第四章 距離測(cè)量及GPS定位1

1、 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院測(cè)繪學(xué)院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 ( (八八) )GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用第四章第四章 距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位4.1 利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用4.1 利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS定位的基本原理定位的基本原理 需解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題需解決的兩個(gè)關(guān)鍵問題 如何確定衛(wèi)星的位置如何確定衛(wèi)星的位置 如何測(cè)量出站星距離如何測(cè)量出站星距離GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用測(cè)距方法測(cè)距方法 雙程測(cè)距雙程測(cè)距用于電磁波測(cè)用于

2、電磁波測(cè)距儀距儀 單程測(cè)距單程測(cè)距用于用于GPS距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距 測(cè)距方法測(cè)距方法GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用測(cè)距碼測(cè)距碼C/A碼（測(cè)距時(shí)有模糊度）碼（測(cè)距時(shí)有模糊度）P碼碼距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距 測(cè)距碼測(cè)距碼GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用信號(hào)傳播時(shí)間測(cè)距碼測(cè)距原理測(cè)距碼測(cè)距原理 距離測(cè)定的基本思路距離測(cè)定的基本思路 信號(hào)（測(cè)距碼）傳播時(shí)間的測(cè)定信號(hào)（測(cè)距碼）傳播時(shí)間的測(cè)定dtTutTuTRT)()(1相關(guān)系數(shù)：ctc信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)定信號(hào)傳播時(shí)間的測(cè)定距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS

3、定位定位 利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距 測(cè)距碼測(cè)距原理測(cè)距碼測(cè)距原理GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用測(cè)距碼測(cè)距原理測(cè)距碼測(cè)距原理 利用測(cè)距碼測(cè)距的必要條件利用測(cè)距碼測(cè)距的必要條件 必須了解測(cè)距碼的結(jié)構(gòu)必須了解測(cè)距碼的結(jié)構(gòu) 利用測(cè)距碼進(jìn)行測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)利用測(cè)距碼進(jìn)行測(cè)距的優(yōu)點(diǎn) 采用的是采用的是CDMA（碼分多址）（碼分多址）技術(shù)技術(shù) 易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號(hào)易于捕獲微弱的衛(wèi)星信號(hào) 可提高測(cè)距精度可提高測(cè)距精度 便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理（如（如AS）每顆每顆GPS衛(wèi)星都采用特定的衛(wèi)星都采用特定的偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼微弱信號(hào)的捕獲微弱信號(hào)的捕獲距離測(cè)量與距離測(cè)量與GP

4、S定位定位 利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距 測(cè)距碼測(cè)距原理測(cè)距碼測(cè)距原理GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用Z跟蹤技術(shù)跟蹤技術(shù) AS P碼碼+W碼碼Y碼碼 W碼的碼元寬度比碼的碼元寬度比Y碼大幾十碼大幾十倍倍 Z跟蹤技術(shù)跟蹤技術(shù) 原理原理 將相關(guān)間隔（積分間隔）限將相關(guān)間隔（積分間隔）限定在一個(gè)定在一個(gè)W碼碼元內(nèi)碼碼元內(nèi)碼碼碼碼碼元內(nèi)在一個(gè)PPYW 0 1 0 0 1 0 0（1） W 碼 0 1 0 0 1 0 P 碼 Y 碼 + = 0 1 0 0 1 0 1（-1） W 碼 1 0 1 1 0 1 P 碼 Y 碼 + = 距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距利用測(cè)

5、距碼測(cè)定衛(wèi)地距 Z跟蹤技術(shù)跟蹤技術(shù)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用偽距測(cè)量的特點(diǎn)偽距測(cè)量的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 無模糊度無模糊度 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 精度低精度低距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距 偽距測(cè)量的特點(diǎn)偽距測(cè)量的特點(diǎn)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS測(cè)量的基本觀測(cè)方程測(cè)量的基本觀測(cè)方程距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距 GPS測(cè)量的基本觀測(cè)方程測(cè)量的基本觀測(cè)方程SR( )tR( )tS接收機(jī)根據(jù)自身的鐘在 時(shí)刻復(fù)制信號(hào)的相位tR接收機(jī)根據(jù)自身的鐘在 時(shí)刻所接收到衛(wèi)星在時(shí)刻所發(fā)送信號(hào)的相位tRtS tR tSGPS原理

6、及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用對(duì)流層折射延對(duì)流層折射延遲改正遲改正電離層折射延電離層折射延遲改正遲改正接收機(jī)鐘的接收機(jī)鐘的改正數(shù)改正數(shù)衛(wèi)星鐘的改衛(wèi)星鐘的改正數(shù)正數(shù)信號(hào)離開信號(hào)離開衛(wèi)星的時(shí)衛(wèi)星的時(shí)刻（由衛(wèi)刻（由衛(wèi)星鐘測(cè)定）星鐘測(cè)定）信號(hào)到達(dá)接信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)刻收機(jī)的時(shí)刻（由接收機(jī)（由接收機(jī)鐘測(cè)定）鐘測(cè)定）RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc)()()()()()(故：站星真實(shí)距離：則：；設(shè)：偽距：測(cè)距碼測(cè)距的觀測(cè)方程測(cè)距碼測(cè)距的觀測(cè)方程距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距利用測(cè)距

7、碼測(cè)定衛(wèi)地距 測(cè)距碼測(cè)距的觀測(cè)方程測(cè)距碼測(cè)距的觀測(cè)方程GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用222222000000000000()()()()()()()()()()()()()SRiiiiiiiiiontropttiiiiiiiiiiiiiiixXyYzZixXyYzZVVc Vc VxXyYzZxXyYzdXdYdZdXdY 令真實(shí)的站星距離：， 為衛(wèi)星則站星距離的觀測(cè)值：將 用泰勒級(jí)數(shù)展開，保留一階項(xiàng)，有0022200000000000000()()()()()()()()()()()SiRiiiiiiiiiiiiiiiiiionitropitiiiitiZdZxXyYzZXXdXYYdYZZ

8、dZxXyYzZlmnLc VVVVl dXmdYndZc VL 其中：；令：；則誤差方程為：偽距測(cè)量的誤差方程偽距測(cè)量的誤差方程距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距利用測(cè)距碼測(cè)定衛(wèi)地距 測(cè)距碼測(cè)距的誤差方程測(cè)距碼測(cè)距的誤差方程GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用4.2 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量itjtitijttR(c )2002, 黃勁松GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波 重建載波重建載波 將非連續(xù)的載波信

9、號(hào)恢復(fù)成連續(xù)的載波信號(hào)。將非連續(xù)的載波信號(hào)恢復(fù)成連續(xù)的載波信號(hào)。載波調(diào)制了電文之后載波調(diào)制了電文之后變成了非連續(xù)的波變成了非連續(xù)的波偽距測(cè)量與載波相位測(cè)量偽距測(cè)量與載波相位測(cè)量距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量 載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波 碼相關(guān)法碼相關(guān)法 方法方法 將所接收到的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）將所接收到的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）與接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼相乘。與接收機(jī)產(chǎn)生的復(fù)制碼相乘。 技術(shù)要點(diǎn)技術(shù)要點(diǎn) 衛(wèi)星信號(hào)（弱）與接收機(jī)信號(hào)（強(qiáng)）衛(wèi)星信號(hào)（弱）

10、與接收機(jī)信號(hào)（強(qiáng)）相乘。相乘。 特點(diǎn)特點(diǎn) 限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。 優(yōu)點(diǎn)：可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全優(yōu)點(diǎn)：可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量好（信噪比波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量好（信噪比高）高）衛(wèi)星信號(hào)的生成接收機(jī)重建載波(c )2002, 黃勁松碼相關(guān)法碼相關(guān)法距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量 載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波 平方法平方法 方法方法 將所接收到的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）將所接收到的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）自乘。自

11、乘。 技術(shù)要點(diǎn)技術(shù)要點(diǎn) 衛(wèi)星信號(hào)（弱）自乘。衛(wèi)星信號(hào)（弱）自乘。 特點(diǎn)特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：無需了解碼的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：無需了解碼的結(jié)構(gòu) 缺點(diǎn)：無法獲得導(dǎo)航電文，所獲載缺點(diǎn)：無法獲得導(dǎo)航電文，所獲載波波長(zhǎng)為原來波長(zhǎng)的一半，信號(hào)質(zhì)波波長(zhǎng)為原來波長(zhǎng)的一半，信號(hào)質(zhì)量較差（信噪比低，降低了量較差（信噪比低，降低了30dB）平方法平方法距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量 載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波 互相關(guān)（交叉相關(guān)）互相關(guān)（交叉相關(guān)） 方法方法 在不同頻率的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星

12、信號(hào)）進(jìn)行相關(guān)處理，獲取兩個(gè)在不同頻率的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）進(jìn)行相關(guān)處理，獲取兩個(gè)頻率間的偽距差和相位差頻率間的偽距差和相位差 技術(shù)要點(diǎn)技術(shù)要點(diǎn) 不同頻率的衛(wèi)星信號(hào)（弱）進(jìn)行相關(guān)。不同頻率的衛(wèi)星信號(hào)（弱）進(jìn)行相關(guān)。 特點(diǎn)特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：無需了優(yōu)點(diǎn)：無需了Y解碼的結(jié)構(gòu)，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波解碼的結(jié)構(gòu)，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了27dB）)()(12/, 12, 1, 2/, 12LLACLLYLYLACLLRRRR距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量 載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載

13、波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波 Z跟蹤跟蹤 方法：將衛(wèi)星信號(hào)在一個(gè)方法：將衛(wèi)星信號(hào)在一個(gè)W碼碼元內(nèi)與接收機(jī)碼碼元內(nèi)與接收機(jī)復(fù)制出的復(fù)制出的P碼進(jìn)行相關(guān)處理。碼進(jìn)行相關(guān)處理。 在一個(gè)在一個(gè)W碼碼元內(nèi)進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)（弱）與復(fù)制碼碼元內(nèi)進(jìn)行衛(wèi)星信號(hào)（弱）與復(fù)制信號(hào)（強(qiáng)）進(jìn)行相關(guān)。信號(hào)（強(qiáng)）進(jìn)行相關(guān)。 特點(diǎn)特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：無需了解優(yōu)點(diǎn)：無需了解Y碼結(jié)構(gòu)，可測(cè)定雙頻偽距觀測(cè)值，碼結(jié)構(gòu)，可測(cè)定雙頻偽距觀測(cè)值，可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量較平方法好（信噪比降低了較

14、平方法好（信噪比降低了14dB）距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量 載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)重建載波GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用載波測(cè)距載波測(cè)距itjtitijttR(c )2002, 黃勁松距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量 載波測(cè)距載波測(cè)距GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS載波相位測(cè)量的基本原理載波相位測(cè)量的基本原理距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量 GPS載波相位測(cè)量的基本原理載波相位測(cè)量的基本原理SR SR)SR( )tR( )tS接收機(jī)根據(jù)自身的鐘在 時(shí)刻復(fù)制信號(hào)的相位tR接

15、收機(jī)根據(jù)自身的鐘在 時(shí)刻所接收到衛(wèi)星在時(shí)刻所發(fā)送信號(hào)的相位tRtS tR tS理想情況理想情況實(shí)際情況實(shí)際情況GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用載波相位觀測(cè)值載波相位觀測(cè)值 觀測(cè)值觀測(cè)值 整周計(jì)數(shù)整周計(jì)數(shù) 整周未知數(shù)（整周模糊度）整周未知數(shù)（整周模糊度）載波相位觀測(cè)值載波相位觀測(cè)值)()()()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示為：以后的觀測(cè)：首次觀測(cè)： Int0NN0Fr0N0Int( )iFrit0ti距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量 載波相位觀測(cè)值載波相位觀測(cè)值GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用載波相位測(cè)量的特點(diǎn)載波相位測(cè)量的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 精度高，測(cè)距精度可達(dá)精度高，測(cè)距精度可達(dá)0.1mm量級(jí)量級(jí) 難點(diǎn)難點(diǎn) 整周未知數(shù)問題整周未知數(shù)問題 整周跳變問題整周跳變問題距離測(cè)量與距離測(cè)量與GPS定位定位 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量 載波相位測(cè)量的特點(diǎn)載波相位測(cè)量的特點(diǎn)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用tropiioniiiittiiiiiVVLLcVcVNdZndYmdXlvSR)()(其中：0載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程t