GPS导航定位原理教程.pptx
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1、Slide 1GPSGPS导航定位原理导航定位原理u伪距测量伪距测量u载波相位测量载波相位测量u绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位u导航原理与方法导航原理与方法uGPS测量误差来源测量误差来源Slide 2定位方法分类定位方法分类按参考点的不同位置划分为:按参考点的不同位置划分为:(1)绝对定位(单点定位):在地球协议坐)绝对定位(单点定位):在地球协议坐标系中,确定观测站相对地球质心的位置。标系中,确定观测站相对地球质心的位置。(2)相对定位:在地球协议坐标系中,确定)相对定位:在地球协议坐标系中,确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。观测站与地面某一参考点之间的相对位置。GPS定位方
2、法分类定位方法分类Slide 3按用户接收机作业时所处的状态划分:按用户接收机作业时所处的状态划分:(1)静态定位:在定位过程中,接收机位置)静态定位:在定位过程中,接收机位置静止不动,是固定的。静止状态只是相对的,静止不动,是固定的。静止状态只是相对的,在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化,或变化的位置相对其周围点位没有发生变化,或变化极其缓慢,以致在观测期内可以忽略。极其缓慢,以致在观测期内可以忽略。(2)动态定位:在定位过程中,接收机天线)动态定位:在定位过程中,接收机天线处于运动状态。处于运动状态。在绝对定位和
3、相对定位中,又都包含静态和动在绝对定位和相对定位中,又都包含静态和动态两种形式。态两种形式。GPS定位方法分类定位方法分类Slide 4GPS观测量的基本概念观测量的基本概念无论采取何种无论采取何种GPS定位方法,都是通过定位方法,都是通过观测观测GPS卫星而获得某种观测量来实现卫星而获得某种观测量来实现的。的。GPS卫星信号含有多种定位信息,卫星信号含有多种定位信息,根据不同的要求,可以从中获得不同的根据不同的要求,可以从中获得不同的观测量,主要包括:观测量,主要包括:根据码相位观测得出的伪距。根据码相位观测得出的伪距。根据载波相位观测得出的伪距。根据载波相位观测得出的伪距。由积分多普勒计数
4、得出的伪距。由积分多普勒计数得出的伪距。由干涉法测量得出的时间延迟。由干涉法测量得出的时间延迟。Slide 5GPS观测量的基本概念观测量的基本概念采用积分多普勒计数法进行定位时,所需采用积分多普勒计数法进行定位时,所需观测时间较长,一般数小时,同时观测过观测时间较长,一般数小时,同时观测过程中,要求接收机的震荡器保持高度稳定。程中,要求接收机的震荡器保持高度稳定。干涉法测量时,所需设备较昂贵,数据处干涉法测量时,所需设备较昂贵,数据处理复杂。理复杂。这两种方法在这两种方法在GPS定位中,尚难以获得广定位中,尚难以获得广泛应用。泛应用。目前广泛应用的基本观测量主要有码相位目前广泛应用的基本观测
5、量主要有码相位观测量和载波相位观测量。观测量和载波相位观测量。Slide 6GPSGPS伪距测量伪距测量伪距法定位是由伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测接收机在某一时刻测出的到四颗以上出的到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知卫星的伪距以及已知的卫星位置,采用距离交会的方法(原理的卫星位置,采用距离交会的方法(原理与观测方程将随后介绍)求定接收机天线与观测方程将随后介绍)求定接收机天线所在点的三维坐标。所在点的三维坐标。Slide 7什么叫伪距?什么叫伪距?所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出接收机的传播时间乘以光速所
6、得出的量测距离。由于卫星时钟、接收机时钟的量测距离。由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟,实际测出的距离与卫星到接层中的延迟,实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值,因此一般称收机的几何距离有一定差值,因此一般称量测出的距离为伪距。量测出的距离为伪距。用用C/A码进行测量的伪距为码进行测量的伪距为C/A码伪距,码伪距,用用P码测量的伪距为码测量的伪距为P码伪距。码伪距。Slide 8伪距法定位特点伪距法定位特点伪距法定位虽然一次定位精度不高,伪距法定位虽然一次定位精度不高,P码码定位误差约为定位误差约为10m,C/
7、A码定位误差为码定位误差为20-30m,但因其具有定位速度快,且无但因其具有定位速度快,且无多值性问题等优点,仍然是多值性问题等优点,仍然是GPS定位系统定位系统进行导航的最基本方法。同时,所测伪距进行导航的最基本方法。同时,所测伪距又可作为载波相位测量中解决整波数不确又可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题(整周模糊度)的辅助资料。定问题(整周模糊度)的辅助资料。Slide 9sj(t1)sj(t2)XYZYiXiZiij(t1)ij(t2)GPSGPS定位的几何关系定位的几何关系Slide 10伪距定位观测方程伪距定位观测方程假设卫星至观测站的几何距离为假设卫星至观测站的几何距离为 ij
8、,在忽略在忽略大气影响的情况下可得相应的伪距:大气影响的情况下可得相应的伪距:当卫星钟与接收机钟严格同步时,上式所确当卫星钟与接收机钟严格同步时,上式所确定的伪距即为站星几何距离。定的伪距即为站星几何距离。为伪距,为伪距,为真正几何距离,为真正几何距离,为接收机和卫星之间为接收机和卫星之间钟差。钟差。Slide 11通常通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的导航电卫星的钟差可从卫星发播的导航电文中获得,经钟差改正后,各卫星之间的时文中获得,经钟差改正后,各卫星之间的时间同步差可保持在间同步差可保持在20ns以内。如果忽略卫以内。如果忽略卫星之间钟差影响,并考虑电离层、对流层折星之间钟差影响,并考虑
9、电离层、对流层折射影响,可得:射影响,可得:伪距定位观测方程伪距定位观测方程Slide 12伪距定位观测方程伪距定位观测方程几何距离几何距离 与卫星坐标(与卫星坐标(Xs,Ys,Zs)和接收机坐标(和接收机坐标(X,Y,Z)之间有如下关系:之间有如下关系:其中卫星坐标可根据卫星导航电文求得,所其中卫星坐标可根据卫星导航电文求得,所以式中只包含接收机坐标三个未知数。由于以式中只包含接收机坐标三个未知数。由于电离层改正数和对流层改正数可以按照一定电离层改正数和对流层改正数可以按照一定的模型求解出,那么如果将接收机钟差的模型求解出,那么如果将接收机钟差 也作为未知数,则共有四个未知数。因此,也作为未
10、知数,则共有四个未知数。因此,接收机必须同时至少测定四颗卫星的距离才接收机必须同时至少测定四颗卫星的距离才能解算出接收机的三维坐标值。能解算出接收机的三维坐标值。Slide 13测码伪距观测方程的常用形式如下:测码伪距观测方程的常用形式如下:伪距定位观测方程伪距定位观测方程式中式中j为卫星数,为卫星数,j1,2,3。Slide 14第三部分第三部分 GPSGPS导航定位原理导航定位原理u伪距测量伪距测量u载波相位测量载波相位测量u绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位u导航原理与方法导航原理与方法uGPS测量误差来源测量误差来源Slide 15GPSGPS载波相位测量载波相位测量载波相位测量是测
11、量接收机接收到的具有多载波相位测量是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号,与接收机产生的参考普勒频移的载波信号,与接收机产生的参考载波信号之间的相位差,通过相位差来求解载波信号之间的相位差,通过相位差来求解接收机位置。接收机位置。由于载波的波长远小于码长,由于载波的波长远小于码长,C/A码码元宽码码元宽度度293m,P 码码元宽度码码元宽度29.3m,而而L1载波载波波长为波长为19.03cm,L2载波波长为载波波长为24.42cm,在分辨率相同的情况下,在分辨率相同的情况下,L1载波的观测载波的观测误差约为误差约为2.0mm,L2载波的观测误差约为载波的观测误差约为2.5mm。而而C/
12、A码观测精度为码观测精度为2.9m,P码码为为0.29m。载波相位观测是目前最精确的观测方法。载波相位观测是目前最精确的观测方法。Slide 16载波相位观测的主要问题:无法直接测定卫载波相位观测的主要问题:无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数,星载波信号在传播路径上相位变化的整周数,存在整周不确定性问题。此外,在接收机跟存在整周不确定性问题。此外,在接收机跟踪踪GPS卫星进行观测过程中,常常由于接收卫星进行观测过程中,常常由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因,机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因,还可能产生整周跳变现象。有关整周不确定还可能产生整周跳变现象。有关整周不
13、确定性问题,通常可通过适当数据处理而解决,性问题,通常可通过适当数据处理而解决,但将使数据处理复杂化。但将使数据处理复杂化。载波相位测量的主要问题载波相位测量的主要问题Slide 17载波相位测量观测方程载波相位测量观测方程载波相位观测的的观测量是载波相位观测的的观测量是GPS接收机所接接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。以相位差。以 表示表示k接收机在接收接收机在接收机钟面时刻机钟面时刻tk时所接受到的时所接受到的j卫星载波信号的卫星载波信号的相位值,相位值,表示表示k接收机在钟面时刻接收机在钟面时刻tk时所产生的本地参考信号的相位值
14、,则时所产生的本地参考信号的相位值,则k接接收机在接收机钟面时刻收机在接收机钟面时刻tk时观测时观测j卫星所取得卫星所取得的相位观测量可写为:的相位观测量可写为:Slide 18载波相位测量观测方程载波相位测量观测方程通常的相位测量或通常的相位测量或相位差测量只是测相位差测量只是测出一周以内的相位出一周以内的相位值,实际测量中,值,实际测量中,如果对整周进行计如果对整周进行计数,则自某一初始数,则自某一初始取样时刻(取样时刻(t0)以以后就可以取得连续后就可以取得连续的相位观测值。的相位观测值。Sj(t0)Sj(ti)N0kN0Int()Slide 19载波相位测量观测方程载波相位测量观测方程
15、t0 时刻和时刻和tk 时刻的相位观测值可以写成:时刻的相位观测值可以写成:接收机在跟踪卫星信号时,不断测定小于接收机在跟踪卫星信号时,不断测定小于一周的相位差,并利用整周计数器记录从一周的相位差,并利用整周计数器记录从t0 到到tk 时间内的整周数变化量时间内的整周数变化量Int(),这这一时间段内,要求卫星信号没有中断。如一时间段内,要求卫星信号没有中断。如果过程中卫星失锁了,那要采取其他方法果过程中卫星失锁了,那要采取其他方法进行处理。进行处理。Slide 20载波相位测量观测方程载波相位测量观测方程载波相位观测量是接收机和卫星位置的函数,载波相位观测量是接收机和卫星位置的函数,只有得到
16、了它们之间的函数关系,才能从观只有得到了它们之间的函数关系,才能从观测量中求解接收机的位置。测量中求解接收机的位置。前述的相位差观测量都是时间的函数,那么前述的相位差观测量都是时间的函数,那么如何引入接收机和卫星位置?如何引入接收机和卫星位置?卫星信号从卫星传播到接收机需要一定时间,卫星信号从卫星传播到接收机需要一定时间,称为传播延迟称为传播延迟 kj(T)。在地固坐标系中,传在地固坐标系中,传播延迟是接收机与卫星位置的函数,也是时播延迟是接收机与卫星位置的函数,也是时间的函数。间的函数。Slide 21载波相位测量观测方程载波相位测量观测方程将载波相位观测量方程展开,表达为时间、将载波相位观
17、测量方程展开,表达为时间、卫星至接收机的距离、载波频率的函数,同卫星至接收机的距离、载波频率的函数,同时考虑电离层和对流层对卫星信号传播的影时考虑电离层和对流层对卫星信号传播的影响,并做一定简化,可以得到载波相位测量响,并做一定简化,可以得到载波相位测量的观测方程:的观测方程:Slide 22整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变确定整周未知数确定整周未知数N0是载波相位测量的一项是载波相位测量的一项重要工作,常用的方法有下列几种:重要工作,常用的方法有下列几种:1、伪距法、伪距法2、经典方法将整周未知数作为待定参数、经典方法将整周未知数作为待定参数求解求解3、多普勒法(三差法)、多普勒法(
18、三差法)4、快速确定整周未知数法、快速确定整周未知数法Slide 23整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变1、伪距法、伪距法伪距法是在进行载波相位测量的同时又进伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量,将伪距观测值减去载波相行了伪距测量,将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值(化为以距离为单位)位测量的实际观测值(化为以距离为单位)后即可得到后即可得到N0。但由于伪距测量的精但由于伪距测量的精度较低,所以要有较多的观测值取平均值度较低,所以要有较多的观测值取平均值后才能获得正确的整波段数。后才能获得正确的整波段数。Slide 24整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变2、经典方
19、法、经典方法把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定。分两种方法:以估计和确定。分两种方法:(1)整数解)整数解 由于误差影响,解得得整周未知数往往不是一由于误差影响,解得得整周未知数往往不是一个整数,然后将其固定为整数,并重新进行平个整数,然后将其固定为整数,并重新进行平差计算。也称为固定解(差计算。也称为固定解(fixed solution)(2)实数解)实数解当误差消除得不够完全时,整周未知数无法估当误差消除得不够完全时,整周未知数无法估计很准确,此时直接将实数解作为最后解。也计很准确,此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解(称为浮点
20、解(floating solution)Slide 25整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变3、多普勒法(三差法)、多普勒法(三差法)由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含有相同的整周未知数,所以将相邻两个观测含有相同的整周未知数,所以将相邻两个观测历元的载波相位相减,就将该未知数消去,从历元的载波相位相减,就将该未知数消去,从而直接接触坐标参数,这就是多普勒法。而直接接触坐标参数,这就是多普勒法。由于三差法可以消除许多误差,所以使用较广由于三差法可以消除许多误差,所以使用较广泛。泛。Slide 26整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变4、快
21、速确定整周位置数法、快速确定整周位置数法1990年年E.Frei和和G.Beutler提出了快速模糊度提出了快速模糊度(即整周未知数)解算法进行快速定位的方法。(即整周未知数)解算法进行快速定位的方法。采用这种方法进行短基线定位时,利用双频接采用这种方法进行短基线定位时,利用双频接收机只需观测一分钟便能成功的确定整周未知收机只需观测一分钟便能成功的确定整周未知数。数。Slide 27整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变如果在跟踪卫星过程中,由于某种原因,如如果在跟踪卫星过程中,由于某种原因,如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断,受无线卫星信号被障碍物挡住而暂时中断,受无线电信号干扰造成失锁,这
22、样计数器无法连续电信号干扰造成失锁,这样计数器无法连续计数,因此,当信号重新被跟踪后,整周计计数,因此,当信号重新被跟踪后,整周计数就不正确,但是不到一个整周的相位观测数就不正确,但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的,这种现象称为周跳。值仍是正确的,这种现象称为周跳。Slide 28整周未知数和整周跳变整周未知数和整周跳变周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要周跳的出现和处理是载波相位测量中的重要问题,整周跳变的探测与修复常用的方法有问题,整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种方法:下列几种方法:1、屏幕扫描法(也就是手工编辑)、屏幕扫描法(也就是手工编辑)2、多项式拟合法、多项式拟合法3
23、、卫星间求差法、卫星间求差法4、根据平差后的残差发现和修复整周跳变、根据平差后的残差发现和修复整周跳变关于周跳探测与回复的方法,此处不进行详关于周跳探测与回复的方法,此处不进行详细介绍,可参见有关参考资料。细介绍,可参见有关参考资料。Slide 29第三部分第三部分 GPSGPS导航定位原理导航定位原理u伪距测量伪距测量u载波相位测量载波相位测量u绝对定位和相对定位绝对定位和相对定位u导航原理与方法导航原理与方法uGPS测量误差来源测量误差来源Slide 30绝对定位也称单点定位,是指在协议地球坐绝对定位也称单点定位,是指在协议地球坐标系中,直接确定观测站相对于坐标原点标系中,直接确定观测站相
24、对于坐标原点(地球质心)绝对坐标的一种方法。(地球质心)绝对坐标的一种方法。绝对定位的基本原理:以绝对定位的基本原理:以GPS卫星和用户接卫星和用户接收机天线之间的距离(或距离差)观测量为收机天线之间的距离(或距离差)观测量为基础,根据已知的卫星瞬时坐标,来确定接基础,根据已知的卫星瞬时坐标,来确定接收机天线所对应的点位,即观测站的位置。收机天线所对应的点位,即观测站的位置。GPS绝对定位方法的实质是测量学中的空间绝对定位方法的实质是测量学中的空间距离后方交会。原则上观测站位于以距离后方交会。原则上观测站位于以3颗卫颗卫星为球心,相应距离为半径的球与观测站所星为球心,相应距离为半径的球与观测站
25、所在平面交线的交点上。在平面交线的交点上。绝对定位方法概述绝对定位方法概述Slide 31GPS相对定位也叫差分相对定位也叫差分GPS定位,是至少用两台定位,是至少用两台GPS接收机,同步观测相同的接收机,同步观测相同的GPS卫星,确定两卫星,确定两台接收机天线之间的相对位置(坐标差)。台接收机天线之间的相对位置(坐标差)。相对定位时,用两台接收机分别安置在基线的两相对定位时,用两台接收机分别安置在基线的两端,同步观测相同的端,同步观测相同的GPS卫星,以确定基线端点卫星,以确定基线端点的相对位置或基线向量。同样,多台接收机安置的相对位置或基线向量。同样,多台接收机安置在若干条基线的端点,通过
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