GPS测量原理及应用5-GPS卫星定位基本原理.ppt
《GPS测量原理及应用5-GPS卫星定位基本原理.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《GPS测量原理及应用5-GPS卫星定位基本原理.ppt(117页珍藏版)》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、2022-7-521 GPS定位的方法定位的方法2022-7-53一、概述一、概述 1、定位原理:、定位原理: 测距交会测距交会 2、进行定位的两个条件:、进行定位的两个条件: 测距信号测距信号 导航电文导航电文 利用测距信号确定站星距离利用测距信号确定站星距离 利用导航电文确定卫星位置利用导航电文确定卫星位置GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述2022-7-54一、概述一、概述 一个站星距离一个站星距离 测站位于以卫星为球心,测站位于以卫星为球心,站星距离为半径的球面站星距离为半径的球面上上GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述2022-7-55一、概述一、概述 两
2、个站星距离两个站星距离 作两个球面作两个球面 两个球面相交为圆两个球面相交为圆 测站位于圆圈上测站位于圆圈上GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述2022-7-56一、概述一、概述 三个站星距离三个站星距离 作三个球面作三个球面 三个球面两两相交于两三个球面两两相交于两点点 测站位于其中一点测站位于其中一点GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述2022-7-57一、概述一、概述 GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会单点定位方法的实质是空间距离后方交会 一个站星距离一个站星距离 = 球面球面 两个站星距离两个站星距离 = 圆圆 三个站星距离三个站星距离 = 两点两点
3、 三个站星距离三个站星距离 + 地球地球 = 一点一点GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述2022-7-58一、概述一、概述GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量概述概述2121211)()()(ZZYYXXRsss2222222)()()(ZZYYXXRsss2323233)()()(ZZYYXXRsss阈值earthRZYX2222022-7-59二、定位方法的分类二、定位方法的分类 1、按照参考点的不同位置分:、按照参考点的不同位置分: 绝对定位(单点定位)绝对定位(单点定位) 相对定位相对定位 2、按用户接收机在作业中所处状态分:、按用户接收机在作业中所处状态分: 静
4、态定位静态定位 动态定位动态定位 另外在绝对定位和相对定位中,又都包含静态与另外在绝对定位和相对定位中,又都包含静态与动态两种形式。动态两种形式。GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量定位方法的分类定位方法的分类2022-7-510二、定位方法的分类二、定位方法的分类 3、按照测距原理分:、按照测距原理分: 伪距法定位伪距法定位 载波相位测量定位载波相位测量定位GPS定位的方法与观测量定位的方法与观测量定位方法的分类定位方法的分类2022-7-5112 伪距伪距测量测量2022-7-512 伪距法定位是导航及低精度测量中所用的一种定伪距法定位是导航及低精度测量中所用的一种定位方法。它具有速
5、度快、无多值性问题等优点,位方法。它具有速度快、无多值性问题等优点,其精度已足以满足部分用户的需要。同时,在进其精度已足以满足部分用户的需要。同时,在进行载波相位测量时,精确的伪距测量资料也是极行载波相位测量时,精确的伪距测量资料也是极有用的辅助资料,有助于解决整周模糊度等问题。有用的辅助资料,有助于解决整周模糊度等问题。2022-7-513一、伪距测量一、伪距测量 1.如何进行伪距测量?如何进行伪距测量? 测距码测距码 复制码复制码 时间延迟时间延迟 自相关系数自相关系数 伪距伪距2022-7-514(1)为什么要用码相关法测定伪距?)为什么要用码相关法测定伪距? 测距码看起来是杂乱无章的,
6、其实是按照某一规测距码看起来是杂乱无章的,其实是按照某一规律编排的,每个码都对应着某一特定的时间。律编排的,每个码都对应着某一特定的时间。 为什么不用测距码的某一个标志来进行伪距测量为什么不用测距码的某一个标志来进行伪距测量呢?呢? 每个码在产生的过程中都带有误差,信号经过长每个码在产生的过程中都带有误差,信号经过长距离传送后也会产生变形,因而根据某一标志来距离传送后也会产生变形,因而根据某一标志来进行量测会带来较大误差。进行量测会带来较大误差。2022-7-515 码相关技术码相关技术 R(t)=max, 误差:产生码、传送码的变形误差:产生码、传送码的变形 参加比对的参加比对的n个标志的传
7、播时间的平均值。个标志的传播时间的平均值。 优点:提高精度,消除随机误差。优点:提高精度,消除随机误差。2022-7-516(2)自相关系数的测定)自相关系数的测定 根据乘法原则,两个幅度根据乘法原则,两个幅度为为1的矩形波相乘后,的矩形波相乘后,仍然得到一个幅度为仍然得到一个幅度为1的矩形波。因此,测距码的矩形波。因此,测距码与复制码的自相关系数可与复制码的自相关系数可以由下式表示:以由下式表示:1( )()()TR tU tt U tdtT2022-7-517从上面的讨论可以看出从上面的讨论可以看出 (1)将接收到的来自卫星的测距码和延迟)将接收到的来自卫星的测距码和延迟后的由接收机所产生
8、的复制码相乘,并在后的由接收机所产生的复制码相乘,并在某一时间间隔某一时间间隔T(Tt0)中进行积分,积分)中进行积分,积分平均值即为平均值即为R(t)。)。 (2)不断调整接收机延迟时间至)不断调整接收机延迟时间至R(t)最)最大即可得到信号传播时间。大即可得到信号传播时间。2022-7-518 (3)如果)如果R(t)值的最大值和最小值相差,)值的最大值和最小值相差,而而R(t)的分辨率是)的分辨率是/M,则两个码序列对齐的,则两个码序列对齐的精度可达精度可达/M个码位,目前个码位,目前M的实际值为的实际值为50-200。 (4)测距码为周期性序列,因而自相关系数也)测距码为周期性序列,因
9、而自相关系数也具有相同的周期。理论上仍会有多值问题。具有相同的周期。理论上仍会有多值问题。2022-7-5192、用测距码测定伪距的原因、用测距码测定伪距的原因1、易于将微弱的卫星信号提取出来、易于将微弱的卫星信号提取出来2、可提高测距精度、可提高测距精度3、便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处、便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理理4、便于对系统进行控制和管理、便于对系统进行控制和管理2022-7-5203.伪距测量的观测方程伪距测量的观测方程 观测值观测值 几何距离几何距离 观测值与几何距离间的关系观测值与几何距离间的关系2022-7-521假设几个时间参数:假设几个时间参数:
10、信号发射瞬间卫星钟的读数:信号发射瞬间卫星钟的读数:ta 但但ta对应正确的标准时应为:对应正确的标准时应为:a 信号在正确的标准时信号在正确的标准时b到达接收机到达接收机 接收机钟读得的读数为:接收机钟读得的读数为:Tb 卫星钟改正数:卫星钟改正数:V ta 接收机钟改正数:接收机钟改正数: V Tb2022-7-522二伪距定位二伪距定位 1定位原理定位原理 如果卫星钟和接收机钟改正数都精确已知,那么如果卫星钟和接收机钟改正数都精确已知,那么测定了伪距,就等于测定了几何距离。测定了伪距,就等于测定了几何距离。 精确已知任一观测瞬间的时钟改正数只有对稳定精确已知任一观测瞬间的时钟改正数只有对
11、稳定度特别好的原子钟才有可能实现。度特别好的原子钟才有可能实现。 接收机钟改正数的解决方法接收机钟改正数的解决方法2022-7-523 2计算方法计算方法线性化线性化列出误差方程列出误差方程最小二乘原理求解最小二乘原理求解2022-7-524三特殊情况下的定位三特殊情况下的定位 加权约束解:不减少观测值的数量,而在求解时加权约束解:不减少观测值的数量,而在求解时给给“已知参数已知参数”以适当的权。允许该参数在以适当的权。允许该参数在“已已知值知值”附近作微小变动,则能加强解的强度,获附近作微小变动,则能加强解的强度,获得较精确的结果。得较精确的结果。 高程约束解高程约束解 时间约束解时间约束解
12、2022-7-5253 载波相位测量载波相位测量2022-7-526一、概述一、概述 为了满足高精度定位的需要为了满足高精度定位的需要 测距码伪距测量是全球定位系统的基本测距方测距码伪距测量是全球定位系统的基本测距方法。法。 测距精度:测距精度:C/A码:码:2.93 m 码:码:0.293 m 载波:载波:L1=19cm, L2=24cm 测距精度:测距精度:1-2mm载波相位载波相位测量测量概述概述2022-7-527一、概述一、概述发自卫星的电磁波信号:信号量测精度优于波长的信号量测精度优于波长的1/100载波波长(载波波长( L1=19cm, L2=24cm)比比C/A码波长码波长 (
13、 C/A=293m)短得多短得多所以,所以,GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距测量采用载波相位观测值可以获得比伪距(C/A码或码或P码)定位高得多的成果精度码)定位高得多的成果精度L1载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m载波相位载波相位测量测量概述概述2022-7-528一、概述一、概述 重建载波重建载波:在在GPS信号中,由于已用相位调整的方信号中,由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航电文,法在载波上调制了测距码和导航电文,因而接收到的载波的相位已不再连续,因而接收到的载波的相位已不再连续,所以在进行载波相位
14、测量之前,首先要所以在进行载波相位测量之前,首先要进行解调工作,设法将调制在载波上的进行解调工作,设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉,重新获取载波,测距码和卫星电文去掉,重新获取载波,这一工作称为重建载波。这一工作称为重建载波。载波相位载波相位测量测量概述概述2022-7-529 两种方法:两种方法:码相关法:接收机能够产生结构完全相同的测距码。码相关法:接收机能够产生结构完全相同的测距码。平方法:波形自乘。平方法:波形自乘。2022-7-530二、载波相位测量原理二、载波相位测量原理 观测量包括两个部分:观测量包括两个部分: 相位差的小数部分相位差的小数部分 累计的整周数累计的整周数载
15、波相位载波相位测量测量载波相位测量原理载波相位测量原理k kS Sj j(t(t0 0) )S Sj j(t(ti i) )N N0 0N N0 0INT(INT(i i) )i i2022-7-531从上面的讨论可以看出:从上面的讨论可以看出:1载波相位测量的实际观测值由整周部分和不足整载波相位测量的实际观测值由整周部分和不足整周部分组成。首次观测值中整周部分为周部分组成。首次观测值中整周部分为0,其余,其余各次观测值中整周部分可为正整数,也可为负整各次观测值中整周部分可为正整数,也可为负整数。数。2只要接收机能保持对卫星信号的连续跟踪而不失只要接收机能保持对卫星信号的连续跟踪而不失锁,那么
16、在每个载波相位测量观测值中都含有相锁,那么在每个载波相位测量观测值中都含有相同的整周未知数同的整周未知数N0,也就是说,每个完整的载波,也就是说,每个完整的载波相位观测值相位观测值=N0+ =N0+ =N0+int =N0+int( )+Fr+Fr( )2022-7-532 3如果由于某种原因(例如卫星信号被障碍物挡如果由于某种原因(例如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断)使计数器无法连续计数,那么信住而暂时中断)使计数器无法连续计数,那么信号被重新跟踪后,整周计数中将丢失某一量而变号被重新跟踪后,整周计数中将丢失某一量而变得不正确。而不足一整周的部分得不正确。而不足一整周的部分Fr( )由于)由
17、于是一个瞬时量测值,因而仍是正确的。这种现象是一个瞬时量测值,因而仍是正确的。这种现象叫做整周跳变(周跳)或(丢失整周)。周跳是叫做整周跳变(周跳)或(丢失整周)。周跳是数据处理中令人感到头痛的问题之一。数据处理中令人感到头痛的问题之一。2022-7-533三、载波相位测量的观测方程三、载波相位测量的观测方程 与伪距观测方程相比,主要有三点不同:与伪距观测方程相比,主要有三点不同:一是增加了整周未知数参数;一是增加了整周未知数参数;二是电离层产生的信号延迟符号相反二是电离层产生的信号延迟符号相反(伪距滞后,相位超伪距滞后,相位超前前);三是相位观测值噪声远小于伪距的观测噪声三是相位观测值噪声远
18、小于伪距的观测噪声 载波相位载波相位测量测量载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程2022-7-534三、载波相位测量的观测方程三、载波相位测量的观测方程载波相位载波相位测量测量载波相位测量的观测方程载波相位测量的观测方程000)(FrN iiiFrIntN)()(02022-7-535四、整周未知数的确定四、整周未知数的确定载波相位载波相位测量测量整周未知数的确定整周未知数的确定Time (0)AmbiguityTime (i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurement1、载波相位观测值的组成、载波相位观测值的组成2022-7-536四、整周未知数
19、的确定四、整周未知数的确定载波相位载波相位测量测量整周未知数的确定整周未知数的确定 测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成 (1)初始整周未知数)初始整周未知数n; (2) t 0至至ti时刻的整周记数时刻的整周记数Ci; (3)相位尾数)相位尾数 i 如果信号没有失锁,则每一个观测值包含同一个初如果信号没有失锁,则每一个观测值包含同一个初始整周未知数始整周未知数n 为了利用载波相位进行定位,必须先解算出初始整为了利用载波相位进行定位,必须先解算出初始整周未知数,取得总观测值周未知数,取得总观测值n+Ci+ i2022-7-537四、整周未知数的确
20、定四、整周未知数的确定载波相位载波相位测量测量整周未知数的确定整周未知数的确定m精精度度1.000.10 0.01整周未知数确定后整周未知数确定前00308025时间(分)时间(分)2、初始整周未知数的确定与定位精度的关系、初始整周未知数的确定与定位精度的关系2022-7-538四、整周未知数的确定四、整周未知数的确定载波相位载波相位测量测量整周未知数的确定整周未知数的确定 如果无法准确解出初始整周未知数,则定位精度难以如果无法准确解出初始整周未知数,则定位精度难以优于优于1m 随着初始整周未知数解算精度的提高,定位精度也相随着初始整周未知数解算精度的提高,定位精度也相应提高应提高 一旦初始整
21、周未知数精确获得,定位精度不再随时间一旦初始整周未知数精确获得,定位精度不再随时间延长而提高延长而提高 经典静态定位需要经典静态定位需要30-80分钟观测才能求定初始整周未分钟观测才能求定初始整周未知数,快速静态定位将这个过程缩短到知数,快速静态定位将这个过程缩短到2-5分钟分钟2022-7-539四、整周未知数的确定四、整周未知数的确定载波相位载波相位测量测量整周未知数的确定整周未知数的确定 3、整周未知数的确定方法、整周未知数的确定方法 (1)伪距法伪距法 (2)经典方法经典方法 整数解整数解 实数解实数解(3)多普勒法多普勒法2022-7-540(4)走走停停法(走走停停法(go and
22、 stop)基本思想:既然在保持连续跟踪的所有载波相位基本思想:既然在保持连续跟踪的所有载波相位观测值中都含有同样的整周未知数,那么只要首观测值中都含有同样的整周未知数,那么只要首先设法确定这些整周未知数,并在随后的的迁站先设法确定这些整周未知数,并在随后的的迁站过程中继续保持对卫星的跟踪,当接收机到达新过程中继续保持对卫星的跟踪,当接收机到达新的测站就不需要再确定整周未知数了,这样在新的测站就不需要再确定整周未知数了,这样在新点上只需进行点上只需进行12分钟的观测便可精确确定极限分钟的观测便可精确确定极限向量。向量。2022-7-541 (5)两次设站法)两次设站法只需要在观测时间的开始和结
23、束处有少量观测值,只需要在观测时间的开始和结束处有少量观测值,就足以把整周未知数固定为整数值。就足以把整周未知数固定为整数值。只需在每个待定点待上几分钟,过只需在每个待定点待上几分钟,过12个小时后再个小时后再依次在每个待定点上观测几分钟就行,在此期间依次在每个待定点上观测几分钟就行,在此期间无需对卫星的连续跟踪。无需对卫星的连续跟踪。2022-7-542(6)快速确定整周未知数法快速确定整周未知数法利用双频接收机只需观测一分钟便能成功地确定利用双频接收机只需观测一分钟便能成功地确定整周未知数。利用单频接收机观测整周未知数。利用单频接收机观测78颗卫星也颗卫星也能在几分钟时间内确定整周未知数。
24、能在几分钟时间内确定整周未知数。2022-7-543思考题思考题 1.简述对流层和电离层对电磁波传播影响各有什简述对流层和电离层对电磁波传播影响各有什么特点。么特点。 2.什么是伪随机噪声码?什么是伪随机噪声码? 3.自相关系数是如何定义的?自相关系数是如何定义的? 4.C/A码和码和P码有什么区别?码有什么区别? 5.导航电文有哪些内容?导航电文有哪些内容? 6.GPS卫星信号是如何调制的?通常有哪些方法卫星信号是如何调制的?通常有哪些方法对对GPS信号进行解调?信号进行解调? 7.什么是什么是GPS天线的几何中心和平均相位中心?天线的几何中心和平均相位中心?2022-7-544 8.GPS
25、接收机按工作原理可分为哪几种类型?接收机按工作原理可分为哪几种类型? 9.简述简述GPS定位的不同类型。定位的不同类型。 10.什么是伪距?伪距测量的原理和观测方程各是什么是伪距?伪距测量的原理和观测方程各是什么?什么? 11.载波相位测量原理是什么?载波相位测量原理是什么? 12.什么是整周跳变?什么是整周模糊度?什么是整周跳变?什么是整周模糊度? 13.简述整周模糊度的解算方法。简述整周模糊度的解算方法。2022-7-5454 整周跳变的修复整周跳变的修复2022-7-546一、概述一、概述 前面已经介绍,测站对某一卫星的载波相位观测前面已经介绍,测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- GPS 测量 原理 应用 卫星 定位 基本原理
限制150内