武漢大學(xué)傳感器課件3電磁波測距3

1、n微波偽碼測距即以偽隨機(jī)碼對微波進(jìn)行調(diào)制，通過接收機(jī)測量偽隨機(jī)碼的時(shí)間延遲進(jìn)而獲得距離的測量方法。n典型應(yīng)用就是GPS。n24顆衛(wèi)星（21+3）n6個(gè)軌道平面n55軌道傾角n20200km軌道高度（地面高度）n12小時(shí)（恒星時(shí)）軌道周期n5個(gè)多小時(shí)出現(xiàn)在地平線以上（每顆星）n一個(gè)主控站一個(gè)主控站：科羅拉多斯必靈司n三個(gè)注入站：三個(gè)注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥伽西亞(Diego Garcia) 卡瓦加蘭(kwajalein)n五個(gè)監(jiān)測站五個(gè)監(jiān)測站=1個(gè)主控站+3個(gè)注入站+夏威夷（Hawaii)55HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorad

2、o springs 通用接收機(jī)（定位型）：導(dǎo)航型接收機(jī)一般情況下無數(shù)據(jù)輸出的記錄存儲(chǔ)設(shè)備供電信號(hào)信息命令數(shù)據(jù)供電，控制供電數(shù)據(jù)控制 nGPS衛(wèi)星信號(hào)采用偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻技術(shù)衛(wèi)星信號(hào)采用偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻技術(shù)l將衛(wèi)星導(dǎo)航電文（基帶信號(hào)，D碼）經(jīng)偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻技術(shù)成為組合碼，再對L頻段的載波進(jìn)行正交調(diào)制（ BPSK調(diào)制）。l作用：提高系統(tǒng)導(dǎo)航定位精度，使系統(tǒng)具有很高的抗電子干擾能力和極強(qiáng)的保密能力。n偽距：偽距：pseudo range，接收機(jī)到，接收機(jī)到GPS衛(wèi)星之間的距衛(wèi)星之間的距離。離。n一、偽隨機(jī)碼一、偽隨機(jī)碼nPRNC：Pseudo Random Noise Coden（1）二進(jìn)制隨機(jī)序列：）二進(jìn)制

3、隨機(jī)序列：1011110011110100100 11110011001111011。n特點(diǎn)：非周期性序列，不能預(yù)先確定，不能復(fù)制。特點(diǎn)：非周期性序列，不能預(yù)先確定，不能復(fù)制。2、偽隨機(jī)碼、偽隨機(jī)碼（1）偽隨機(jī)序列：具有非隨機(jī)序列自相關(guān)特性的有）偽隨機(jī)序列：具有非隨機(jī)序列自相關(guān)特性的有周期性的二進(jìn)制序列。周期性的二進(jìn)制序列。由二進(jìn)制碼組成的偽隨機(jī)序列由二進(jìn)制碼組成的偽隨機(jī)序列，由，由“多級反饋移位寄存器多級反饋移位寄存器”產(chǎn)生。產(chǎn)生。（2）偽隨機(jī)序列特點(diǎn)：）偽隨機(jī)序列特點(diǎn)：二進(jìn)制序列二進(jìn)制序列有周期性有周期性有自相關(guān)性有自相關(guān)性3、偽隨機(jī)碼特征、偽隨機(jī)碼特征（1）m序列，周期：序列，周期：（2

4、）偽隨機(jī)碼）偽隨機(jī)碼“0”、“1”出現(xiàn)的概率大致相同。出現(xiàn)的概率大致相同。（3）當(dāng)自相關(guān)系數(shù)為）當(dāng)自相關(guān)系數(shù)為1，碼元完全對齊。，碼元完全對齊。PRN碼的優(yōu)越特性：碼的優(yōu)越特性：可以在接收機(jī)內(nèi)復(fù)制產(chǎn)生，只有相同結(jié)構(gòu)的可以在接收機(jī)內(nèi)復(fù)制產(chǎn)生，只有相同結(jié)構(gòu)的PRN碼完全碼完全對齊時(shí)才產(chǎn)生強(qiáng)相關(guān)。對齊時(shí)才產(chǎn)生強(qiáng)相關(guān)。GPS接收機(jī)正是利用接收機(jī)正是利用PRN碼的這兩個(gè)突出特性進(jìn)行衛(wèi)星碼的這兩個(gè)突出特性進(jìn)行衛(wèi)星識(shí)別和偽距測量識(shí)別和偽距測量。4、偽碼擴(kuò)頻技術(shù)（、偽碼擴(kuò)頻技術(shù)（PRN技術(shù)）技術(shù)）（1）復(fù)合序列（復(fù)合碼）：將多個(gè)周期較短的）復(fù)合序列（復(fù)合碼）：將多個(gè)周期較短的m序列序列按預(yù)定規(guī)則構(gòu)成的一個(gè)周期

5、較長的序列。按預(yù)定規(guī)則構(gòu)成的一個(gè)周期較長的序列。（2）GPS基帶信號(hào)（基帶信號(hào)（D碼）：碼）：fundamental information 帶寬帶寬 f = 50 HZ，傳遞速率，傳遞速率V = 50 bit/s（3）偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻技術(shù)：將基帶信號(hào)（）偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻技術(shù)：將基帶信號(hào)（D碼）通過擴(kuò)頻碼）通過擴(kuò)頻調(diào)制到偽隨機(jī)碼上（第一級調(diào)制）。調(diào)制到偽隨機(jī)碼上（第一級調(diào)制）。 過程：過程： 擴(kuò)頻擴(kuò)頻-發(fā)射發(fā)射-傳播傳播-接收接收-解頻解頻碼碼或碼碼碼碼或碼碼nGPS定位系統(tǒng)采用碼分多址技術(shù)（定位系統(tǒng)采用碼分多址技術(shù)（CDMA），給不），給不同衛(wèi)星指配不同結(jié)構(gòu)的偽隨機(jī)碼。同衛(wèi)星指配不同結(jié)構(gòu)的偽隨機(jī)碼。

6、 l CDMA:Code Division Multiple Accessn1、偽隨機(jī)碼技術(shù)（、偽隨機(jī)碼技術(shù)（PRN技術(shù)）作用：技術(shù)）作用：l（1）識(shí)別不同衛(wèi)星，捕獲衛(wèi)星信號(hào)（CDMA）l（2）測定偽距（C/A碼和P碼）l（3）傳遞導(dǎo)航電文（D碼）l（4）提高抗干擾能力（ PRN技術(shù)）nGPS定位系統(tǒng)通常采用兩種偽隨機(jī)碼：定位系統(tǒng)通常采用兩種偽隨機(jī)碼：C/A碼和碼和P碼碼n（1）定義：用于分址、搜捕衛(wèi)星信號(hào)、粗測距，具）定義：用于分址、搜捕衛(wèi)星信號(hào)、粗測距，具有一定抗干擾能力，并提供民用的明碼。有一定抗干擾能力，并提供民用的明碼。n（2）特性）特性l頻率：f1 =1.023MHZ 數(shù)碼率：Vu

7、 =1.023 M bit/s l碼元寬度：tu =1/f1=0.97752s (相當(dāng)于293.1m)l碼長：Nu =210-1 = 1023bit （兩個(gè)10級反饋移位寄存器組合產(chǎn)生） l周期：Tu =Nu tu = 10230.97752s =1 msl搜索時(shí)間：1023bit/（50bit/s）=20.5s (50bit/s 搜索速率)l測量精度：29.32.93m（取誤差為1/101/100）n（1）定義：用于分址、通過）定義：用于分址、通過C/A碼獲取衛(wèi)星信號(hào)，碼獲取衛(wèi)星信號(hào)，精密測距，具有較強(qiáng)抗干擾能力，提供特許用戶使精密測距，具有較強(qiáng)抗干擾能力，提供特許用戶使用的受控密碼。用的受

8、控密碼。n（2）特性）特性l頻率：f1 =10.23MHZ 數(shù)碼率：Vu =10.23 Mbit/sl碼元寬度：tu =1/f1=0.097752s (相當(dāng)于29.3m)l碼長：Nu =2.351014 bit （兩組12級反饋移位寄存器組合產(chǎn)生）l周期：Tu =Nu tu = 2. 35 1014 0.097752 s = 266.4 dl實(shí)用上P碼被分成38部分，每部分周期約7d，碼長為 6.19 1012bitl搜索時(shí)間：6.191012 bit /（50bit/s）= 1.4 106 d (50bit/s 搜索速率)l測量精度：2.930.293m（取誤差為1/101/100）n基準(zhǔn)頻

9、率：基準(zhǔn)頻率：F=10.23MHZ，fundamental frequencyn碼：碼： f = 50 HZ（低頻信號(hào)）（低頻信號(hào)）nC/A碼：碼： tu =1/f1=0.97752s ，相當(dāng)于，相當(dāng)于293.1mnP碼（碼（Y碼）：碼）： tu =1/f1=0.097752s ，相當(dāng)于，相當(dāng)于29.3mnL1載波：載波： f1=154F=1575.42MHZ，1=19.03cmnL2載波：載波：f2=120F=1227.60MHZ，2=24.42cmGPS衛(wèi)星信號(hào)衛(wèi)星信號(hào)測距碼測距碼數(shù)據(jù)碼數(shù)據(jù)碼(D碼）碼）載波載波P碼（碼（Y碼）碼）C/A碼碼L1載波載波L2載波載波偽隨機(jī)碼偽隨機(jī)碼L波段波

10、段L2 Carrier1227.6 MHzL1 Carrier1575.42 MHzClock Output10.23 MHzf0 x 120f0 x 154f0n分為二級調(diào)制分為二級調(diào)制n第一級是導(dǎo)航電文調(diào)制到測距隨機(jī)碼：第一級是導(dǎo)航電文調(diào)制到測距隨機(jī)碼：n采用二進(jìn)制編碼序列采用二進(jìn)制編碼序列“模二和模二和”算法，調(diào)制結(jié)果是算法，調(diào)制結(jié)果是把數(shù)據(jù)碼把數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文)從從50Hz擴(kuò)展到擴(kuò)展到1.023MHz(對于對于C/A碼碼) ，從而在接收信號(hào)時(shí)，采用，從而在接收信號(hào)時(shí)，采用CDMA原理，可原理，可大大提高獲取數(shù)據(jù)碼的信噪比，提高比率為：大大提高獲取數(shù)據(jù)碼的信噪比，提高比率為：1.

11、023MHz/50Hz=20460。n第二級是測距碼調(diào)制到載波：第二級是測距碼調(diào)制到載波：n采用二進(jìn)制信號(hào)采用二進(jìn)制信號(hào)“波形相乘波形相乘”的算法，將導(dǎo)航電文的算法，將導(dǎo)航電文與測距碼合成后的二進(jìn)制碼調(diào)制到載波上，這實(shí)現(xiàn)與測距碼合成后的二進(jìn)制碼調(diào)制到載波上，這實(shí)現(xiàn)了第二次擴(kuò)頻，把測距碼（了第二次擴(kuò)頻，把測距碼（C/A）從）從1.023MHz擴(kuò)展擴(kuò)展到到1575.42MHz（L1），在接收機(jī)接收），在接收機(jī)接收GPS信號(hào)時(shí)，信號(hào)時(shí)，同樣根據(jù)同樣根據(jù)CDMA原理，可以提高原理，可以提高C/A碼的信噪比，比碼的信噪比，比率為率為1575.42MHz/1.023MHz=1540。l正是利用擴(kuò)頻原理，接

12、收機(jī)在弱信號(hào)情況下(-160dBw，瓦分貝，弱于噪聲)可以正確捕獲信號(hào)，并且抗干擾性好。 L2 載波載波P碼（碼（Y碼）碼）數(shù)據(jù)碼（數(shù)據(jù)碼（D碼）碼）調(diào)制調(diào)制L1 載波載波C/A碼碼P碼（碼（Y碼）碼）數(shù)據(jù)碼（數(shù)據(jù)碼（D碼）碼）調(diào)制調(diào)制)cos()()()()sin()()()cos()()()(22211111LLiiPLLLiiCLLiiPLttDtPBtSttDtCAttDtPAtS基本頻率10.23MHzL1載波1575.42MHzL2載波1227.60MHzC/A碼1.023MHzP碼10.23MHzP碼10.23MHz數(shù)據(jù)碼50BPS數(shù)據(jù)碼50BPS15412010204600 n

13、一、導(dǎo)航電文（一、導(dǎo)航電文（D碼）：碼）： Navigation Messagen用于確定衛(wèi)星瞬間位置的信息，可以分為三類：用于確定衛(wèi)星瞬間位置的信息，可以分為三類：l1）衛(wèi)星歷書(Almanac，精度：數(shù)km)l2）廣播星歷(Broadcast Ephemeris，精度： 1m)l3）精密星歷(Precise Ephemeris，精度： 520cm) n1、組成：衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)、組成：衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星工作狀態(tài)、時(shí)間系統(tǒng)、衛(wèi)星鐘偏差校正參數(shù)、軌道攝動(dòng)改正參數(shù)、大氣折射星鐘偏差校正參數(shù)、軌道攝動(dòng)改正參數(shù)、大氣折射改正參數(shù)、遙測碼、交換信息等。改正參數(shù)、遙測碼、交換信息等。n2

14、、格式：組成數(shù)據(jù)幀，按幀向外播發(fā)。由、格式：組成數(shù)據(jù)幀，按幀向外播發(fā)。由25幀組成，幀組成，播發(fā)時(shí)間播發(fā)時(shí)間12.5min，播發(fā)速度，播發(fā)速度50bit/s。n 25 * 1500bit/幀幀 = 25 * 5 * 300bit /子幀子幀 導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷衛(wèi)星工作狀態(tài)衛(wèi)星工作狀態(tài)時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)衛(wèi)星鐘偏差校正參數(shù)衛(wèi)星鐘偏差校正參數(shù)軌道攝動(dòng)改正參數(shù)軌道攝動(dòng)改正參數(shù)大氣折射改正參數(shù)大氣折射改正參數(shù)遙測碼遙測碼交換信息交換信息子幀子幀5 5子幀子幀1 1子幀子幀2 2子幀子幀3 3子幀子幀4 4Navigation MessageNavigation MessageLNA濾波一變頻

15、濾波放大PLL10MHz二變頻PLL濾波放大B1： 1575.42MHz2451MHz875.58MHz46.42MHzAD量化RSSI控制電壓輸入LNA濾波一變頻濾波放大PLL10MHzB2： 1227.6MHz2103MHz875.4MHzVGA檢波二變頻濾波放大46.6MHzAD量化RSSI控制電壓輸入VGA檢波Lo2:922MHzLo2 接收機(jī)對跟蹤的每一顆衛(wèi)星進(jìn)行測距接收機(jī)對跟蹤的每一顆衛(wèi)星進(jìn)行測距地心SiPijPj riRjRj = ri +Pij有關(guān)各觀測量及已知數(shù)據(jù)如下：有關(guān)各觀測量及已知數(shù)據(jù)如下：r 為已知的衛(wèi)地矢量P為觀測量（偽距）R為未知的測站點(diǎn)位矢量 接收機(jī)至衛(wèi)星的距離

16、借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號(hào)量測并計(jì)算得到的 接收機(jī)本身按同一公式復(fù)制碼信號(hào) 比較本機(jī)碼信號(hào)及到達(dá)的碼信號(hào)確定傳播延遲的時(shí)間t 傳播延遲時(shí)間乘以光速就是距離觀測值=C t單點(diǎn)定位解可以理解為一個(gè)后方交會(huì)問題衛(wèi)星充當(dāng)軌道上運(yùn)動(dòng)的控制點(diǎn)，觀測值為測站至衛(wèi)星的偽距（由時(shí)延值推算得到）由于接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差所以要同步觀測4顆衛(wèi)星，解算四個(gè)未知參數(shù)：精度 , 經(jīng)度 , 高程 h , 鐘差 t發(fā)自衛(wèi)星的電磁波信號(hào)：信號(hào)量測精度優(yōu)于波長的1/100載波波長（L1=19cm, L2=24cm)比C/A碼波長 (C/A=293m)短得多所以，GPS測量采用載波相位觀測值可以獲得比偽距（C/A碼或P碼）定位

17、高得多的成果精度L1載波載波L2載波載波C/A碼碼P-碼碼 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m可以消減衛(wèi)星鐘的誤差可以消減衛(wèi)星鐘的誤差可以消可以消減減接收機(jī)時(shí)鐘的誤差接收機(jī)時(shí)鐘的誤差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以消可以消減減軌道（星歷）誤差的影響軌道（星歷）誤差的影響可以削可以削減減大氣折射對觀測值的影響大氣折射對觀測值的影響 測站對某一衛(wèi)星的載波相位觀測值由三部分組成 （1）初始整周未知數(shù)n；（2） t 0至ti時(shí)刻的整周記數(shù)Ci；（3）相位尾數(shù)i 如果信號(hào)沒有失鎖，則每一個(gè)觀測值包含同一個(gè)初始整周未知數(shù)n 為了利用載波相位進(jìn)行定位，必須先

18、解算出初始整周未知數(shù)，取得總觀 測值n+Ci+ iTime (0)AmbiguityTime (i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurement如果無法準(zhǔn)確解出初始整周未知數(shù)，則定位精度難以優(yōu)于如果無法準(zhǔn)確解出初始整周未知數(shù)，則定位精度難以優(yōu)于1m隨著初始整周未知數(shù)解算精度的提高，定位精度也相應(yīng)提高隨著初始整周未知數(shù)解算精度的提高，定位精度也相應(yīng)提高一旦初始整周未知數(shù)精確獲得，定位精度不再隨時(shí)間延長而提高一旦初始整周未知數(shù)精確獲得，定位精度不再隨時(shí)間延長而提高經(jīng)典靜態(tài)定位需要經(jīng)典靜態(tài)定位需要30-80分鐘觀測才能求定初始整周未知數(shù)分鐘觀測才能求定初始整周未知

19、數(shù) 快速靜態(tài)定位將這個(gè)過程縮短到快速靜態(tài)定位將這個(gè)過程縮短到2-5分鐘分鐘m精精度度1.000.10 0.01整周未知數(shù)確定后整周未知數(shù)確定前00308025時(shí)間（分）時(shí)間（分）經(jīng)典靜態(tài)定位經(jīng)典靜態(tài)定位快速靜態(tài)定位快速靜態(tài)定位1.與GPS 衛(wèi)星有關(guān)的因素nSA l美國政府從其國家利益出發(fā)，通過降低廣播星歷精度（美國政府從其國家利益出發(fā)，通過降低廣播星歷精度（ 技技術(shù)）、在術(shù)）、在GPS 基準(zhǔn)信號(hào)中加入高頻抖動(dòng)（技術(shù)）等方法，基準(zhǔn)信號(hào)中加入高頻抖動(dòng)（技術(shù)）等方法，人為降低普通用戶利用人為降低普通用戶利用GPS 進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)的精度。進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)的精度。n衛(wèi)星星歷誤差l在進(jìn)行在進(jìn)行GPS 定位時(shí)

20、，計(jì)算在某時(shí)刻定位時(shí)，計(jì)算在某時(shí)刻GPS 衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星位置所需的衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過各種類型的星歷提供的，但不論采用衛(wèi)星軌道參數(shù)是通過各種類型的星歷提供的，但不論采用哪種類型的星歷，所計(jì)算出的衛(wèi)星位置都會(huì)與其真實(shí)位置哪種類型的星歷，所計(jì)算出的衛(wèi)星位置都會(huì)與其真實(shí)位置有所差異，這就是所謂的星歷誤差。有所差異，這就是所謂的星歷誤差。n衛(wèi)星鐘差l衛(wèi)星鐘差是衛(wèi)星鐘差是GPS 衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時(shí)與衛(wèi)星上所安裝的原子鐘的鐘面時(shí)與GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間的誤差。n衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差l衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差是衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射天線相位中心偏差是GPS 衛(wèi)星上信號(hào)發(fā)射天衛(wèi)

21、星上信號(hào)發(fā)射天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)相位中心之間的差異。線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)相位中心之間的差異。n電離層延遲 由于地球周圍的電離層對電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS 信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為電離層延遲。電磁波所受電離層折射的影響與電磁波的頻率以及電磁波傳播途徑上電子總含量有關(guān)。n對流層延遲 由于地球周圍的對流層對電磁波的折射效應(yīng)，使得GPS 信號(hào)的傳播速度發(fā)生變化，這種變化稱為對流層延遲。電磁波所受對流層折射的影響與電磁波傳播途徑上的溫度、濕度和氣壓有關(guān)。n多路徑效應(yīng) 由于接收機(jī)周圍環(huán)境的影響，使得接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中還包含有各種反射和折射信號(hào)的影響，這就是所謂的多路徑效應(yīng)

22、。n 接收機(jī)鐘差 接收機(jī)鐘差是GPS 接收機(jī)所使用的鐘的鐘面時(shí)與GPS 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之間的差異。n 接收機(jī)天線相位中心偏差 接收機(jī)天線相位中心偏差是GPS 接收 機(jī)天線的標(biāo)稱相位中心與其真實(shí)的相位中心之間的差異。n 接收機(jī)軟件和硬件造成的誤差 在進(jìn)行GPS 定位時(shí)，定位結(jié)果還會(huì)受到諸如處理與控制軟件和硬件等的影響。4.其它因素nGPS 控制部分人為或計(jì)算機(jī)造成的影響 由于GPS 控制部分的問題或用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)引入的誤差等。n數(shù)據(jù)處理軟件的影響 數(shù)據(jù)處理軟件的算法不完善對定位結(jié)果的影響。n問題：nGPS和光電測距儀都是電磁波測距，為什么GPS不涉及溫度氣壓改正？n單點(diǎn)定位n載波相位精密測距n差分

23、技術(shù)相對定位首先我們可以得到GPS衛(wèi)星的位置；其次，我們又能準(zhǔn)確測定我們所在地點(diǎn)A至衛(wèi)星之間的距離，那么A點(diǎn)一定是位于以衛(wèi)星為中心、所測得距離為半徑的圓球上。進(jìn)一步，我們又測得點(diǎn)A至另一衛(wèi)星的距離，則A點(diǎn)一定處在前后兩個(gè)圓球相交的圓環(huán)上。我們還可測得與第三個(gè)衛(wèi)星的距離，就可以確定A點(diǎn)只能是在三個(gè)圓球相交的兩個(gè)點(diǎn)上。根據(jù)一些地理知識(shí)，可以很容易排除其中一個(gè)不合理的位置。GPS系統(tǒng)在每顆衛(wèi)星上裝置有十分精密的原子鐘，并由監(jiān)測站經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)。衛(wèi)星發(fā)送導(dǎo)航信息，同時(shí)也發(fā)送精確時(shí)間信息。GPS接收機(jī)接收此信息，使之與自身的時(shí)鐘同步，就可獲得準(zhǔn)確的時(shí)間。GPS接收機(jī)中的時(shí)鐘，不可能象在衛(wèi)星上那樣，設(shè)置昂貴

24、的原子鐘，所以就利用測定第四顆衛(wèi)星，在計(jì)算過程中校準(zhǔn)GPS接收機(jī)的時(shí)鐘。 n1530米n載波相位精密測距n差分技術(shù)相對定位Slide 53GPSGPS載波相位測量載波相位測量載波相位測量是測量接收機(jī)接收到的具有多載波相位測量是測量接收機(jī)接收到的具有多普勒頻移的載波信號(hào)，與接收機(jī)產(chǎn)生的參考普勒頻移的載波信號(hào)，與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)之間的相位差，通過相位差來求解載波信號(hào)之間的相位差，通過相位差來求解接收機(jī)位置。接收機(jī)位置。由于載波的波長遠(yuǎn)小于碼長，由于載波的波長遠(yuǎn)小于碼長，C/A碼碼元寬碼碼元寬度度293m，P 碼碼元寬度碼碼元寬度29.3m，而，而L1載波載波波長為波長為19.03cm， L

25、2載波波長為載波波長為24.42cm，在分辨率相同的情況下，在分辨率相同的情況下， L1載波的觀測誤載波的觀測誤差約為差約為2.0mm， L2載波的觀測誤差約為載波的觀測誤差約為2.5mm。而。而C/A碼觀測精度為碼觀測精度為2.9m，P碼碼為為0.29m。n載波相位測量有效提高了偽距分辨力，縮小了偽距分辨誤差。n為進(jìn)一步提高定位精度提供了可能。n差分定位技術(shù)來源于前邊所講的誤差的差分消減原理。l由于地面測量通常需要的是相對位置關(guān)系的精確。由于地面測量通常需要的是相對位置關(guān)系的精確。l而且地面測量點(diǎn)之間的距離相對而且地面測量點(diǎn)之間的距離相對GPS衛(wèi)星來說太小太小。衛(wèi)星來說太小太小。l對于相同的

26、一組衛(wèi)星來說，其本身的軌道誤差等對這些地面觀測站對于相同的一組衛(wèi)星來說，其本身的軌道誤差等對這些地面觀測站的誤差的影響基本是相等的。的誤差的影響基本是相等的。n所以通過定位測量結(jié)果的差分求解精確的相對位置關(guān)系是成立的。n差分法所消減的誤差源主要有：l電離層和對流層效應(yīng)電離層和對流層效應(yīng)l衛(wèi)星鐘誤差衛(wèi)星鐘誤差l星歷誤差星歷誤差n載波相位-消減了距離分辨誤差n差分算法-消減了電離層和對流層效應(yīng)、衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差。n所以差分定位可靠性大幅提高。n在地面測量站之間建立實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位。n參考站：l發(fā)送雙頻載波相位差分信號(hào)。發(fā)送雙頻載波相位差分信號(hào)。n流動(dòng)站：l雙頻接收機(jī)動(dòng)態(tài)接收衛(wèi)星信號(hào)和參考

27、站的差分信號(hào)。雙頻接收機(jī)動(dòng)態(tài)接收衛(wèi)星信號(hào)和參考站的差分信號(hào)。n有效距離15km。n精度：平面：15cm，高程：210cm。n這些測量原理都是根據(jù)米長定義來實(shí)現(xiàn)距離測量l米長定義：真空米長定義：真空-光速光速-時(shí)間。時(shí)間。n測量原理本質(zhì)相同。n差別僅僅在于實(shí)現(xiàn)方式。n性能各有所長各有所短。n脈沖式光電測距l(xiāng)精度：計(jì)數(shù)法分辨精度受限，一般只能達(dá)米級。內(nèi)插法和微延遲計(jì)數(shù)精度：計(jì)數(shù)法分辨精度受限，一般只能達(dá)米級。內(nèi)插法和微延遲計(jì)數(shù)法可達(dá)厘米或毫米級。法可達(dá)厘米或毫米級。l測程：很遠(yuǎn)，便于實(shí)現(xiàn)瞬間大功率發(fā)射以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)測程。測程：很遠(yuǎn)，便于實(shí)現(xiàn)瞬間大功率發(fā)射以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)測程。l速度：很快，單次測量瞬間完成。速度

28、：很快，單次測量瞬間完成。l環(huán)境影響：誤差受氣象條件影響（大氣內(nèi)測量）環(huán)境影響：誤差受氣象條件影響（大氣內(nèi)測量） 。l適用場合：人衛(wèi)測距、三維激光掃描等。適用場合：人衛(wèi)測距、三維激光掃描等。l技術(shù)復(fù)雜度：一般技術(shù)復(fù)雜度：一般n相位式光電測距l(xiāng)精度：厘米或毫米級精度：厘米或毫米級l測程：中短程測程：中短程l速度：稍慢，幾秒種。速度：稍慢，幾秒種。l環(huán)境影響：誤差受氣象條件影響（大氣內(nèi)測量）環(huán)境影響：誤差受氣象條件影響（大氣內(nèi)測量）l適用場合：測距儀、全站儀等適用場合：測距儀、全站儀等l技術(shù)復(fù)雜度：一般技術(shù)復(fù)雜度：一般n干涉式激光測距l(xiāng)精度：周期計(jì)數(shù)法可達(dá)亞微米級，變頻法可達(dá)亞毫米級別。但遠(yuǎn)距離精度：周期計(jì)數(shù)法可達(dá)亞微米級，變頻法可達(dá)亞毫米級別。但遠(yuǎn)距離時(shí)誤差受氣象條件影響大，精度會(huì)大打折扣。時(shí)誤差受氣象條件影響大，精度會(huì)大打折扣。l測程：計(jì)數(shù)法受激光相干長度限制，測程很短。變頻法適用中短程。測程：計(jì)數(shù)法受激光相干長度限制，測程很短。變頻法適用中短程。l速度：很慢。速度：很慢。l環(huán)境影響：誤差受氣象條件影響（大氣內(nèi)測量）環(huán)境影響：