第四章_gps定位原理

1、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2009.4.1,GPS信號(hào)的構(gòu)成示意圖,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！,？,GPS定位的各種常用觀測(cè)量,L1載波相位觀測(cè)值

2、；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

3、測(cè)量定位,偽距觀測(cè)值的計(jì)算,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

4、：,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

5、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)

6、題——碼寬較大，精度偏低,載波相位偽距測(cè)量基本原理,,,,載波相位偽距測(cè)量基本原理,任意時(shí)刻ti，一個(gè)完整的載波相位觀測(cè)量為：,載波相位偽距觀測(cè)方程的推導(dǎo),思路符號(hào)說(shuō)明考慮的因素公式與測(cè)距碼偽距觀測(cè)方程的比較關(guān)鍵點(diǎn)：時(shí)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(cè)方程的線性化,思路理論方程與模型抽象：時(shí)間函數(shù)的泰勒展開(kāi)及取一次項(xiàng)考慮的因素公式表達(dá)及物理意義,測(cè)距碼測(cè)量與載波相位測(cè)量比較,測(cè)距碼測(cè)量：優(yōu)點(diǎn)無(wú)整周未知數(shù)

7、缺點(diǎn)精度低載波相位測(cè)量：優(yōu)點(diǎn)精度高，測(cè)距精度可達(dá)0.1mm量級(jí)難點(diǎn)整周未知數(shù)問(wèn)題整周跳變問(wèn)題,上節(jié)回顧,GPS絕對(duì)定位的基本原理(實(shí)質(zhì))測(cè)距碼偽距觀測(cè)方程的推導(dǎo)測(cè)距碼偽距觀測(cè)方程的線性化表達(dá)載波相位偽距觀測(cè)方程的推導(dǎo)載波相位偽距觀測(cè)方程的線性化表達(dá)及兩個(gè)觀測(cè)方程的比較,靜態(tài)絕對(duì)定位原理,偽距觀測(cè)方程的表達(dá)及解算要求電離層和對(duì)流層誤差公式的變化與組合解題思路與意義,動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位原理,動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位的概念面臨的

8、問(wèn)題：天線位置的變化等精度測(cè)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(wèn)題解決辦法,絕對(duì)定位的優(yōu)點(diǎn),定位方程表達(dá)從定位方程表達(dá)看優(yōu)點(diǎn),絕對(duì)定位的缺點(diǎn),定位方程表達(dá)從定位方程表達(dá)看缺點(diǎn)：誤差種類(lèi)與應(yīng)對(duì)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(duì)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(diǎn)定位時(shí)所觀測(cè)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(duì)定位精度評(píng)定,

10、GPS絕對(duì)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(cè)量精度——精度因子與所觀測(cè)衛(wèi)星的空間分布有關(guān)絕對(duì)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(cè)；,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(shí),單站單機(jī)法：一臺(tái)GPS接收機(jī)，在一個(gè)坐標(biāo)已知的觀測(cè)站上觀測(cè)衛(wèi)星，確定用戶(hù)時(shí)鐘相對(duì)GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間的偏差。共視法：坐標(biāo)已知的兩個(gè)測(cè)站上各設(shè)一臺(tái)GPS接收機(jī)，同步觀測(cè)同一

11、衛(wèi)星來(lái)測(cè)定兩用戶(hù)時(shí)鐘的相對(duì)偏差，從而達(dá)到高精度時(shí)間對(duì)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(duì)定位的啟示！測(cè)量誤差較強(qiáng)的相關(guān)性,6. GPS相對(duì)定位,相對(duì)與絕對(duì)的概念：比較是人類(lèi)的天性相對(duì)定位：必定有兩個(gè)或兩個(gè)以上測(cè)站(接收機(jī))，或者衛(wèi)星，或者兩個(gè)以上的時(shí)間歷元參與，才能進(jìn)行比較，所以又叫差分定位。分類(lèi)：動(dòng)態(tài)相對(duì)定位、靜態(tài)相對(duì)定位,6.1 動(dòng)態(tài)相對(duì)定位,動(dòng)態(tài)相對(duì)定位定義:P93動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位

12、與相對(duì)定位特點(diǎn)比較相對(duì)定位的基礎(chǔ)：測(cè)量誤差較強(qiáng)的相關(guān)性基本觀測(cè)量：測(cè)碼偽距和載波相位,測(cè)碼偽距動(dòng)態(tài)相對(duì)定位,測(cè)碼偽距動(dòng)態(tài)相對(duì)定位方程誤差分析未知數(shù)和方程個(gè)數(shù)GPS定位和差分GPS定位誤差比較(表4-1),載波相位動(dòng)態(tài)相對(duì)定位,改正法和求差法，改正法與偽距差分類(lèi)似,用戶(hù)站的坐標(biāo),消去公共誤差，能實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)高精度的定位結(jié)果。電臺(tái)的功率限制了用戶(hù)到基準(zhǔn)站距離，作用范圍幾十公里。廣泛用于工程測(cè)量中。,偽距或載波相位觀測(cè)值/實(shí)時(shí)

13、處理數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸；測(cè)后處理數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)粗差,動(dòng)態(tài)相對(duì)定位,6.2 靜態(tài)相對(duì)定位,定義:P91特點(diǎn)：波長(zhǎng)、誤差的校正、基線兩端的連續(xù)觀測(cè)缺點(diǎn)：觀測(cè)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)解決辦法：整周未知數(shù)快速逼近法,基本觀測(cè)量：載波相位,中等長(zhǎng)度的基線(100-500km)，相對(duì)定位精度可達(dá)10-6~10-7，甚至更好,靜態(tài)相對(duì)定位誤差及克服方法,誤差種類(lèi)：見(jiàn)測(cè)相方程分析誤差規(guī)律增加觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量：帶來(lái)的問(wèn)題增加觀測(cè)時(shí)間：時(shí)間過(guò)長(zhǎng)本來(lái)就是個(gè)問(wèn)題解決方程中誤

14、差問(wèn)題是關(guān)鍵如何通過(guò)衛(wèi)星、觀測(cè)站、不同時(shí)間之間關(guān)系發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的方式？,更好的方法：靜態(tài)相對(duì)定位,GPS誤差對(duì)兩個(gè)觀測(cè)站或者多個(gè)觀測(cè)站同步觀測(cè)相同衛(wèi)星具有較強(qiáng)的相關(guān)性GPS相對(duì)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(duì)定位中的組合方式,單差(SD)：不同觀測(cè)站，同步觀測(cè)相同衛(wèi)星所得的觀測(cè)量之差雙差(DD)：不同觀測(cè)站，同步觀測(cè)同組衛(wèi)星所得的單差之差三差(TD)：不同觀測(cè)站，同步觀測(cè)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(jī)(測(cè)站)間求差形式三：不同時(shí)刻(歷元)求差求差后的線性組合作為虛擬觀測(cè)值,接收機(jī)(測(cè)站)間求差的推導(dǎo)：,觀測(cè)方程星歷誤差消除圖解,接收機(jī)(測(cè)站)間求差的優(yōu)點(diǎn)：,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(duì)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(cè)方程求解：,線性化多個(gè)方程則通過(guò)寫(xiě)成誤差方程求解整周未知數(shù)是方程組的一個(gè)未知數(shù),雙差模型：,

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

17、不同時(shí)間之間關(guān)系描述解決方程中誤差問(wèn)題是關(guān)鍵如何通過(guò)衛(wèi)星、觀測(cè)站、不同時(shí)間之間關(guān)系發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的方式,如何通過(guò)衛(wèi)星、觀測(cè)站、不同時(shí)間之間關(guān)系發(fā)現(xiàn)解決問(wèn)題的方式是突破點(diǎn),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(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：消除或減弱一些具有系統(tǒng)性誤差的影響；減少平差計(jì)算中未知數(shù)的個(gè)數(shù)；缺點(diǎn)：原始獨(dú)立觀測(cè)量通過(guò)求差將引起差分量之間的