GS測(cè)量原理與數(shù)據(jù)處理2

第五章GPS定位基本原理概述偽距測(cè)量載波相位測(cè)量整周跳變的修復(fù)GPS絕對(duì)定位與相對(duì)定位美國(guó)的GPS政策差分GPS定位原理(一)GPS定位方法分類1、定位方法分類按參考點(diǎn)的不同位置劃分為：（1）絕對(duì)定位（單點(diǎn)定位）：在地球協(xié)議坐標(biāo)系中，確定觀測(cè)站相對(duì)地球質(zhì)心的位置。（2）相對(duì)定位：在地球協(xié)議坐標(biāo)系中，確定觀測(cè)站與地面某一參考點(diǎn)之間的相對(duì)位置。2、按用戶接收機(jī)作業(yè)時(shí)所處的狀態(tài)劃分：（1）靜態(tài)定位：在定位過(guò)程中，接收機(jī)位置靜止不動(dòng)，是固定的。靜止?fàn)顟B(tài)只是相對(duì)的，在衛(wèi)星大地測(cè)量中的靜止?fàn)顟B(tài)通常是指待定點(diǎn)的位置相對(duì)其周圍點(diǎn)位沒(méi)有發(fā)生變化，或變化極其緩慢，以致在觀測(cè)期內(nèi)可以忽略。（2）動(dòng)態(tài)定位：在定位過(guò)程中，接收機(jī)天線處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。GPS定位方法分類GPS定位方法分類絕對(duì)定位靜態(tài)定位動(dòng)態(tài)定位相對(duì)定位靜態(tài)定位動(dòng)態(tài)定位定位方式基本頻率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50BPS15412010204600GPS衛(wèi)星信號(hào)包含三種信號(hào)分量：載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼。信號(hào)分量的產(chǎn)生都是在同一個(gè)基本頻率f0=10.23MHz的控制下產(chǎn)生，GPS衛(wèi)星信號(hào)示意圖如下GPS基本觀測(cè)量（回憶）（二）GPS觀測(cè)量的基本概念偽距觀測(cè)值載波相位觀測(cè)值C/A碼，碼元寬293M，精度2.9MP碼，碼元寬29.3M，精度0.29ML1載波，波長(zhǎng)19cm，精度0.19cmL2載波，波長(zhǎng)24cm，精度0.24cm原始觀測(cè)量載波相位觀測(cè)值優(yōu)點(diǎn)：觀測(cè)值精度高，用精密定位存在問(wèn)題整周不確定（模糊度解算）整周跳變現(xiàn)象1、GPS觀測(cè)量的基本概念碼相位觀測(cè)偽距載波相位觀測(cè)偽距衛(wèi)星r

是已知值P是測(cè)量值R是未知值對(duì)于某顆衛(wèi)星：什么叫偽距？所測(cè)偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時(shí)間乘以光速所得出的量測(cè)距離。用C/A碼進(jìn)行測(cè)量的偽距為C/A碼偽距，用P碼測(cè)量的偽距為P碼偽距。偽距概念（二）GPS觀測(cè)量的基本概念（續(xù)）

目前廣泛應(yīng)用的基本觀測(cè)量主要有碼相位觀測(cè)量和載波相位觀測(cè)量。

碼相位觀測(cè)是測(cè)量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)（C/A碼或P碼）到達(dá)用戶接收機(jī)天線（觀測(cè)站）的傳播時(shí)間。也稱時(shí)間延遲測(cè)量。載波相位觀測(cè)是測(cè)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)生的參考載波信號(hào)之間的相位差。

通過(guò)碼相位觀測(cè)或載波相位觀測(cè)所確定的站星距離都不可避免地含有衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘非同步誤差的影響，含鐘差影響的距離通常稱為偽距。由碼相位觀測(cè)所確定的偽距簡(jiǎn)稱測(cè)碼偽距

由載波相位觀測(cè)所確定的偽距簡(jiǎn)稱為測(cè)相偽距。2、偽距定位觀測(cè)方程假設(shè)衛(wèi)星至觀測(cè)站的幾何距離為ij，在忽略大氣影響的情況下可得相應(yīng)的偽距：當(dāng)衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘嚴(yán)格同步時(shí)，上式所確定的偽距即為站星幾何距離。為偽距，為真正幾何距離，為接收機(jī)和衛(wèi)星之間鐘差。通常GPS衛(wèi)星的鐘差可從衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航電文中獲得，經(jīng)鐘差改正后，各衛(wèi)星之間的時(shí)間同步差可保持在20ns以內(nèi)。如果忽略衛(wèi)星之間鐘差影響，并考慮電離層、對(duì)流層折射等影響，可得：偽距定位觀測(cè)方程偽距定位觀測(cè)方程幾何距離與衛(wèi)星坐標(biāo)（Xs,Ys,Zs）和接收機(jī)坐標(biāo)（X,Y,Z）之間有如下關(guān)系：測(cè)碼偽距觀測(cè)方程的常用形式如下：偽距定位觀測(cè)方程式中j為衛(wèi)星數(shù)，j＝1，2，3…。3、GP金S載波嶼相位撕測(cè)量載波咐相位向測(cè)量汽是測(cè)停量接窗收機(jī)救接收日到的采具有拉多普嗽勒頻趕移的精載波申信號(hào)介，與鴉接收夜機(jī)產(chǎn)嘆生的流參考邪載波技信號(hào)獻(xiàn)之間鋪的相騙位差冶，通盼過(guò)相妨位差自來(lái)求場(chǎng)解接鼻收機(jī)征位置子。載波芹相位貓觀測(cè)壁是目年前最容精確激的觀就測(cè)方伴法。（1）載罰波相粒位測(cè)摘量原伍理載波羅相位下測(cè)量暮觀測(cè)它方程載波誕相位卵觀測(cè)檢的的杠觀測(cè)婆量是GP崇S接收休機(jī)所講接收寫的衛(wèi)豬星載洲波信好號(hào)與頌接收棍機(jī)本析振參扇考信稻號(hào)的恨相位管差。禾以酸表召示k接收誕機(jī)在晴接收配機(jī)鐘待面時(shí)度刻tk時(shí)所忘接受劈燕到的j衛(wèi)星芽載波鞭信號(hào)網(wǎng)的相腸位值放，土表示k接收欣機(jī)在長(zhǎng)鐘面私時(shí)刻tk時(shí)所濕產(chǎn)生臨的本遠(yuǎn)地參跌考信博號(hào)的翠相位緣瑞值，麥則k接收參機(jī)在合接收身機(jī)鐘正面時(shí)灰刻tk時(shí)觀稻測(cè)j衛(wèi)星劇所取定得的擋相位班觀測(cè)通量可厲寫為竊：載波削相位掌觀測(cè)斧的主善要問(wèn)僚題：導(dǎo)無(wú)法挺直接勝測(cè)定駛衛(wèi)星示載波綠信號(hào)氏在傳悉播路線徑上匙相位跳變化會(huì)的整喊周數(shù)篇，存鐮在整宰周不貓確定逃性問(wèn)頁(yè)題。紋此外題，在委接收哨機(jī)跟雀蹤GP讓S衛(wèi)星框進(jìn)行賺觀測(cè)關(guān)過(guò)程諷中，摸常常睡由于部接收雨機(jī)天象線被踩遮擋蹲、外攏界噪窗聲信艇號(hào)干改擾等闊原因否，還堆可能象產(chǎn)生村整周哈跳變公現(xiàn)象假。有涼關(guān)整撒周不尾確定鞠性問(wèn)燃題，囑通常吹可通鈔過(guò)適貴當(dāng)數(shù)斃據(jù)處然理而靈解決鳥，但謝將使次數(shù)據(jù)畜處理疼復(fù)雜冊(cè)化。載波陸相位豪測(cè)量白的主惕要問(wèn)奏題載波山相位幣測(cè)量嗓值通常掩的相耳位測(cè)撞量或喪相位盛差測(cè)額量只卸是測(cè)左出一羽周以遞內(nèi)的者相位竊值，捐實(shí)際訪測(cè)量削中，優(yōu)如果計(jì)對(duì)整療周進(jìn)欄行計(jì)謎數(shù)，搏則自刷某一耳初始愧取樣酬時(shí)刻撤（t0）以況后就炭可以廊取得箱連續(xù)脫的相催位觀怨測(cè)值否。Sj(t0)Sj(ti)N0kN0Int(φ)載波搏相位病測(cè)量清觀測(cè)弊方程t0時(shí)刻編和tk時(shí)刻次的相適位觀算測(cè)值卵可以瘦寫成堂：接收遮機(jī)在煌跟蹤茶衛(wèi)星勝信號(hào)墻時(shí)，乞不斷呆測(cè)定顆小于現(xiàn)一周上的相邊位差迫，并懸利用劇整周撥計(jì)數(shù)塊器記價(jià)錄從t0到tk時(shí)間姐內(nèi)的廊整周淡數(shù)變夜化量In狠t()，這丙一時(shí)迫間段拳內(nèi)，境要求公衛(wèi)星竄信號(hào)關(guān)沒(méi)有愁中斷故。如拍果過(guò)慘程中恐衛(wèi)星艷失鎖炒了，探那要踢采取印其他永方法米進(jìn)行板處理廈。（三煉）整杯周未墾知數(shù)紀(jì)和整饑周跳終變確定蝦整周聞未知遭數(shù)N0是載素波相滴位測(cè)咽量的冊(cè)一項(xiàng)殊重要遣工作翼，常瀉用的億方法知有下冠列幾白種：1、偽甘距法2、經(jīng)役典方姓法－亮將整族周未奪知數(shù)術(shù)作為厚待定衫參數(shù)屯求解3、多擦普勒做法（繩三差罰法）4、快驕速確佩定整進(jìn)周未太知數(shù)料法整周侄未知余數(shù)和命整周尺跳變1、偽旗距法偽距鐘法是扇在進(jìn)揚(yáng)行載次波相坦位測(cè)胸量的患同時(shí)弦又進(jìn)騙行了羞偽距塞測(cè)量碰，將冤偽距廣觀測(cè)刻值減纖去載評(píng)波相擔(dān)位測(cè)迫量的芝實(shí)際玻觀測(cè)育值（傾化為若以距捐離為左單位躬）后輛即可朱得到λ×N0。但靈由于皺偽距密測(cè)量堵的精骨度較沙低，私所以霧要有德較多燦的觀桃測(cè)值立取平某均值通后才侄能獲番得正涼確的拐整波呼段數(shù)岔。整周陜未知禾數(shù)和雖整周拼跳變2、經(jīng)表典方噴法把整丟周未銳知數(shù)裝當(dāng)作碧平差振計(jì)算但中的植待定氏參數(shù)綿來(lái)加非以估濕計(jì)和越確定惠。分間兩種赤方法尼：（1）整駁數(shù)解由于復(fù)誤差柴影響比，解婚得得責(zé)整周沾未知嶄數(shù)往友往不航是一價(jià)個(gè)整麥數(shù)，蹤蝶然后蜘將其稀固定抗為整豆數(shù)，洞并重鋼新進(jìn)北行平怕差計(jì)賽算。攪也稱何為固乞定解跨（fi偷xe枕d云so錦lu惜ti砌on）（2）實(shí)飼數(shù)解當(dāng)誤鴨差消數(shù)除得布不夠省完全奪時(shí)，旗整周雞未知僚數(shù)無(wú)包法估就計(jì)很寺準(zhǔn)確困，此帆時(shí)直曲接將重實(shí)數(shù)踐解作備為最添后解搜。也算稱為卻浮點(diǎn)踏解（fl抗oa榆ti致ng五s媽ol賊ut競(jìng)io嗚n）整周形未知炮數(shù)和弄整周摟跳變3、多但普勒敵法（捧三差亮法）由于更連續(xù)兄跟蹤貌的所織有載抄波相腎位測(cè)響量觀告測(cè)值豪中均酒含有谷相同賓的整兵周未禍知數(shù)彩，所腰以將識(shí)相鄰免兩個(gè)轎觀測(cè)令歷元婦的載鞭波相許位相杜減，乒就將喉該未居知數(shù)缸消去霉，從己而直執(zhí)接接肅觸坐劇標(biāo)參崇數(shù)，露這就倉(cāng)是多范普勒螞法。由于飄三差炮法可勻以消高除許屠多誤喬差，逢所以纖使用餓較廣若泛。整周圈未知河數(shù)和創(chuàng)整周撐跳變4、快采速確滑定整純周位氧置數(shù)凡法19給90年E.蟲Fr拴ei和G.習(xí)Be展ut號(hào)le浩r提出管了快家速模肅糊度沙（即撥整周楚未知誤數(shù)）春解算網(wǎng)法進(jìn)輪行快源速定輛位的迫方法堅(jiān)。采尺用這業(yè)種方騾法進(jìn)辰行短北基線宵定位提時(shí)，容利用繡雙頻削接收貧機(jī)只批需觀醉測(cè)一覺(jué)分鐘悟便能溉成功另的確棵定整稿周未甚知數(shù)胃。整周駝未知餓數(shù)和葉整周箭跳變周跳達(dá)的出娃現(xiàn)和勸處理正是載擾波相濤位測(cè)民量中姓的重估要問(wèn)今題，半整周災(zāi)跳變勁的探班測(cè)與豎修復(fù)翁常用宵的方戰(zhàn)法有嘩下列善幾種爪方法炸：1、屏捎幕掃售描法梁（也柔就是戲手工且編輯蓬）2、多掠項(xiàng)式遼擬合鞋法3、衛(wèi)犁星間翻求差喚法4、根棉據(jù)平漁差后佛的殘帶差發(fā)多現(xiàn)和途修復(fù)麻整周腥跳變絕對(duì)打定位盛也稱戀單點(diǎn)盞定位川，是破指在簽協(xié)議出地球汽坐標(biāo)仙系中潛，直夠接確舌定觀閣測(cè)站擋相對(duì)驗(yàn)于坐幣標(biāo)原搏點(diǎn)（詢地球咱質(zhì)心甚）絕靈對(duì)坐墳標(biāo)的機(jī)一種誤方法犯。（一紅）絕托對(duì)定或位的晝基本屋原理以GP吸S衛(wèi)星阻和用留戶接瘋收機(jī)盜天線撲之間頃的距尚離（燥或距鹽離差霜）觀抹測(cè)量付為基遷礎(chǔ)，糊根據(jù)田已知涉的衛(wèi)慎星瞬瞞時(shí)坐舌標(biāo)，后來(lái)確榨定接掛收機(jī)企天線降所對(duì)揚(yáng)應(yīng)的賴點(diǎn)位歸，即炊觀測(cè)升站的侵位置踐。GP企S絕對(duì)戲定位頂方法孤的實(shí)澤質(zhì)是養(yǎng)測(cè)量匠學(xué)中綠的空椒間距構(gòu)離后產(chǎn)方交將會(huì)。五、鼠絕對(duì)鼓定位際方法歸概述絕對(duì)搞定位川可根諷據(jù)天刪線所塞處的綠狀態(tài)愈分為興動(dòng)態(tài)通絕對(duì)嘩定位竄和靜碰態(tài)絕任對(duì)定尊位。所依誼據(jù)的懶觀測(cè)白量都治是所微測(cè)的繡站星稿偽距擾。根輛據(jù)觀坦測(cè)量唉的性項(xiàng)質(zhì)，精偽距洋有測(cè)鍛碼偽劇距和惠測(cè)相膽偽距煌，絕慎對(duì)定切位相如應(yīng)分講為測(cè)馳碼偽征距絕惑對(duì)定喉位和儀測(cè)相迎偽距壺絕對(duì)注定位。靜態(tài)抱絕對(duì)殃定位航時(shí)觀往測(cè)站平是固向定的恭，可牲以于揭不同甩歷元魂同步具觀測(cè)百不同假衛(wèi)星淺，取猶得充丸分多困的偽鑰距觀寫測(cè)量槽，通麻過(guò)最牧小二關(guān)乘平砍差，鍵提高絞定位怠精度未。1.測(cè)碼孫偽距剪靜態(tài)灣絕對(duì)拖定位若nt為觀砌測(cè)歷倒元數(shù)膚，在耕忽略納接收瓦機(jī)鐘答差隨鉗時(shí)間據(jù)變化剃的情晴況下嚷，可繼得相肆應(yīng)的灰誤差股方程伍：(一)靜態(tài)艘絕對(duì)停定位榴原理其中按最脾小二車乘法敢求解腿：在不瘦同歷苦元觀京測(cè)的叫衛(wèi)星采數(shù)一辭般不陡同，西在組圣成上蔥列系怨數(shù)陣常時(shí)應(yīng)遷注意隱。如果年觀測(cè)微的時(shí)盛間較凱長(zhǎng)，銹接收賴機(jī)鐘項(xiàng)差的仁變化粗往往旋不能絮忽略海。根敢據(jù)不島同情牙況，涉或者嫂將鐘爆差表碼示為兼多項(xiàng)欠式形粘式，抹把多吹項(xiàng)式洗系數(shù)促作為厭未知識(shí)數(shù)在貓平差艦計(jì)算尤中求仔解（掌待求聾未知土參數(shù)零總量短為3+披nc，nc為鐘漠差模的型系左數(shù)個(gè)羨數(shù)）遺；或劃簡(jiǎn)單織地對(duì)待不同涼觀測(cè)荷歷元泄引入渠相異吸的獨(dú)援立鐘亡差參夸數(shù)（紡待求堵未知概參數(shù)峽總量塑為3+凈nt，nt為觀勇測(cè)的寒歷元裕數(shù)）(2溫)測(cè)相測(cè)偽距訊靜態(tài)鍛絕對(duì)內(nèi)定位假設(shè)職在測(cè)戰(zhàn)站Ti于歷軟元t同步畏觀測(cè)架的衛(wèi)催星數(shù)濱為nj，根據(jù)假動(dòng)態(tài)熔絕對(duì)居定位系可寫辮出誤新差方孤程組綿：其中其中如果固在觀浪測(cè)站Ti于不翁同歷要元t=帥t1,t2,…tnt，對(duì)相凱同的輩衛(wèi)星敞進(jìn)行潑觀測(cè)葵，則浩相應(yīng)具的誤寨差方險(xiǎn)程組桂為或其中互：取符體號(hào)按最者小二胞乘法旦求得(2默)測(cè)相例偽距常靜態(tài)數(shù)絕對(duì)饞定位假設(shè)坦在測(cè)椅站Ti于歷篇元t同步嘩觀測(cè)霧的衛(wèi)畜星數(shù)鈔為nj，根據(jù)將動(dòng)態(tài)沸絕對(duì)切定位洽可寫槐出誤白差方河程組頑：其中其中如果搜在觀秩測(cè)站Ti于不表同歷斥元t=培t1,t2,…tnt，對(duì)相蜂同的刊衛(wèi)星郊進(jìn)行穴觀測(cè)絮，則險(xiǎn)相應(yīng)霸的誤度差方為程組香為其中桿：取符熱號(hào)按最彼小二杜乘法瓦求得1.測(cè)碼竿偽距迫動(dòng)態(tài)其絕對(duì)吳定位卵法如果數(shù)于歷靈元t觀測(cè)亦站至噴所測(cè)土衛(wèi)星滾之間裂的偽飽距已果經(jīng)經(jīng)按過(guò)衛(wèi)純星鐘森差改姥正：取則測(cè)脂碼偽草距觀糠測(cè)方遼程可棄寫為或(二)動(dòng)態(tài)增絕對(duì)爹定位雁原理j(t)=外[Xj(t)Yj(t)Zj(t鵲)]T為衛(wèi)赤星Sj在協(xié)察議地請(qǐng)球坐察標(biāo)系治中的介瞬時(shí)確空間店直角腫坐標(biāo)佩向量i=[可XiYiZi]T為觀引測(cè)站Ti在協(xié)傲議地疾球坐商標(biāo)系緣瑞中的螞空間牧直角荒坐標(biāo)攀向量四。為了欺確定光觀測(cè)嘗站坐叨標(biāo)和著接收止機(jī)鐘語(yǔ)差，公至少筑需要4個(gè)偽宿距觀谷測(cè)量橋。假僚設(shè)任漏一歷秤元t由觀剪測(cè)站Ti同步痕觀測(cè)4顆衛(wèi)廟星分掘別為j=籮1,勾2,白3,子4，則次有4個(gè)偽炸距觀閘測(cè)方較程若取甲觀測(cè)班站坐拘標(biāo)的武初始籍（近拍似）谷向量勉為Xi0=(政X0Y0Z0)T，改季正數(shù)叛向量手為Xi=(XYZ)iT，則宇線性畢化取稍至一婆次微朵小項(xiàng)低后得或?qū)懕茷槭街衅渲杏纱瞬傻蒙鲜娇康那箫灲庖贿x般采套用迭胳代法所，根止據(jù)所膜取觀帳測(cè)站楚坐標(biāo)哄的初描始值嘩，在速一次鐵求解搭后，恨利用癥所求幸坐標(biāo)喉的改準(zhǔn)正數(shù)掠，更膜新觀串測(cè)站殿坐標(biāo)恭初始答值，堡重新貓迭代薯，通孩常迭昨代2-紡3次即贊可獲綠得滿酬意結(jié)班果。當(dāng)僅稱觀測(cè)4顆衛(wèi)魄星時(shí)鄰，無(wú)狗多余脫觀測(cè)屆量，君解算街是唯欣一的扣。如品果同飛步觀口測(cè)的閃衛(wèi)星牽數(shù)nj大于4顆時(shí)救，則按需利英用最靜小二畝乘法帝平差震求解惜。誤差銹方程閥組的桃形式橋?yàn)楦鶕?jù)辯最小之二乘陡法平?jīng)]差求其解解的和精度行為：mz為解刷的中卻誤差粥，0為偽酬距測(cè)伯量中舍誤差輛，Qii為權(quán)柿系數(shù)忠陣Qz主對(duì)委角線駕的相脊應(yīng)元估素。在GP氧S中，句同時(shí)域出現(xiàn)乎在地譽(yù)平線熔以上密的可沖見衛(wèi)懲星數(shù)閃不會(huì)蹦多于12個(gè)。脅測(cè)碼勿偽距暢絕對(duì)約定位結(jié)模型丸廣泛訓(xùn)用于瞎船只析、飛霞機(jī)、品車輛立等運(yùn)吳動(dòng)目鈔標(biāo)的首導(dǎo)航家、監(jiān)揪督和鞋管理赤。2.測(cè)相恩偽距掠動(dòng)態(tài)宅絕對(duì)得定位筍法在協(xié)男議地其球坐湖標(biāo)系抬中，箱測(cè)相欺偽距喚的觀姥測(cè)方裕程為景為：如果窯設(shè)并考亡慮衛(wèi)誕星鐘龍差可腐利用箏導(dǎo)航芒電文憑中給隱出的噸參數(shù)刮加以德修正流，則虧觀測(cè)占方程糠可改疾寫成其中于歷帝元t，由匯觀測(cè)燃站Ti至衛(wèi)匆星sj的距暴離誤論差方渴程可植寫為尖：其中與測(cè)刺碼偽漠距的爸誤