第四章GS定位原理

第四章GPS定位原理

趙晶同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院2009.4.1GPS信號(hào)的構(gòu)成示意圖基準(zhǔn)頻率10.23MHzL11575.42MHzC/A碼1.023MHzP碼10.23MHzL21227.60MHzP碼10.23MHz1015412050bit/s衛(wèi)星導(dǎo)航電文(D碼)每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無(wú)線電信號(hào)(基準(zhǔn)頻率?)兩種載波(L1和L2)兩種碼信號(hào)(C/A碼和P碼)一組導(dǎo)航電文(信息碼，D碼)GPS定位的基本原理需解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題如何確定衛(wèi)星的位置如何測(cè)量出站星距離測(cè)距交會(huì)原理?。縂PS定位的各種常用觀測(cè)量L1載波相位觀測(cè)值；L2載波相位觀測(cè)值；調(diào)制在L1上的C/A碼偽距；調(diào)制在L1上的P碼偽距；調(diào)制在L2上的P碼偽距；L1上的多普勒頻移；L2上的多普勒頻移；GPS定位方法分類(lèi)觀測(cè)值類(lèi)型測(cè)距碼偽距測(cè)量定位載波相位偽距測(cè)量定位定位的模式絕對(duì)定位(單點(diǎn)定位)相對(duì)定位(差分定位)定位時(shí)接收機(jī)天線的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)靜態(tài)定位－天線相對(duì)于地球坐標(biāo)系靜止動(dòng)態(tài)定位－天線相對(duì)于地球坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)定位結(jié)果獲取時(shí)間實(shí)時(shí)定位非實(shí)時(shí)定位一、GPS偽距測(cè)量定位偽距觀測(cè)值的計(jì)算衛(wèi)星鐘調(diào)制的碼信號(hào)接收機(jī)時(shí)鐘復(fù)制的碼信號(hào)tt接收機(jī)至衛(wèi)星的距離借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號(hào)量測(cè)并計(jì)算得到——接收機(jī)本身按同一編碼規(guī)則復(fù)制碼信號(hào)；比較本機(jī)碼信號(hào)及到達(dá)的碼信號(hào)確定信號(hào)傳播的時(shí)間t；傳播延遲時(shí)間乘以光速就是距離觀測(cè)值=C?t；絕對(duì)定位：空間距離后方交會(huì)問(wèn)題衛(wèi)星充當(dāng)軌道上運(yùn)動(dòng)的控制點(diǎn)，觀測(cè)值為測(cè)站至衛(wèi)星的偽距接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差所以要同步觀測(cè)4顆衛(wèi)星，解算4個(gè)未知參數(shù)：3個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)分量和1個(gè)鐘差參數(shù)由此提出1個(gè)問(wèn)題：如何計(jì)算某一瞬間衛(wèi)星到接收機(jī)的距離?方法：測(cè)距碼偽距測(cè)量、載波相位偽距測(cè)量測(cè)距碼偽距測(cè)量基本原理基本思想：利用測(cè)距碼的自相關(guān)性——衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)經(jīng)過(guò)t秒傳播后到達(dá)接收機(jī)時(shí)，接收機(jī)立即產(chǎn)生一個(gè)結(jié)構(gòu)相同的復(fù)制碼序列，通過(guò)延時(shí)器調(diào)整復(fù)制碼延遲時(shí)間，使兩組碼序列自相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值，則復(fù)制碼與測(cè)距碼基本對(duì)齊，此時(shí)的延遲時(shí)間即等于t......(P68)偽距觀測(cè)值：=C?t測(cè)距碼偽距測(cè)量基本原理偽距：測(cè)距碼信號(hào)傳播時(shí)間乘以光速，信號(hào)傳播受衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘誤差影響及電離層、對(duì)流層折射延遲影響，實(shí)際測(cè)得距離與幾何距離有偏差。接收機(jī)鐘差：未知數(shù)定位未知參數(shù)：三個(gè)點(diǎn)位坐標(biāo)分量＋鐘差參數(shù)重寫(xiě)定位方程測(cè)距碼偽距觀測(cè)方程的推導(dǎo)思路符號(hào)說(shuō)明考慮的因素關(guān)鍵點(diǎn)：時(shí)間差的精確表達(dá)測(cè)距碼偽距觀測(cè)方程的線性化思路理論方程與模型抽象：泰勒展開(kāi)及取一次項(xiàng)考慮的因素公式表達(dá)及物理意義載波相位偽距測(cè)量基本原理為什么利用載波進(jìn)行測(cè)距？測(cè)距碼存在的問(wèn)題——碼寬較大，精度偏低衛(wèi)星廣播的電磁波信號(hào)：L1載波L2載波C/A碼P-碼

p=29.3

m

L2=24

cm

L1=19c

m

C/A=293

m載波竊相位治偽距悄測(cè)量巨基本貓?jiān)磔d波盯相位派偽距魯測(cè)量繭基本獻(xiàn)原理任意疫時(shí)刻ti，一第個(gè)完稿整的量載波洽相位叫觀測(cè)可量為霜：載波牢相位紫偽距國(guó)觀測(cè)賠方程寶的推駕導(dǎo)思路符號(hào)胳說(shuō)明考慮此的因鐵素公式世與測(cè)晃距碼愛(ài)偽距瞎觀測(cè)獨(dú)方程渠的比扶較關(guān)鍵沫點(diǎn)：租時(shí)間晉差的群精確嚷表達(dá)梯和整賞周未生知數(shù)薦的確暗定載波貢相位家偽距的觀測(cè)憲方程跡的線塊性化思路理論楚方程間與模焰型抽弊象：更時(shí)間攻函數(shù)甜的泰債勒展朋開(kāi)及腰取一線次項(xiàng)考慮敬的因截素公式追表達(dá)袋及物則理意適義測(cè)距奪碼測(cè)嫁量與擊載波柏相位燭測(cè)量境比較測(cè)距糾碼測(cè)境量：優(yōu)點(diǎn)無(wú)整換周未單知數(shù)缺點(diǎn)精度協(xié)低載波落相位述測(cè)量膨：優(yōu)點(diǎn)精度伴高，杰測(cè)距廢精度范可達(dá)0.混1m教m量級(jí)難點(diǎn)整周此未知啦數(shù)問(wèn)勢(shì)題整周閉跳變貨問(wèn)題上節(jié)藍(lán)回顧GP蜂S絕對(duì)浪定位公的基姻本原睜理(實(shí)質(zhì))測(cè)距孝碼偽變距觀批測(cè)方益程的掙推導(dǎo)測(cè)距勒碼偽貌距觀滾測(cè)方岔程的豈線性茶化表篩達(dá)載波元相位擔(dān)偽距炕觀測(cè)稠方程濁的推階導(dǎo)載波右相位想偽距許觀測(cè)賤方程津的線撇性化購(gòu)表達(dá)屬及兩淘個(gè)觀跌測(cè)方插程的割比較靜態(tài)悔絕對(duì)蔬定位南原理偽距名觀測(cè)抹方程胳的表轉(zhuǎn)達(dá)及確解算身要求電離順層和派對(duì)流舟層誤沉差公式哄的變洞化與成組合解題聚思路劍與意難義動(dòng)態(tài)厘絕對(duì)宣定位閑原理動(dòng)態(tài)肝絕對(duì)撤定位永的概暗念面臨衣的問(wèn)廳題：積天線蘿位置揪的變迎化等精度測(cè)距設(shè)碼偽駱距公培式的洲修正解題栽思路模與意外義載波政相位熱偽距慌定位臨原理基本門(mén)方法出現(xiàn)賓的問(wèn)嶺題解決惕辦法絕對(duì)奧定位直的優(yōu)握點(diǎn)定位臨方程劇表達(dá)從定眾位方裁程表詳達(dá)看污優(yōu)點(diǎn)絕對(duì)蓋定位握的缺扛點(diǎn)定位決方程大表達(dá)從定障位方摔程表忙達(dá)看烈缺點(diǎn)拿：誤效差種葡類(lèi)與忽應(yīng)對(duì)盒方法衛(wèi)星肢星歷精密念星歷衛(wèi)星奔鐘差精密嶄鐘差享、地掘面跟盤(pán)蹤電離恰層延搜遲雙頻啞改正對(duì)流對(duì)層延財(cái)遲模型強(qiáng)改正衛(wèi)星券幾何配分布象精度閑因子DO帆P(胖Di決lu鐵ti袍onof宮P爛re皆ci分si許on壟)與單洪點(diǎn)定飽位時(shí)癢所觀呢測(cè)衛(wèi)暖星的功數(shù)量熔與分色布有凱關(guān)，夾表示嘴的是課定位儀的幾慮何條擁件。PD療OP份–痛P楊os穴it斃io全n貝Di校lu慌ti篩on越o遠(yuǎn)f技Pr叉ec盼is撐io不nTD傳OP姥–汗T洞im闖e刊Di出lu匆ti偶o(jì)n肌o圍f化Pr高ec輝is象io飛nGD盡OP槍–友G癢eo粥me片tr盈y洞Di峽lu劉ti樂(lè)on革o幸f競(jìng)Pr指ec扁is醋io單nHD軌OP篩–貪H愉or畝iz挎on問(wèn)ta碎l以Di脫lu求ti國(guó)on紋o北f趣Pr細(xì)ec公is般io藍(lán)nVD屆OP構(gòu)–攔V攀er鉗ti雅ca嫂l賄Di伙lu節(jié)ti丙on揭o崇f繳Pr未ec辰is準(zhǔn)io透n絕對(duì)煌定位榨精度羽評(píng)定GP刑S絕對(duì)筋定位蕉的定間位精膊度主戒要取訊決于泄：衛(wèi)星妖空間忙分布稅幾何痰圖形觀測(cè)塔量精得度——精度謀因子癥與所椅觀測(cè)衡衛(wèi)星清的空夜間分抄布有上關(guān)絕對(duì)刑定位娘誤差鳴與精窯度因疑子的揚(yáng)大小端成正幸比，怎應(yīng)選承擇精耐度因皆子最稻小的蠶一組壯衛(wèi)星摘進(jìn)行續(xù)觀測(cè)勉；六面宿體體勁積V最大激情形險(xiǎn)：一苦顆衛(wèi)畫(huà)星處踢于天墻頂，炭其余3顆衛(wèi)委星相叉距12顆0°GP晉S授時(shí)單站有單機(jī)房誠(chéng)法：一臺(tái)GP天S接收島機(jī)，聽(tīng)在一臨個(gè)坐后標(biāo)已代知的萬(wàn)觀測(cè)陸站上役觀測(cè)稻衛(wèi)星囑，確襯定用乖戶時(shí)敗鐘相曾對(duì)GP蠅S標(biāo)準(zhǔn)雀時(shí)間抵的偏顏差。共視梢法：坐標(biāo)野已知稱(chēng)的兩之個(gè)測(cè)料站上找各設(shè)城一臺(tái)GP極S接收廚機(jī)，解同步擇觀測(cè)自同一斷衛(wèi)星蘆來(lái)測(cè)誤定兩蔽用戶指時(shí)鐘臣的相笑對(duì)偏尚差，無(wú)從而哈達(dá)到岡高精題度時(shí)軍間對(duì)遵比的鏡目的停。從方脆程中姜可以叔消除解或者矮減小慨的因縣素兩種妥方法選的比吩較..煎..籌..這就擱是相囑對(duì)定謠位的襲啟示誓！測(cè)濱量誤塔差較咱強(qiáng)的棚相關(guān)蟲(chóng)性6.勇G煩PS相對(duì)摧定位相對(duì)斗與絕咱對(duì)的虹概念委：比話較是客人類(lèi)閑的天剩性相對(duì)壤定位雙：必所定有油兩個(gè)早或兩識(shí)個(gè)以湊上測(cè)撫站(接收董機(jī))，或麻者衛(wèi)撈星，鎮(zhèn)或者丟兩個(gè)桑以上葡的時(shí)丟間歷拌元參皮與，恰才能城進(jìn)行刑比較責(zé)，所箭以又五叫差托分定烤位。分類(lèi)旱：動(dòng)判態(tài)相尾對(duì)定餅位、乒靜態(tài)餐相對(duì)弓定位6.芽1動(dòng)態(tài)保相對(duì)越定位動(dòng)態(tài)針相對(duì)鑰定位死定義:P供93動(dòng)態(tài)脊絕對(duì)魔定位撈與相握對(duì)定卻位特輸點(diǎn)比掠較相對(duì)刊定位摟的基毛礎(chǔ)：襯測(cè)量傷誤差幼較強(qiáng)徹的相感關(guān)性基本葬觀測(cè)嫩量：突測(cè)碼哭偽距名和載毛波相摘位測(cè)碼李偽距輕動(dòng)態(tài)照相對(duì)搖定位測(cè)碼圍偽距擇動(dòng)態(tài)寇相對(duì)偽定位刊方程誤差君分析未知霜數(shù)和此方程響個(gè)數(shù)GP鉤S定位朽和差邀分GP府S定位扭誤差傻比較(表4-須1)載波界相位哈動(dòng)態(tài)給相對(duì)痰定位改正垮法和浴求差賣(mài)法，毅改正憐法與喉偽距屆差分炮類(lèi)似用戶靈站的故坐標(biāo)基準(zhǔn)站用戶站相位觀測(cè)值求差法(RTK)相位觀測(cè)值差分計(jì)算消去末公共球誤差劃，能圖實(shí)時(shí)努給出色厘米邁級(jí)高赤精度膊的定休位結(jié)純果。電臺(tái)隸的功哪率限確制了另用戶劇到基錄準(zhǔn)站巷距離肯，作番用范捧圍幾脹十公物里。廣泛咽用于簽工程訊測(cè)量猛中?；鶞?zhǔn)站用戶站偽距健或載國(guó)波相慎位觀旗測(cè)值/實(shí)時(shí)閣處理疏數(shù)據(jù)揉，實(shí)藍(lán)時(shí)傳尿輸；棗測(cè)后照處理獨(dú)數(shù)據(jù)撈，發(fā)蠶現(xiàn)粗惱差動(dòng)態(tài)民相對(duì)匆定位6.館2靜態(tài)斃相對(duì)秀定位定義:P產(chǎn)91特點(diǎn)昂：波債長(zhǎng)、頌誤差何的?？≌⒎夯€鼓兩端把的連殺續(xù)觀圣測(cè)缺點(diǎn)扁：觀園測(cè)時(shí)憂間過(guò)根長(zhǎng)解決葵辦法臣：整帖周未陰知數(shù)盲快速麥逼近聾法基準(zhǔn)站用戶站基本駕觀測(cè)鈴量：沈載波面相位中等配長(zhǎng)度華的基渡線(1別00命-5粘00于km騾)，相股對(duì)定目位精鬼度可竄達(dá)10量-6假~1直0-車(chē)7，甚至揀更好靜態(tài)利相對(duì)委定位凳誤差籍及克胳服方輝法誤差爺種類(lèi)向：見(jiàn)掉測(cè)相鴉方程分析棄誤差捐規(guī)律增加嚴(yán)觀測(cè)撞衛(wèi)星板數(shù)量勺：帶嘆來(lái)的弄問(wèn)題增加秤觀測(cè)多時(shí)間輩：時(shí)消間過(guò)樂(lè)長(zhǎng)本辱來(lái)就粒是個(gè)添問(wèn)題解決阻方程制中誤弓差問(wèn)班題是詳關(guān)鍵如何疫通過(guò)遲衛(wèi)星戚、觀宿測(cè)站姐、不稈同時(shí)柏間之撲間關(guān)拴系發(fā)任現(xiàn)解努決問(wèn)罪題的云方式譯？更好秤的方哥法：陽(yáng)靜態(tài)箱相對(duì)男定位GP功S誤差赴對(duì)兩得個(gè)觀竭測(cè)站廈或者腐多個(gè)抵觀測(cè)晌站同湯步觀秤測(cè)相邁同衛(wèi)糕星具炸有較蛛強(qiáng)的爆相關(guān)均性GP蠟S相對(duì)扯定位練中的絮組合打方式鵝是發(fā)悉現(xiàn)這地些相耍關(guān)性懶，從普而消旦除誤壯差最裕好的藍(lán)方法靜態(tài)蹄相對(duì)簡(jiǎn)定位華中的增組合贊方式單差(S月D)：不嚼同觀浩測(cè)站尊，同各步觀歷測(cè)相白同衛(wèi)蝴星所遼得的此觀測(cè)餃量之崖差雙差(D潤(rùn)D)：不熱同觀批測(cè)站贊，同晃步觀幟測(cè)同掃組衛(wèi)劑星所穗得的岡單差俊之差三差(T蕩D)：不靈同觀暫測(cè)站臭，同裙步觀獻(xiàn)測(cè)同唇組衛(wèi)鄙星所蓄得的楊雙差幣之差單差(S賀D)的三擱種形疲式：形式壓一：羊衛(wèi)星稠間求廟差形式運(yùn)二：逆接收耍機(jī)(測(cè)站)間求芝差形式精三：劣不同晚時(shí)刻(歷元)求差求差浸后的襪線性趟組合寨作為溝虛擬帆觀測(cè)難值接收故機(jī)(測(cè)站)間求幟差的否推導(dǎo)塊：觀測(cè)誰(shuí)方程星歷完誤差奏消除串圖解接收巖機(jī)(測(cè)站)間求芬差的急優(yōu)點(diǎn)遭：衛(wèi)星織鐘差抵完全廳消除青；大大酷消弱繭了衛(wèi)余星星溫歷誤娘差；大大絮消弱農(nóng)了對(duì)秋流層忘和電誦離層財(cái)?shù)挠罢勴懀稍诙烫删嚯x光內(nèi)幾鎖乎可肯以完嚼全消者除；單差眾觀測(cè)做方程桂求解上：線性地化多個(gè)鈴方程憶則通鼻過(guò)寫(xiě)建成誤慌差方善程求科解整周凳未知階數(shù)是努方程冤組的驅(qū)一個(gè)今未知筋數(shù)雙差巨模型代：定義洞：不份同觀江測(cè)站世，同粒步觀筐測(cè)同在組衛(wèi)敵星所慶得的進(jìn)單差隆之差觀測(cè)午方程方程攝特點(diǎn)雙差紐奉模型俘優(yōu)點(diǎn)每：衛(wèi)星祝鐘差優(yōu)消除雙差隆模型宗觀測(cè)仍方程召求解羽：線性遼化后陡形式多個(gè)顧方程攏則通與過(guò)寫(xiě)躍成誤橡差方佛程求窯解整周之未知糖數(shù)是巡壽方程剛組的短一個(gè)吃未知遇數(shù)三差鈴模型免：定義淡：不邊同觀熊測(cè)站畝，同需步觀纖測(cè)同雅組衛(wèi)燦星所孤得的崗雙差識(shí)之差觀測(cè)蠢方程方程米特點(diǎn)三差潛模型炒優(yōu)點(diǎn)豈：