對定位中的原因：載體在運動過程中，要保持對所測載體在運動過程中，要保持對所測相同衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤相同衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，技，技術上有一定困難術上有一定困難動態(tài)解算動態(tài)解算整周未知數整周未知數的方法，其應用尚有一定的局限的方法，其應用尚有一定的局限5.5 GPS絕對定位與相對定位絕對定位與相對定位 精選ppt5.5 GPS絕對定位與相對定位絕對定

12、位與相對定位 精選ppt5.5 GPS絕對定位與相對定位絕對定位與相對定位 精選ppt5.5 GPS絕對定位與相對定位絕對定位與相對定位 精選ppt5.5 GPS絕對定位與相對定位絕對定位與相對定位 精選pptGDOP較小GDOP較大5.5 GPS絕對定位與相對定位絕對定位與相對定位 精選ppt5.5 GPS絕對定位與相對定位絕對定位與相對定位 精選ppt5.5 GPS絕對定位與相對定位絕對定位與相對定位 精選ppt5.5 GPS絕對定位與相對定位絕對定位與相對定位 精選ppt5.5 GPS絕對定位與相對定位絕對定位與相對定位 精選ppt5.6 美國的美國的GPS政策政策 SASA技術技術：降

13、低廣播星歷中衛(wèi)星位置的精度，降低星鐘 改正數的精度，對衛(wèi)星基準頻率加上高頻的抖動（使 偽距和相位的量測精度降低），由標準定位精度由原來的30米下降到100米左右。 ASAS技術技術：即將P碼改變?yōu)閅碼，即對精密偽距測量進一 步限制，而美國軍方和特許用戶不受這些政策的影響 SASA政策的解除政策的解除：2000年5月1日，白宮宣布從午夜開始中止對GPS公眾服務信號降低精度（SA政策）的措施。民用GPS精度將會提高10倍以上。 精選ppt5.6 美國的美國的GPS政策政策 應用P-W技術和L1與L2交叉相關技術，使L2載波相位觀測值得到恢復，其精度與使用P碼相同 研制能同時接受GPS和GLONAS

14、S信號的接收機 發(fā)展DGPS和WADGPS差分GPS系統(tǒng) 建立獨立的GPS衛(wèi)星測軌系統(tǒng) 建立獨立的衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng) 精選ppt1.1.多臺接收機公有的誤差：多臺接收機公有的誤差： 如衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差2.2.傳播延遲誤差：傳播延遲誤差： 如電離層誤差、對流層誤差3.3.接收機固有的誤差：接收機固有的誤差： 如內部噪聲、通道延遲、多路徑效應 差分定位可完全消除第一部分誤差，可大部分消除第二部分誤差5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.1.5.7.1.單基準站單基準站GPSGPS差分差

15、分-位置差分原理位置差分原理 )(/ )()(/ )()(/ )(000ttdtZdZZZttdtYdYYYttdtXdXXXpppppp基站流動站計算坐標值已知坐標值坐標偏差坐標改正精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.1 5.7.1 單基準站單基準站GPSGPS差分差分-偽距差分原理偽距差分原理 基站流動站偽距觀測值真正距離偽距偏差偽距改正)()()()(/00ttdttttdRjjjjpjjjjj優(yōu)點：優(yōu)點：基站提供所有可見衛(wèi)星的j和dj 消去公共誤差，用戶接收機觀測任意4顆衛(wèi)星，就可完成定位。缺點：缺點：差分精度對基

16、準站到用戶的距離增加而降低精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.15.7.1單基準站單基準站GPSGPS差分差分-載波相位差分載波相位差分(RTK)(RTK)原理原理 分類：分類：修正法：修正法：將基準站的載波相位修正值發(fā)送給用戶，改正用戶接收到的載波相位，再解求坐標1.1.差分法：差分法：將基準站采集的載波相位發(fā)送給用戶，進行求差解算坐標消去公共誤差，能實時給出厘米級高精度的定位結果 電臺的功率限制了用戶到基準站距離，作用范圍幾十公里。 廣泛用于工程測量中 RTK技術同樣受到基準站至用戶距離的限制，為解決此問題，發(fā)展成局部區(qū)域差分局部區(qū)域差分和廣域差分定位廣域差分定位技術

17、。精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.2 5.7.2 局部區(qū)域局部區(qū)域GPSGPS差分系統(tǒng)差分系統(tǒng) ( (LADGPS)LADGPS)多個差分GPS基準站，一個或數個監(jiān)控站 用戶接收的是坐標、偽距、相位等改正原理原理局部區(qū)域中的用戶根據多個基準站提供的改正信息，經平差后求得自己的改正數。用戶采用加權平均法或最小方差法對來自多個基準站的改正信息進行平差計算以求得自己的坐標改正數。精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.3 5.7.3 廣域廣域GPSGPS差分系統(tǒng)差分系統(tǒng) ( (WADGPS)WADGPS)廣域差分（廣域差分（Wide Area DGPS,W

18、ADGPSWide Area DGPS,WADGPS）技術的基本思想）技術的基本思想: : 對GPS觀測量的誤差源加以區(qū)分，并對每一個誤差源分別加以“模型化”，然后將計算出來的每一個誤差源的誤差修正值（差分改正值），通過數據通訊鏈傳輸給用戶，對用戶GPS接收機的觀測誤差加以改正，以達到削弱這些誤 差 源 的 影 響 ， 改 善 用 戶 G P S 定 位 精 度 的 目 的 。 廣域差分主要模型化以下三類廣域差分主要模型化以下三類GPSGPS定位的誤差源：定位的誤差源： 星歷誤差、大氣延時誤差、衛(wèi)星鐘差誤差 精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.3 5.7.3 廣域廣域GP

19、SGPS差分系統(tǒng)差分系統(tǒng) ( (WADGPS)WADGPS)廣域差分廣域差分GPSGPS系統(tǒng)的特點系統(tǒng)的特點 用戶的定位精度對空間距離的敏感程度比較小； 投資少，經濟效益好； 定位精度較高，且分布均勻； 可擴展性好，如遠洋、沙漠、森林等； 技術復雜，維護費用高，可靠性及安全性稍差。 精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.3 5.7.3 廣域廣域GPSGPS差分系統(tǒng)差分系統(tǒng) ( (WADGPS)WADGPS)廣域差分廣域差分GPSGPS系統(tǒng)的工作流程系統(tǒng)的工作流程 在已知的多個監(jiān)測站上，跟蹤觀測GPS衛(wèi)星的偽距、相位等信息； 監(jiān)測站將所接受的信息全部傳輸到中心站； 中心站計算

20、出三項誤差改正； 將這些誤差改正用數據通訊鏈傳輸給用戶； 用戶根據這些誤差改正自己觀測到的偽距、相位、星歷等信息，計算出高精度結果。 精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.3 5.7.3 廣域廣域GPSGPS差分系統(tǒng)差分系統(tǒng) ( (WADGPS)WADGPS)精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.4 5.7.4 多基準站多基準站RTKRTK技術技術( (網絡網絡RTK)RTK)概述概述是對普通載波相位差分(RTK)方法的改進,可克服常規(guī)RTK的缺陷，實現長距離(70-100km)RTK定位；是基于多基準站的實時差分定位系統(tǒng)； 建立多個GPS基準站，即建立

21、多個基準站連續(xù)運行衛(wèi)星定位導航服務系統(tǒng)(CORS) 精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.4 5.7.4 多基準站多基準站RTKRTK技術技術( (網絡網絡RTK)RTK)工作原理工作原理多基準站多基準站RTKRTK系統(tǒng)差分改正信息生成方式：系統(tǒng)差分改正信息生成方式：虛擬參考站技術虛擬參考站技術(VRS)(VRS)工作原理工作原理在某一大區(qū)域(或某一城市)內建立若干個(3個以上)連續(xù)運行的GPS基準站；根據這些GPS基準站的觀測值，建立區(qū)域內GPS主要誤差模型；系統(tǒng)運行時將這些誤差從基準站的觀測值中減去，形成無誤差觀測值；一但接收到移動站(用戶單臺GPS接收機)的概略坐標，

22、即在移動站附近建立起一個虛擬參考站；1.移動站與虛擬參考站進行載波相位差分改正，實現實時RTK.精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.4 5.7.4 多基準站多基準站RTKRTK技術技術( (網絡網絡RTK)RTK)工作原理工作原理多基準站多基準站RTKRTK系統(tǒng)差分改正信息生成方式：系統(tǒng)差分改正信息生成方式：2.2.區(qū)域改正數技術區(qū)域改正數技術(FKP)(FKP)工作原理工作原理在某一大區(qū)域內，建立若干個連續(xù)運行的GPS基準站各基準站將每一個觀測瞬間所采集的未經差分處理的同步觀測值，實時的傳輸到控制中心站經控制中心站實時處理，產生一個FKP誤差改正數，然后通過RTCM發(fā)送

23、給區(qū)域內各移動站移動站將自身的觀測值和FKP誤差改正數經有效的組合，完成實時RTK精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.4 5.7.4 多基準站多基準站RTKRTK技術技術( (網絡網絡RTK)RTK)工作原理工作原理連續(xù)運行衛(wèi)星定位導航服務系統(tǒng)連續(xù)運行衛(wèi)星定位導航服務系統(tǒng)(CORS)(CORS)的組成及功能的組成及功能1.連續(xù)運行連續(xù)運行GPSGPS基準站系統(tǒng)基準站系統(tǒng) 一個區(qū)域CORS基準站的個數，是區(qū)域大小決定。功能是連續(xù)進行GPS觀測，并實時將GPS觀測值傳輸至數據處理控制中心。2.數據處理控制中心數據處理控制中心 一個區(qū)域只建一個數據處理控制中心。功能是根據各GP

24、S基準站的觀測值，計算區(qū)域電離層、對流層、衛(wèi)星軌道等誤差，并實時將各GPS基準站的觀測值減去其誤差改正，實時地傳輸至數據傳輸與發(fā)播系統(tǒng)。3. .數據傳輸與發(fā)播系統(tǒng)數據傳輸與發(fā)播系統(tǒng) 數據傳輸與發(fā)播系統(tǒng)實時接收數據處理控制中心的相位差分改正，并實時發(fā)布，供各移動站接收使用。4.移動站移動站( (用戶用戶) ) 移動站即單臺GPS接收機。它實時接收數據傳輸與發(fā)播系統(tǒng)的相位差分改正信息，結合自身GPS觀測值，完成厘米級實時定位。精選ppt5.7 差分差分GPS定位原理定位原理 5.7.5 5.7.5 全球實時全球實時GPSGPS差分系統(tǒng)差分系統(tǒng)全球實時全球實時GPSGPS差分系統(tǒng)：差分系統(tǒng)： 使用St