GPS05GPS卫星定位基本原理一.pptx
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1、第五章第五章 GPSGPS定位方法定位方法1.概述概述2.伪距测量伪距测量3.载波相位测量载波相位测量4.整周跳变的修复整周跳变的修复5.GPS绝对定位绝对定位6.GPS相对定位相对定位7.差分差分GPS定位原理定位原理8.美国的美国的GPS政策政策GPS课程学习内容及体系GPSGPS系统组成系统组成卫星的运动和卫星星历卫星的运动和卫星星历GPSGPS信号和观测值信号和观测值定位误差源定位误差源系统工作流程系统工作流程卫星位置卫星位置卫地距离卫地距离影响定位精度影响定位精度定位定位方法空间交会空间交会5.1 概述概述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5.1 概
2、述概述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 B5.1 概述概述测边(距)交会法测边(距)交会法P PC CA AB Bd d1 1d d2 2d d3 3两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,为了检核和提高精度,增点坐标,为了检核和提高精度,增点坐标,为了检核和提高精度,增点坐标,为了检核和提高精度,增加第加第加第加第3 3条边条边条边条边 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
3、定位卫星激光测距定位卫星激光测距定位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5.1 概述概述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。
4、的位置。的位置。5.1 概述概述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)5.1 概述概述单点定位解算用户位置单点定位解算用户位置用户在用户在t 时元的位置为:时元的位置为:5.1 概述概述vv依据依据测距的原理测距的原理划分: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根据待定点的根据待定点的运动状态运动状态划分:划分:1)静态定位)静态定位 2)动态定位)动态定位 vv根据根据观测方式观测方式 1)绝对定位 2)相对定位GPS卫星定位卫星定位方法分
5、类方法分类5.1 概述概述1)伪距定位与载波相位定位)伪距定位与载波相位定位伪距定位伪距定位 采用伪距观测值,测距直接,定位精度低载波相位定位载波相位定位 采用载波相位观测值,观测值转化成距离有一定难度,定位精度高 C/A C/A码:码:29.3m29.3m P P码:码:2.93m2.93mL1L1载波:载波:1.9cm1.9cmL2L2载波:载波:2.4cm2.4cm测距精度比较5.1 概述概述2)静态定位和动态定位)静态定位和动态定位l 静态定位静态定位:在定位过程中,接收机的位置是固定的,处于静止状态。(这种静止状态是相对的)l 动态定位动态定位:在定位过程中,接收机天线处于运动状态。
6、广泛应用于动态目标的监测,导航。5.1 概述概述3)绝对定位和相对定位)绝对定位和相对定位v绝对定位(单点定位)绝对定位(单点定位):一一台台接接收收机机独独立立确确定定待待定定点点在坐标系中的绝对位置。在坐标系中的绝对位置。v相对定位相对定位:两台(或多台)接收机同步两台(或多台)接收机同步观测观测GPSGPS卫星,确定它们之卫星,确定它们之间的相对位置的方法。间的相对位置的方法。5.1 概述概述5.2 伪距测量伪距测量 伪距:伪距: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
7、传传传传播时间播时间播时间播时间 乘以光速乘以光速乘以光速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。由于各种误差各种误差各种误差各种误差的存在,与卫星到测站的实际几何距的存在,与卫星到测站的实际几何距的存在,与卫星到测站的实际几何距的存在,与卫星到测站的实际几何距离有一定差值。离有一定差值。离有一定差值。离有一定差值。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码伪距 -P P P P码伪距码伪距码伪距码伪距由由由由GPSGPSGPSGPS接收机在某一时接收机在某一时接收机在某一时接收机在某一时刻测出到达四颗以上刻测
8、出到达四颗以上刻测出到达四颗以上刻测出到达四颗以上GPSGPSGPSGPS卫星的伪距以及已卫星的伪距以及已卫星的伪距以及已卫星的伪距以及已知的卫星位置,采用知的卫星位置,采用知的卫星位置,采用知的卫星位置,采用测测测测距交会距交会距交会距交会的方法求定接收的方法求定接收的方法求定接收的方法求定接收机天线所在点的三维坐机天线所在点的三维坐机天线所在点的三维坐机天线所在点的三维坐标。标。标。标。伪距法定位伪距法定位r2d1d2d3d4r1r3r45.2伪距测量伪距测量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
9、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 C/A 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202030m30m);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。5.2伪距测量伪距测量伪距测量的方法伪距测量的方法卫星卫星卫星卫星发出一个测距码,该测距码经过发出一个测距码,该测距码经过发出一个测距码,该测距码经过
10、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;接收机接收机接收机接收机产生一组产生一组产生一组产生一组结构完全结构完全结构完全结构完全相同的测距码相同的测距码相同的测距码相同的测距码复制码,复制码,复制码,复制码,并通过时延器使其延迟时间并通过时延器使其延迟时间并通过时延器使其延迟时间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
11、为止,此时,复制码已和测距为止,此时,复制码已和测距为止,此时,复制码已和测距为止,此时,复制码已和测距码对齐,复制码的延迟时间码对齐,复制码的延迟时间码对齐,复制码的延迟时间码对齐,复制码的延迟时间 就等于卫星信号的就等于卫星信号的就等于卫星信号的就等于卫星信号的传播时间传播时间传播时间传播时间;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。5.2伪距测量伪距测量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
12、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:测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形;测距码和复制码在测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形;测距码和复制码在测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形;测距码和复制码在测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形;测距码和复制码在产生时带有随即误差。产生时带有随即误差。产生时带有随即误差。产生时带有随即误差。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
13、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情况下来确定信号的传播时间,实质上是采用了,实质上是采用了,实质上是采用了,实质上是采用了多多多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。5.2伪距测量伪距测量伪距测量的原理伪距测量的原理三种时间系统:三种时间系统:各颗各颗
14、各颗各颗GPSGPS卫星卫星卫星卫星的时间标准的时间标准的时间标准的时间标准各台各台各台各台GPSGPS信号信号信号信号接收接收接收接收机的时间标准机的时间标准机的时间标准机的时间标准统一上述时间标准的统一上述时间标准的统一上述时间标准的统一上述时间标准的GPSGPS时间系统时间系统时间系统时间系统5.2伪距测量伪距测量伪距测量的原理(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:伪噪声码从伪噪声码从伪噪声码从伪噪声码从卫星到卫星到卫星到卫星到达接收天线达接收天线达接收天线
15、达接收天线的时元的时元的时元的时元伪噪声码伪噪声码伪噪声码伪噪声码在其卫在其卫在其卫在其卫星的发射星的发射星的发射星的发射时元时元时元时元5.2伪距测量伪距测量伪距测量的原理(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差(可根据导航电文求得)偏差(可根据导航电文求得)偏差(可根据导航电文求得)偏差(可根据导航电文求得)d dT T 接接接接收收收收机机机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偏差(接收机钟差)
16、间偏差(接收机钟差)间偏差(接收机钟差)间偏差(接收机钟差)5.2伪距测量伪距测量伪距测量的原理(续)伪距测量的原理(续)卫星到接收天线的真实距离:卫星到接收天线的真实距离:卫星到接收天线的真实距离:卫星到接收天线的真实距离: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5.2伪距测量伪距测量伪距测量的原理(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
17、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5.2伪距测量伪距测量伪距测量的原理(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,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
18、,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5.2伪距测量伪距测量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
19、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)5.2伪距测量伪距测量GPSGPS接收机所接收的卫星载接收机所接收的卫星载接收机所接收的卫星载接收机所接收的卫星载波信号与接收机本地参考信波信号与接收机本地参考信波信号与接收机本地参考信波信号与接收机本地参考信号的号的号的号的相位差相位差相位差相位差。5.3伪载波测量伪载波测量5.3 载波相位测量载波相位测量重建载波重建载波5.3伪载波测量伪载波测量载波相位测量的关键技术载波相位测量的关键技术n
20、 n重建载波将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。载波调制了电文之后载波调制了电文之后变成了非连续的波变成了非连续的波伪距测量与载波相位测量伪距测量与载波相位测量n n码相关法码相关法码相关法码相关法 方法方法方法方法n n将所接收到的调制信号(卫星将所接收到的调制信号(卫星将所接收到的调制信号(卫星将所接收到的调制信号(卫星信号)与接收机产生的复制码信号)与接收机产生的复制码信号)与接收机产生的复制码信号)与接收机产生的复制码相乘。相乘。相乘。相乘。技术要点技术要点技术要点技术要点n n卫星信号(弱)与接收机信号卫星信号(弱)与接收机信号卫星信号(弱
21、)与接收机信号卫星信号(弱)与接收机信号(强)相乘。(强)相乘。(强)相乘。(强)相乘。特点特点特点特点n n限制:需要了解码的结构。限制:需要了解码的结构。限制:需要了解码的结构。限制:需要了解码的结构。n n优点:可获得导航电文,可获优点:可获得导航电文,可获优点:可获得导航电文,可获优点:可获得导航电文,可获得全波长的载波,信号质量好得全波长的载波,信号质量好得全波长的载波,信号质量好得全波长的载波,信号质量好(信噪比高)(信噪比高)(信噪比高)(信噪比高)码相关法码相关法重建载波重建载波载波相位测量的关键技术载波相位测量的关键技术n n平方法平方法平方法平方法 方法方法方法方法n n将
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