GPS卫星定位的基本原理.pptx
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1、GPSGPS原理及应用原理及应用讲授:讲授:测绘工程本科生课程测绘工程本科生课程测绘工程本科生课程测绘工程本科生课程 第六讲第六讲 GPS卫星定位基本原理(一)卫星定位基本原理(一)概述概述伪距测量原理伪距测量原理载波相位测量原理载波相位测量原理交会法确定点位交会法确定点位测角交会法测角交会法测边交会法测边交会法测角交会法测角交会法A AB BP P测方交会测方交会前方交会前方交会A AB BP PA、B和和C点坐标已知,点坐标已知,P点坐标未知点坐标未知后方交会后方交会P PC CA AB B测边(距)交会法测边(距)交会法两条边可确定两条边可确定两条边可确定两条边可确定P P点坐标点坐标点
2、坐标点坐标 无线电导航定位无线电导航定位无线电导航定位无线电导航定位 卫星激光测距定位卫星激光测距定位卫星激光测距定位卫星激光测距定位P PC CA AB Bd d1 1d d2 2d d3 3无线电发射台或激光测距仪无线电发射台或激光测距仪无线电发射台或激光测距仪无线电发射台或激光测距仪无线电接收机或卫星无线电接收机或卫星无线电接收机或卫星无线电接收机或卫星GPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理v应用应用应用应用测距交会测距交会测距交会测距交会的原理,利用三颗以上卫星的已的原理,利用三颗以上卫星的已的原理,利用三颗以上卫星的已的原理,利用三颗以上卫星的已知空间位置交会出地面未知点(用户接
3、收机)知空间位置交会出地面未知点(用户接收机)知空间位置交会出地面未知点(用户接收机)知空间位置交会出地面未知点(用户接收机)的位置。的位置。的位置。的位置。GPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理观测方程观测方程P点的三维坐标(点的三维坐标(X,Y,Z)vv依据测距的原理划分:依据测距的原理划分:1)伪距法定位(测码)伪距法定位(测码)2)载波相位测量定位(测相)载波相位测量定位(测相)3)差分)差分GPS定位定位vv根据待定点的运动状态划分:根据待定点的运动状态划分:1)静态定位)静态定位 2)动态定位)动态定位 GPS卫星定位卫星定位方法分类方法分类伪距测量伪距测量 伪距:伪距:由卫星
4、发射的测距码信号到达由卫星发射的测距码信号到达由卫星发射的测距码信号到达由卫星发射的测距码信号到达GPSGPSGPSGPS接收机的接收机的接收机的接收机的传播时间乘以光速传播时间乘以光速传播时间乘以光速传播时间乘以光速所得出的所得出的所得出的所得出的量测距离量测距离量测距离量测距离。由于。由于。由于。由于各各各各种误差种误差种误差种误差的存在,与卫星到测站的实际几何距离的存在,与卫星到测站的实际几何距离的存在,与卫星到测站的实际几何距离的存在,与卫星到测站的实际几何距离有一定差值。有一定差值。有一定差值。有一定差值。两种测量值:两种测量值:-C -C -C -CA A A A码伪距码伪距码伪距
5、码伪距 -P -P -P -P码伪距码伪距码伪距码伪距由由GPSGPS接收机在某一时刻测出到达四颗以接收机在某一时刻测出到达四颗以上上GPSGPS卫星的伪距以及已知的卫星位置,卫星的伪距以及已知的卫星位置,采用采用测距交会测距交会的方法求定接收机天线所的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。在点的三维坐标。伪距法定位伪距法定位伪距测量的特点伪距测量的特点适用于导航和低精度测量(适用于导航和低精度测量(适用于导航和低精度测量(适用于导航和低精度测量(P P码定位误差约为码定位误差约为码定位误差约为码定位误差约为10m10m,C/AC/A码定位误差为码定位误差为码定位误差为码定位误差为202030m
6、30m););););定位速度快;定位速度快;定位速度快;定位速度快;可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题(模糊度)的辅助资料。(模糊度)的辅助资料。(模糊度)的辅助资料。(模糊度)的辅助资料。伪距测量的方法伪距测量的方法卫星发出一个测距码,该测距码经过卫星发出一个测距码,该测距码经过卫星发出一个测距码,该测距码经过卫星发出一个测距码,该测距码经过 时间后到达时间后到达时间后到达时间后到达接收机;接收机;接收机;接收机;接收机产生一组结构完全相同的测距码接收机产生一组结构
7、完全相同的测距码复复制码,并通过时延器使其延迟时间制码,并通过时延器使其延迟时间;将两组测距码进行相关处理,直到两组测距码的将两组测距码进行相关处理,直到两组测距码的将两组测距码进行相关处理,直到两组测距码的将两组测距码进行相关处理,直到两组测距码的自相关系数自相关系数自相关系数自相关系数 R R()=1)=1为止,此时,复制码已和测为止,此时,复制码已和测为止,此时,复制码已和测为止,此时,复制码已和测距码对齐,复制码的延迟时间距码对齐,复制码的延迟时间距码对齐,复制码的延迟时间距码对齐,复制码的延迟时间 就等于卫星信号就等于卫星信号就等于卫星信号就等于卫星信号的传播时间的传播时间的传播时间
8、的传播时间;将将将将 乘上光速乘上光速乘上光速乘上光速c c后即可求得卫星至接收机的伪距。后即可求得卫星至接收机的伪距。后即可求得卫星至接收机的伪距。后即可求得卫星至接收机的伪距。伪距测量的方法伪距测量的方法(续续)为什么利用码相关法测定伪距?为什么利用码相关法测定伪距?vv为什么不利用码的标志来推算时延值?为什么不利用码的标志来推算时延值?为什么不利用码的标志来推算时延值?为什么不利用码的标志来推算时延值?随机误差的存在:随机误差的存在:随机误差的存在:随机误差的存在:每个测距码在产生时;测距码在传播过程中由于外界干扰产生变每个测距码在产生时;测距码在传播过程中由于外界干扰产生变每个测距码在
9、产生时;测距码在传播过程中由于外界干扰产生变每个测距码在产生时;测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形;复制码在产生时。形;复制码在产生时。形;复制码在产生时。形;复制码在产生时。仅根据测距码中的某一标志来进行量测会带来较大仅根据测距码中的某一标志来进行量测会带来较大仅根据测距码中的某一标志来进行量测会带来较大仅根据测距码中的某一标志来进行量测会带来较大误差。利用码相关技术在自相关系数误差。利用码相关技术在自相关系数误差。利用码相关技术在自相关系数误差。利用码相关技术在自相关系数R R()=max)=max 的的的的情况下来确定信号的传播时间情况下来确定信号的传播时间情况下来确定信号的传播时间
10、情况下来确定信号的传播时间,实质上是采用了多,实质上是采用了多,实质上是采用了多,实质上是采用了多个码特征来确定个码特征来确定个码特征来确定个码特征来确定 ,排除了随机误差的影响。,排除了随机误差的影响。,排除了随机误差的影响。,排除了随机误差的影响。伪距测量的原理伪距测量的原理q 三种时间系统:三种时间系统:各颗各颗GPS卫星的时间标准卫星的时间标准各台各台GPS信号接收机的时间标准信号接收机的时间标准统一上述时间标准的统一上述时间标准的GPS时间系统时间系统伪距测量的原理(续)伪距测量的原理(续)伪噪声码从卫星到接伪噪声码从卫星到接伪噪声码从卫星到接伪噪声码从卫星到接收天线的传播时间:收天
11、线的传播时间:收天线的传播时间:收天线的传播时间:伪噪声码从卫星到伪噪声码从卫星到伪噪声码从卫星到伪噪声码从卫星到达接收天线的时元达接收天线的时元达接收天线的时元达接收天线的时元伪噪声码在其卫伪噪声码在其卫伪噪声码在其卫伪噪声码在其卫星的发射时元星的发射时元星的发射时元星的发射时元伪距测量的原理(续)伪距测量的原理(续)d dt t 卫卫卫卫星星星星时时时时钟钟钟钟相相相相对对对对于于于于GPSGPS时时时时间间间间系系系系统统统统的的的的时时时时间间间间偏偏偏偏差差差差(可根据导航电文求得)(可根据导航电文求得)(可根据导航电文求得)(可根据导航电文求得)d dT T 接接接接收收收收机机机
12、机时时时时钟钟钟钟相相相相对对对对于于于于GPSGPS时时时时间间间间系系系系统统统统的的的的时时时时间间间间偏偏偏偏差(接收机钟差)差(接收机钟差)差(接收机钟差)差(接收机钟差)伪距测量的原理(续)伪距测量的原理(续)卫星到接收天线的距离(包含卫星到接收天线的距离(包含卫星到接收天线的距离(包含卫星到接收天线的距离(包含电离层、对流层的误差):电离层、对流层的误差):电离层、对流层的误差):电离层、对流层的误差):卫星到接收天线的卫星到接收天线的卫星到接收天线的卫星到接收天线的“伪距(伪距(伪距(伪距(pseudorangepseudorange)”:伪噪声码的真伪噪声码的真伪噪声码的真伪
13、噪声码的真实传播时间实传播时间实传播时间实传播时间伪距测量的原理(续)伪距测量的原理(续)考虑电离层考虑电离层/对流层影响的伪距值:对流层影响的伪距值:C C(d(dt t d dT T)时钟偏差引起的距离偏差时钟偏差引起的距离偏差时钟偏差引起的距离偏差时钟偏差引起的距离偏差d dionion电离层效应引起的距离偏差电离层效应引起的距离偏差电离层效应引起的距离偏差电离层效应引起的距离偏差d dtroptrop对流层引起的距离偏差对流层引起的距离偏差对流层引起的距离偏差对流层引起的距离偏差伪距测量的原理(续)伪距测量的原理(续)是卫星在轨位置和用户位置的函数,即:是卫星在轨位置和用户位置的函数,
14、即:第第第第j j 颗卫星在时元颗卫星在时元颗卫星在时元颗卫星在时元t t 的三维的三维的三维的三维坐标,可从导航电文中求得坐标,可从导航电文中求得坐标,可从导航电文中求得坐标,可从导航电文中求得 用户接收天线在时元用户接收天线在时元用户接收天线在时元用户接收天线在时元t t 的三维的三维的三维的三维坐标,为待求的未知数坐标,为待求的未知数坐标,为待求的未知数坐标,为待求的未知数上式中有上式中有上式中有上式中有4 4个未知数(用户三维坐标和接收机的个未知数(用户三维坐标和接收机的个未知数(用户三维坐标和接收机的个未知数(用户三维坐标和接收机的钟差钟差钟差钟差d dT T)。这样在任何一个观测瞬
15、间,用户至)。这样在任何一个观测瞬间,用户至)。这样在任何一个观测瞬间,用户至)。这样在任何一个观测瞬间,用户至少需要同时观测少需要同时观测少需要同时观测少需要同时观测4 4颗卫星颗卫星颗卫星颗卫星,以便解算,以便解算,以便解算,以便解算4 4个未知数。个未知数。个未知数。个未知数。伪距测量的基本方程(续)伪距测量的基本方程(续)载波相位测量载波相位测量优势优势 伪距测量的不足:伪距测量的不足:伪距测量的不足:伪距测量的不足:测距码的码元宽度较大,因此量测精度较低。测距码的码元宽度较大,因此量测精度较低。测距码的码元宽度较大,因此量测精度较低。测距码的码元宽度较大,因此量测精度较低。(对(对(
16、对(对C/AC/A码而言精度码而言精度码而言精度码而言精度3m3m左右左右左右左右,P P码约为码约为码约为码约为30cm30cm)如果把载波作为量测信号,载波的波长要短得多如果把载波作为量测信号,载波的波长要短得多如果把载波作为量测信号,载波的波长要短得多如果把载波作为量测信号,载波的波长要短得多(L L1 1=19cm=19cm,L L2 2=24cm=24cm),比),比),比),比P P码码元的码码元的码码元的码码元的长度小两个数量级。对载波进行相位测量,可以长度小两个数量级。对载波进行相位测量,可以长度小两个数量级。对载波进行相位测量,可以长度小两个数量级。对载波进行相位测量,可以达
17、到很高的精度。达到很高的精度。达到很高的精度。达到很高的精度。载波相位测量存在的问题载波相位测量存在的问题载波信号是一种周期性正弦信号,相载波信号是一种周期性正弦信号,相位测量只能测定其不足一个波长的部位测量只能测定其不足一个波长的部分,因而存在着分,因而存在着整周数不确定性整周数不确定性的问的问题,使解算过程变得比较复杂。题,使解算过程变得比较复杂。重建载波重建载波重建载波:重建载波:将调制在载波上的测距码和导航电文去掉,将调制在载波上的测距码和导航电文去掉,将调制在载波上的测距码和导航电文去掉,将调制在载波上的测距码和导航电文去掉,重新获得载波。重新获得载波。重新获得载波。重新获得载波。方
18、法:方法:-码相关法:可同时提取测距信号和卫星电文码相关法:可同时提取测距信号和卫星电文码相关法:可同时提取测距信号和卫星电文码相关法:可同时提取测距信号和卫星电文 -平方法平方法平方法平方法 :只能提取载波:只能提取载波:只能提取载波:只能提取载波载波相位测量的观测量载波相位测量的观测量GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。接收机本振参考信号的相位差。载波相位测量原理载波相位测量原理k k 接收机在接收机钟面时刻接收机在接收机钟面时刻接收机在接收机钟面时刻接收机在接收机钟面时刻t tk k 时观时观时观时观测测测测j j 卫星所取得的相位观
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