第四章_gps定位原理

1、第四章 GPS定位原理,趙晶 同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院2009.4.1,GPS信號的構(gòu)成示意圖,每顆衛(wèi)星都發(fā)射一系列無線電信號(基準(zhǔn)頻率??) 兩種載波(L1和L2) 兩種碼信號(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,需解決的兩個關(guān)鍵問題如何確定衛(wèi)星的位置如何測量出站星距離測距交會原理！,？,GPS定位的各種常用觀測量,L1載波相位觀測值

2、；L2載波相位觀測值；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,觀測值類型測距碼偽距測量定位載波相位偽距測量定位定位的模式絕對定位(單點定位)相對定位(差分定位)定位時接收機天線的運動狀態(tài)靜態(tài)定位－天線相對于地球坐標(biāo)系靜止動態(tài)定位－天線相對于地球坐標(biāo)系運動定位結(jié)果獲取時間實時定位非實時定位,一、 GPS 偽距

3、測量定位,偽距觀測值的計算,接收機至衛(wèi)星的距離借助于衛(wèi)星發(fā)射的碼信號量測并計算得到——接收機本身按同一編碼規(guī)則復(fù)制碼信號；比較本機碼信號及到達(dá)的碼信號確定信號傳播的時間?t；傳播延遲時間乘以光速就是距離觀測值?=C? ?t；,絕對定位：空間距離后方交會問題衛(wèi)星充當(dāng)軌道上運動的控制點，觀測值為測站至衛(wèi)星的偽距接收機時鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差所以要同步觀測4顆衛(wèi)星，解算4個未知參數(shù)：3個點位坐標(biāo)分量和1個鐘差參數(shù),由此提出1個問題

4、：,如何計算某一瞬間衛(wèi)星到接收機的距離?方法：測距碼偽距測量、載波相位偽距測量,測距碼偽距測量基本原理,基本思想：利用測距碼的自相關(guān)性——衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號經(jīng)過?t秒傳播后到達(dá)接收機時，接收機立即產(chǎn)生一個結(jié)構(gòu)相同的復(fù)制碼序列，通過延時器調(diào)整復(fù)制碼延遲時間，使兩組碼序列自相關(guān)系數(shù)達(dá)到最大值，則復(fù)制碼與測距碼基本對齊，此時的延遲時間即等于?t......(P68)偽距觀測值：?=C??t,測距碼偽距測量基本原理,偽距：測距碼信號傳

5、播時間乘以光速，信號傳播受衛(wèi)星鐘、接收機鐘誤差影響及電離層、對流層折射延遲影響，實際測得距離與幾何距離有偏差。接收機鐘差：未知數(shù)定位未知參數(shù)：三個點位坐標(biāo)分量＋鐘差參數(shù)重寫定位方程,測距碼偽距觀測方程的推導(dǎo),思路符號說明考慮的因素關(guān)鍵點：時間差的精確表達(dá),測距碼偽距觀測方程的線性化,思路理論方程與模型抽象：泰勒展開及取一次項考慮的因素公式表達(dá)及物理意義,載波相位偽距測量基本原理,為什么利用載波進(jìn)行測距？測距碼存在的問

6、題——碼寬較大，精度偏低,載波相位偽距測量基本原理,,,,載波相位偽距測量基本原理,任意時刻ti，一個完整的載波相位觀測量為：,載波相位偽距觀測方程的推導(dǎo),思路符號說明考慮的因素公式與測距碼偽距觀測方程的比較關(guān)鍵點：時間差的精確表達(dá)和整周未知數(shù)的確定,載波相位偽距觀測方程的線性化,思路理論方程與模型抽象：時間函數(shù)的泰勒展開及取一次項考慮的因素公式表達(dá)及物理意義,測距碼測量與載波相位測量比較,測距碼測量：優(yōu)點無整周未知數(shù)

7、缺點精度低載波相位測量：優(yōu)點精度高，測距精度可達(dá)0.1mm量級難點整周未知數(shù)問題整周跳變問題,上節(jié)回顧,GPS絕對定位的基本原理(實質(zhì))測距碼偽距觀測方程的推導(dǎo)測距碼偽距觀測方程的線性化表達(dá)載波相位偽距觀測方程的推導(dǎo)載波相位偽距觀測方程的線性化表達(dá)及兩個觀測方程的比較,靜態(tài)絕對定位原理,偽距觀測方程的表達(dá)及解算要求電離層和對流層誤差公式的變化與組合解題思路與意義,動態(tài)絕對定位原理,動態(tài)絕對定位的概念面臨的

8、問題：天線位置的變化等精度測距碼偽距公式的修正解題思路與意義載波相位偽距定位原理基本方法出現(xiàn)的問題解決辦法,絕對定位的優(yōu)點,定位方程表達(dá)從定位方程表達(dá)看優(yōu)點,絕對定位的缺點,定位方程表達(dá)從定位方程表達(dá)看缺點：誤差種類與應(yīng)對方法衛(wèi)星星歷精密星歷衛(wèi)星鐘差精密鐘差、地面跟蹤電離層延遲雙頻改正對流層延遲模型改正,衛(wèi)星幾何分布精度因子,DOP(Dilution of Precision)與單點定位時所觀測衛(wèi)星

9、的數(shù)量與分布有關(guān)，表示的是定位的幾何條件。PDOP – Position Dilution of PrecisionTDOP – Time Dilution of PrecisionGDOP – Geometry Dilution of PrecisionHDOP – Horizontal Dilution of PrecisionVDOP – Vertical Dilution of Precision,,絕對定位精度評定,

10、GPS絕對定位的定位精度主要取決于：衛(wèi)星空間分布幾何圖形觀測量精度——精度因子與所觀測衛(wèi)星的空間分布有關(guān)絕對定位誤差與精度因子的大小成正比，應(yīng)選擇精度因子最小的一組衛(wèi)星進(jìn)行觀測；,六面體體積V最大情形：一顆衛(wèi)星處于天頂，其余3顆衛(wèi)星相距120°,GPS授時,單站單機法：一臺GPS接收機，在一個坐標(biāo)已知的觀測站上觀測衛(wèi)星，確定用戶時鐘相對GPS標(biāo)準(zhǔn)時間的偏差。共視法：坐標(biāo)已知的兩個測站上各設(shè)一臺GPS接收機，同步觀測同一

11、衛(wèi)星來測定兩用戶時鐘的相對偏差，從而達(dá)到高精度時間對比的目的。從方程中可以消除或者減小的因素兩種方法的比較......這就是相對定位的啟示！測量誤差較強的相關(guān)性,6. GPS相對定位,相對與絕對的概念：比較是人類的天性相對定位：必定有兩個或兩個以上測站(接收機)，或者衛(wèi)星，或者兩個以上的時間歷元參與，才能進(jìn)行比較，所以又叫差分定位。分類：動態(tài)相對定位、靜態(tài)相對定位,6.1 動態(tài)相對定位,動態(tài)相對定位定義:P93動態(tài)絕對定位

12、與相對定位特點比較相對定位的基礎(chǔ)：測量誤差較強的相關(guān)性基本觀測量：測碼偽距和載波相位,測碼偽距動態(tài)相對定位,測碼偽距動態(tài)相對定位方程誤差分析未知數(shù)和方程個數(shù)GPS定位和差分GPS定位誤差比較(表4-1),載波相位動態(tài)相對定位,改正法和求差法，改正法與偽距差分類似,用戶站的坐標(biāo),消去公共誤差，能實時給出厘米級高精度的定位結(jié)果。電臺的功率限制了用戶到基準(zhǔn)站距離，作用范圍幾十公里。廣泛用于工程測量中。,偽距或載波相位觀測值/實時

13、處理數(shù)據(jù)，實時傳輸；測后處理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)粗差,動態(tài)相對定位,6.2 靜態(tài)相對定位,定義:P91特點：波長、誤差的校正、基線兩端的連續(xù)觀測缺點：觀測時間過長解決辦法：整周未知數(shù)快速逼近法,基本觀測量：載波相位,中等長度的基線(100-500km)，相對定位精度可達(dá)10-6~10-7，甚至更好,靜態(tài)相對定位誤差及克服方法,誤差種類：見測相方程分析誤差規(guī)律增加觀測衛(wèi)星數(shù)量：帶來的問題增加觀測時間：時間過長本來就是個問題解決方程中誤

14、差問題是關(guān)鍵如何通過衛(wèi)星、觀測站、不同時間之間關(guān)系發(fā)現(xiàn)解決問題的方式？,更好的方法：靜態(tài)相對定位,GPS誤差對兩個觀測站或者多個觀測站同步觀測相同衛(wèi)星具有較強的相關(guān)性GPS相對定位中的組合方式是發(fā)現(xiàn)這些相關(guān)性，從而消除誤差最好的方法,靜態(tài)相對定位中的組合方式,單差(SD)：不同觀測站，同步觀測相同衛(wèi)星所得的觀測量之差雙差(DD)：不同觀測站，同步觀測同組衛(wèi)星所得的單差之差三差(TD)：不同觀測站，同步觀測同組衛(wèi)星所得的雙差之差,

15、單差(SD)的三種形式：,形式一：衛(wèi)星間求差形式二：接收機(測站)間求差形式三：不同時刻(歷元)求差求差后的線性組合作為虛擬觀測值,接收機(測站)間求差的推導(dǎo)：,觀測方程星歷誤差消除圖解,接收機(測站)間求差的優(yōu)點：,衛(wèi)星鐘差完全消除；大大消弱了衛(wèi)星星歷誤差；大大消弱了對流層和電離層的影響，在短距離內(nèi)幾乎可以完全消除；,單差觀測方程求解：,線性化多個方程則通過寫成誤差方程求解整周未知數(shù)是方程組的一個未知數(shù),雙差模型：,

16、定義：不同觀測站，同步觀測同組衛(wèi)星所得的單差之差觀測方程方程特點,雙差模型優(yōu)點：,衛(wèi)星鐘差消除,雙差模型觀測方程求解：,線性化后形式多個方程則通過寫成誤差方程求解整周未知數(shù)是方程組的一個未知數(shù),三差模型：,定義：不同觀測站，同步觀測同組衛(wèi)星所得的雙差之差觀測方程方程特點,三差模型優(yōu)點：,在雙差的基礎(chǔ)上，消除了整周未知數(shù),三差模型觀測方程求解：,線性化后形式多個方程則通過寫成誤差方程求解,靜態(tài)相對定位觀測方程,衛(wèi)星、觀測站、

17、不同時間之間關(guān)系描述解決方程中誤差問題是關(guān)鍵如何通過衛(wèi)星、觀測站、不同時間之間關(guān)系發(fā)現(xiàn)解決問題的方式,如何通過衛(wèi)星、觀測站、不同時間之間關(guān)系發(fā)現(xiàn)解決問題的方式是突破點,單差、雙差和三差,單差：站間一次差分雙差：站間、星間各求一次差(共兩次差)三差：站間、星間和歷元間各求一次差(共三次差),差分模型的優(yōu)缺點,優(yōu)點：消除或減弱一些具有系統(tǒng)性誤差的影響；減少平差計算中未知數(shù)的個數(shù)；缺點：原始獨立觀測量通過求差將引起差分量之間的