GPS-05-GPS衛(wèi)星定位基本原理(一)解析.ppt

1、GPS原理及應(yīng)用,上海海洋大學(xué)海洋學(xué)院 Email: 課程類別：海技專業(yè)基礎(chǔ)課,講授：沈蔚,第五章 GPS定位方法,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 GPS相對(duì)定位 差分GPS定位原理 美國(guó)的GPS政策,GPS課程學(xué)習(xí)內(nèi)容及體系,GPS系統(tǒng)組成 衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)和衛(wèi)星星歷 GPS信號(hào)和觀測(cè)值 定位誤差源,5.1 概述,交會(huì)法確定點(diǎn)位,測(cè)角交會(huì)法 測(cè)邊交會(huì)法,5.1 概述,測(cè)角交會(huì)法,5.1 概述,測(cè)邊（距）交會(huì)法,兩條邊可確定P點(diǎn)坐標(biāo)，為了檢核和提高精度，增加第3條邊,無(wú)線電導(dǎo)航定位 衛(wèi)星激光測(cè)距定位,無(wú)線電發(fā)射臺(tái)或激光測(cè)距儀,無(wú)線電接收機(jī)或衛(wèi)星,5.1 概述,GPS衛(wèi)星

2、定位的基本原理,應(yīng)用測(cè)距交會(huì)的原理，利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置交會(huì)出地面未知點(diǎn)（用戶接收機(jī)）的位置。,5.1 概述,GPS衛(wèi)星定位的基本原理,觀測(cè)方程,P點(diǎn)的三維坐標(biāo)（X，Y，Z）,5.1 概述,單點(diǎn)定位解算用戶位置,用戶在t 時(shí)元的位置為：,5.1 概述,依據(jù)測(cè)距的原理劃分： 1）偽距法定位（測(cè)碼） 2）載波相位測(cè)量定位（測(cè)相） 3）差分GPS定位 根據(jù)待定點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)劃分： 1）靜態(tài)定位 2）動(dòng)態(tài)定位 根據(jù)觀測(cè)方式 1）絕對(duì)定位 2）相對(duì)定位,GPS衛(wèi)星定位方法分類,5.1 概述,1）偽距定位與載波相位定位,偽距定位 采用偽距觀測(cè)值，測(cè)距直接，定位精度低 載波相位定位 采用載波相位觀測(cè)

3、值，觀測(cè)值轉(zhuǎn)化成距離有一定難度，定位精度高,C/A碼： 29.3m P碼： 2.93m L1載波： 1.9cm L2載波： 2.4cm,測(cè)距精度比較,5.1 概述,2）靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位,靜態(tài)定位：在定位過(guò)程中，接收機(jī)的位置是固定的，處于靜止?fàn)顟B(tài)。(這種靜止?fàn)顟B(tài)是相對(duì)的) 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)。 廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)，導(dǎo)航。,5.1 概述,3）絕對(duì)定位和相對(duì)定位,絕對(duì)定位（單點(diǎn)定位）： 一臺(tái)接收機(jī)獨(dú)立確定待定點(diǎn)在坐標(biāo)系中的絕對(duì)位置。 相對(duì)定位： 兩臺(tái)（或多臺(tái)）接收機(jī)同步觀測(cè)GPS衛(wèi)星，確定它們之間的相對(duì)位置的方法。,5.1 概述,5.2 偽距測(cè)量,偽距： 由衛(wèi)星發(fā)

4、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。由于各種誤差的存在，與衛(wèi)星到測(cè)站的實(shí)際幾何距離有一定差值。 兩種測(cè)量值： - CA碼偽距 - P碼偽距,由GPS接收機(jī)在某一時(shí)刻測(cè)出到達(dá)四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用測(cè)距交會(huì)的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)。,偽距法定位,5.2偽距測(cè)量,偽距測(cè)量的特點(diǎn),適用于導(dǎo)航和低精度測(cè)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(cè)量中解決整波數(shù)不確定問(wèn)題（模糊度）的輔助資料。,5.2偽距測(cè)量,偽距測(cè)量的方法,衛(wèi)星發(fā)出一個(gè)測(cè)距碼，該測(cè)距碼經(jīng)過(guò)時(shí)間后到達(dá)接收機(jī)； 接收機(jī)產(chǎn)生一

5、組結(jié)構(gòu)完全相同的測(cè)距碼復(fù)制碼，并通過(guò)時(shí)延器使其延遲時(shí)間； 將兩組測(cè)距碼進(jìn)行相關(guān)處理，直到兩組測(cè)距碼的自相關(guān)系數(shù) R()=1為止，此時(shí)，復(fù)制碼已和測(cè)距碼對(duì)齊，復(fù)制碼的延遲時(shí)間 就等于衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間； 將 乘上光速c后即可求得衛(wèi)星至接收機(jī)的偽距。,5.2偽距測(cè)量,為什么利用碼相關(guān)法測(cè)定偽距？,為什么不利用碼的標(biāo)志來(lái)推算時(shí)延值？ 隨機(jī)誤差的存在： 測(cè)距碼在傳播過(guò)程中由于外界干擾產(chǎn)生變形；測(cè)距碼和復(fù)制碼在產(chǎn)生時(shí)帶有隨即誤差。 僅根據(jù)測(cè)距碼中的某一標(biāo)志來(lái)進(jìn)行量測(cè)會(huì)帶來(lái)較大誤差。利用碼相關(guān)技術(shù)在自相關(guān)系數(shù)R() = max 的情況下來(lái)確定信號(hào)的傳播時(shí)間，實(shí)質(zhì)上是采用了多個(gè)碼特征來(lái)確定 ，排除了隨機(jī)誤差

6、的影響。,5.2偽距測(cè)量,偽距測(cè)量的原理,三種時(shí)間系統(tǒng)： 各顆GPS衛(wèi)星的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 各臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn) 統(tǒng)一上述時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的GPS時(shí)間系統(tǒng),5.2偽距測(cè)量,偽距測(cè)量的原理（續(xù)）,偽噪聲碼從衛(wèi)星到接收天線的傳播時(shí)間：,偽噪聲碼從衛(wèi)星到達(dá)接收天線的時(shí)元,偽噪聲碼在其衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)元,5.2偽距測(cè)量,偽距測(cè)量的原理（續(xù)）,dt 衛(wèi)星時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間偏差（可根據(jù)導(dǎo)航電文求得） dT 接收機(jī)時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間偏差（接收機(jī)鐘差）,5.2偽距測(cè)量,偽距測(cè)量的原理（續(xù)）,衛(wèi)星到接收天線的真實(shí)距離：,衛(wèi)星到接收天線的“偽距（pseudorange）”：,5.2偽距測(cè)量,偽距測(cè)量

7、的原理（續(xù)）,考慮電離層/對(duì)流層影響的偽距值：,C (dt dT ) 時(shí)鐘偏差引起的距離偏差 dion電離層效應(yīng)引起的距離偏差 dtrop對(duì)流層引起的距離偏差,5.2偽距測(cè)量,偽距測(cè)量的原理（續(xù)）, 是衛(wèi)星在軌位置和用戶位置的函數(shù)，即：, 第j 顆衛(wèi)星在時(shí)元t 的三維坐標(biāo)，可從導(dǎo)航電文中求得, 用戶接收天線在時(shí)元t 的三維坐標(biāo)，為待求的未知數(shù),5.2偽距測(cè)量,上式中有4個(gè)未知數(shù)（用戶三維坐標(biāo)和接收機(jī)的鐘差dT ）。這樣在任何一個(gè)觀測(cè)瞬間，用戶至少需要同時(shí)觀測(cè)4顆衛(wèi)星，以便解算4個(gè)未知數(shù)。,偽距測(cè)量的基本方程（續(xù)）,5.2偽距測(cè)量,GPS接收機(jī)所接收的衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)本地參考信號(hào)的相位差。,

8、5.3偽載波測(cè)量,5.3 載波相位測(cè)量,重建載波,5.3偽載波測(cè)量,載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù),重建載波 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 變成了非連續(xù)的波,偽距測(cè)量與載波相位測(cè)量,碼相關(guān)法 方法 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。 技術(shù)要點(diǎn) 衛(wèi)星信號(hào)（弱）與接收機(jī)信號(hào)（強(qiáng)）相乘。 特點(diǎn) 限制：需要了解碼的結(jié)構(gòu)。 優(yōu)點(diǎn)：可獲得導(dǎo)航電文，可獲得全波長(zhǎng)的載波，信號(hào)質(zhì)量好（信噪比高）,碼相關(guān)法,重建載波,載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù),平方法 方法 將所接收到的調(diào)制信號(hào)（衛(wèi)星信號(hào)）自乘。 技術(shù)要點(diǎn) 衛(wèi)星信號(hào)（弱）自乘。 特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需了解碼的結(jié)構(gòu) 缺點(diǎn)：無(wú)法

9、獲得導(dǎo)航電文，所獲載波波長(zhǎng)為原來(lái)波長(zhǎng)的一半，信號(hào)質(zhì)量較差（信噪比低，降低了30dB）,平方法,重建載波,載波相位測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù),5.3.1載波相位測(cè)量原理,k 接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時(shí)刻tk 時(shí)觀測(cè)j 衛(wèi)星所取得的相位觀測(cè)量,k 接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時(shí)刻tk 時(shí)所產(chǎn)生的本地參考信號(hào)的相位值,k 接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時(shí)刻tk 時(shí)所接收到的j 衛(wèi)星載波信號(hào)的相位值,5.3偽載波測(cè)量,初始t0時(shí)刻，小于一周的相位差為0，其整周數(shù)為 ，則此時(shí)的相位觀測(cè)值為：,5.3偽載波測(cè)量,任一時(shí)刻ti衛(wèi)星Sj 到k接收機(jī)的相位差：,整周數(shù)變化量,整周模糊度（常數(shù)）,5.3偽載波測(cè)量,相位差,載波相位測(cè)量原理,觀測(cè)值 整周

10、計(jì)數(shù) 整周未知數(shù)（整周模糊度）,載波相位觀測(cè)值,5.3偽載波測(cè)量,載波相位測(cè)量的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 精度高，測(cè)距精度可達(dá)0.1mm量級(jí)（對(duì)C/A碼而言精度3m左右，P碼約為30cm） 難點(diǎn) 整周未知數(shù)問(wèn)題 整周技術(shù)問(wèn)題,5.3偽載波測(cè)量,5.3.2載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程,設(shè)在GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻Ta（衛(wèi)星鐘時(shí)刻ta）衛(wèi)星Sj發(fā)射的載波信號(hào)相位為（ta），經(jīng)傳播延遲后，在GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)刻Tb（接收機(jī)鐘時(shí)刻tb）到達(dá)接收機(jī)。 根據(jù)電磁波傳播原理， Tb時(shí)接收到的和Ta時(shí)發(fā)射時(shí)的相位不變，即j（Tb） = j（ta） 在Tb 時(shí)，載波相位觀測(cè)量為： = （tb）- j（Tb） = （tb）- j（ta）,5.3偽載

11、波測(cè)量,載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程（續(xù)）,考慮衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差，有Ta =ta+ta , Tb =tb+tb , 則： = （Tb - tb）- j（ Ta - ta ） (5-12) 載波信號(hào)的相位與頻率的關(guān)系為: （t +t）= （t）+f t （5-13） 因此，公式（5-12）可寫為： = （Tb ）-fi tb- j（Ta ）+ f j ta (5-14),5.3偽載波測(cè)量,載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程（續(xù)）,fi =f j =f Tb =Ta + ，由公式(5-13)得： （Tb）= j（Ta）+f 所以，公式(5-14)可改寫為： = j（Ta）+f -f tb- j（Ta ）+ f

12、ta = f -f tb+ f ta (5-15),5.3偽載波測(cè)量,載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程（續(xù)）,傳播延遲中考慮電離層和對(duì)流層的影響1和2 ，則： 代入公式（5-15），得：,5.3偽載波測(cè)量,(5-17),載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程,f：接收機(jī)產(chǎn)生的固定參考頻率 c: 光速 ：衛(wèi)星至接收機(jī)之間的距離（未知數(shù)）,1：電離層影響 2：對(duì)流層影響 ta ：衛(wèi)星鐘差 tb ：接收機(jī)鐘差（未知數(shù)）,接收機(jī) k 對(duì)衛(wèi)星 j 的載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程：,5.3偽載波測(cè)量,(5-18),偽距測(cè)量與載波相位測(cè)量的觀測(cè)方程的聯(lián)系,由于=c/f，則：,所以，得,5.3偽載波測(cè)量,5.3.3整周未知數(shù)N0的確定,靜態(tài)

13、方法 動(dòng)態(tài)方法,5.3偽載波測(cè)量,靜態(tài)法,偽距法 經(jīng)典方法 多普勒法 快速確定法,需要對(duì)GPS衛(wèi)星的靜態(tài)觀測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn),5.3偽載波測(cè)量,1、偽距法,將載波相位測(cè)量的觀測(cè)值(化為以距離為單位)減去偽距實(shí)際觀測(cè)值后即可得到No。 由于偽距測(cè)量的精度較低，所以要有較多的No取平均值后才能獲得正確的整波段數(shù)。,5.3偽載波測(cè)量,所以，得,2、經(jīng)典方法,將整周未知數(shù)當(dāng)做平差中的待定參數(shù),整數(shù)解 實(shí)數(shù)解,5.3偽載波測(cè)量,經(jīng)典方法整數(shù)解,短基線定位時(shí)一般采用這種方法。 具體步驟： 首先根據(jù)衛(wèi)星位置和修復(fù)了周跳后的相位觀測(cè)值進(jìn)行平差計(jì)算，求得基線向量和整周未知數(shù)。 解得的整周未知數(shù)是一個(gè)實(shí)數(shù)，將其固定為整數(shù)(

14、四舍五入法)，并重新進(jìn)行平差計(jì)算。 在計(jì)算中整周未知數(shù)采用整周值并視為已知數(shù)，以求得基線向量的最后值。,5.3偽載波測(cè)量,經(jīng)典方法實(shí)數(shù)解,基線較長(zhǎng)時(shí)采用這種方法。 具體步驟類似整數(shù)解方法，區(qū)別在于解得的整周未知數(shù)是一個(gè)實(shí)數(shù)。,5.3偽載波測(cè)量,經(jīng)典方法的不足,采用經(jīng)典方法時(shí)，需要較長(zhǎng)的觀測(cè)時(shí)間，影響了作業(yè)效率，所以只有在高精度定位領(lǐng)域中才應(yīng)用,5.3偽載波測(cè)量,3、多普勒法（三差法）,由于連續(xù)跟蹤的所有載波相位觀測(cè)值中均含有相同的整周未知數(shù)N0，所以將相鄰兩個(gè)觀測(cè)歷元的載波相位相減，就可消去N0，從而解出坐標(biāo)。然后再根據(jù)坐標(biāo)值求解N0 。,5.3偽載波測(cè)量,多普勒法（三差法）,tm時(shí)刻衛(wèi)星Sj

15、到k接收機(jī)的相位差：,tn時(shí)刻衛(wèi)星Sj到k接收機(jī)的相位差：,(1),(2),公式（1）-（2），即可消除N0,5.3偽載波測(cè)量,多普勒法（三差法）（續(xù)）,兩個(gè)歷元間的載波相位觀測(cè)值之差受接收機(jī)鐘及衛(wèi)星鐘的隨機(jī)誤差影響，所以精度不太好，往往用來(lái)求整周數(shù)的初始值。,5.3偽載波測(cè)量,4、快速確定整周未知數(shù)法,1990年EFrei和GBeutler提出 基本思路： 利用初始平差的解向量及其精度信息，以參數(shù)估計(jì)和統(tǒng)計(jì)假設(shè)檢驗(yàn)為基礎(chǔ)，確定在某一置信區(qū)間內(nèi)N0的可能的整數(shù)解的組合； 依次將N0的每一組合作為已知值，重復(fù)進(jìn)行平差計(jì)算。使估值的驗(yàn)后平差或方差和為最小的一組N0 ，即為最佳估值。,5.3偽載波測(cè)量,快速確定整周未知數(shù)法（續(xù)）,利用這種方法進(jìn)行短基線定位時(shí)，利用雙頻接收機(jī)只須觀測(cè)一分鐘即可確定整周未知數(shù) 此方法已在快速靜態(tài)定位中得到了廣泛應(yīng)用,5.3偽載波測(cè)量,靜態(tài)法的不足,使用靜態(tài)方法時(shí)，一旦對(duì)所測(cè)衛(wèi)星失鎖，則接收機(jī)載體必須停下來(lái)，重新確定整周未知數(shù)，嚴(yán)重限制了載波相位觀測(cè)法在高精度動(dòng)態(tài)定位中的有效應(yīng)用。,5.3偽載波測(cè)量,動(dòng)態(tài)初始化法,1993年徠卡公司開發(fā)成功 基本思想： 根據(jù)接收機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)載波信號(hào)的短時(shí)間觀測(cè)值，與參考站的同步觀測(cè)值一起，利