（通信与信息系统专业论文）gps姿态测量系统的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 实时地获得载体平台的姿态参数一直是测控领域一个很重要的研究方向，但 是传统测控方法在处理速度和成本等方面存在诸多弊端。随着g p s 定位精度的日 益提高，利用g p s 进行平台测姿的技术应运而生了。论文针对基于g p s 的单基 线二维姿态测量技术进行了深入的研究，为利用g p s 进行平台姿态测量提供了理 论基础和实践依据。 文章首先简要介绍了g p s 系统的组成，g p s 定位的基本原理，载波相位测量 基本原理、g p s 测量过程中的误差来源和相应的解决办法。然后对g p s 姿态测量 原理进行了详细论述，介绍了姿态参数解算将会用到的坐标系统及其之间的转换 关系，给出了g p s 姿态测量的观测方程。并对姿态测量中的关键问题整周模 糊度确定和周跳检测进行了论述。 在理论阐述的基础之上，文章提出了p c 机( 笔记本电脑) 加p c i 0 4 工控机的 主从设计模式的二维姿态测量系统设计方案。该姿态测量系统的下位机由一个 p c i 0 4q - 控机、两个o e m 4g p s 接收机和两个7 0 1 单频天线组成，文章对g p s 接收机数据的格式和预处理进行了详细的阐述。姿态测量系统的上、下位机软件 是用c 语言在c + + b u i l d e r 下开发的，文章给出了详细的软件设计思路和流程。 最后，通过实地测试来验证了论文所提出的姿态测量系统的性能。在静态条 件下，以专业的测向设备为基准设备进行对比测试，证明了所提出姿态测量系统 的正确性和可靠性，而且得到了令人满意的测量精度。然后分别测试了基线长度 和卫星高度掩角对测量精度的影响。动态测试表明姿态测量系统可以在动态条件 下稳定工作，但测量精度不是很理想。文章还充分考虑了姿态测量系统的成本因 素，通过实验验证了整合低成本g p s 接收机的姿态测量系统的测量精度和稳定 性，实验结果表明该姿态测量系统在静态条件下可以解算出姿态参数，但在动态 条件下稳定性较差。 关键词：g p s ，姿态测量，载波相位测量，整周模糊度，周跳检测 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h er e a l - t i m ea t t i t u d ep a r a m e t e r se s t i m a t i o no fp l a t f o r mi sa l w a y sa ni m p o r t a n t r e s e a r c hb r a n c hi nm e a s u r c n l e n ta n dc o n t r o ld o m a i n b u tt h et r a d i t i o n a la t t i t u d e d e t e r m i n a t i o nw a y sh a v em a n ya b u s e si nt h ea s p e c t so fp r o c e s s i n gs p e e da n ds y s t e m c o s t a l o n gw i t l lt h ee l e v a t i o no fp o s i t i o n i n gp r e c i s i o nb a s i n go ng p s ，t h ep l a t f o r m a t t i t u d ed e t e r m i n a t i o nt e c h n i cw i 也g p sh a sc o m ei n t ob e i n g t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e s t h es i n 酉e - b a s e l i n et w o - d i m e n s i o n a la t t i t u d ed e t e r m i n a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s e d o ng p s ，a n dp r o v i d et h e o r ya n dp r a c t i sb a s i sf o rp l a t f o r ma t t i t u d ed e t e r m i n a t i o nw i t h g p s f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es y s t e mc o m p o s i n go fg p s ，p o s i t i o n i n gt h e o r y , c a t t i e rp h a s em e a s u r e m e n tt h e o r y , e r r o rs o u r c e so fg p sm e a s u r e m e n ta n dt h e c o r r e s p o n d i n gr e s o l v i n gm e a n s t h e nd i s c u s st h ea t t i t u d ed e t e r m i n a t i o nt h e o r yi nd e t a i l ， a n di n t r o d u c e st h er e l a t e dc o o r d i n a t es y s t e m s ，t h ec o n v e r s i o nr e l a t i o n s h i po ft h e c o o r d i n a t es y s t e m s ，t h eo b s e r v a t i o ne q u a t i o n so fa t t i t u d ed e t e r m i n a t i o nt o o t h ek e y p r o b l e m so fa t t i t u d ed e t e r m i n a t i o nt h a ta m b i g u i t yr e s o l u t i o na n dc y c l es l i pd e t e c t i o n a r ea l s od i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h i sp a p e rp r o p o s e sat w o d i m e n s i o n a la t t i t u d ed e t e r m i n a t i o ns y s t e mw h i c hi s c o m p o s e do fp c ( n o t e b o o kp c ) a n dp c i 0 4b a s e do nt h ep r i n c i r a la n ds u b o r d i n a t e m o d e t h el o w e rp o s i t i o nm a c h i n ei sc o m p o s e do fap c i 0 4m a i n b o r d ，t w oo e m 4 g p sr e c e i v e r sa n dt w o7 0 1l 1a n t e n n a s t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed a t af o r m a to fg p s r e c e i v e ra n dd a t ap r c p r o c a s se x h a u s t i v e l y t h es o f t w a r eo fu p p e r l o w e rp o s i t i o n m a c h i n ei sd e v e l o p m e n t e dw j t hci nc + + b u i l d e ra n dp a r t i c u l a rd e s i g nf l o wc l l a r ti s p r o p o s e d f i n a l l y , f i e l dt e s t sa p p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e da t t i t u d ed e t e r m i n a t i o n s y s t e m u n d e rt h es t a t i cc o n d i t i o n , t h et e s ts h o w st h ec o l t e e t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo f t h e p r o p o s e da t t i t u d ed e t e r m i n a t i o ns y s t e mv e r s u st h ed e d i c a t e dh e a d i n gd e t e r m i n a t i o n s y s t e m ，a n dw eg e tg o o dp r e c i s i o n t h e n , t w oa n o t h e rt e s t ss h o wt h eb a s e l i n el e n g t h a n dm a s ka n g l e sa f f e c t i o no nm e a s u r e m e n tp r e c i s i o nu n d e rt h es t a t i cc o n d i t i o n t h e d y n a m i ct e s ts h o w st h a tp r o p o s e da t t i t u d ed e t e r m i n a t i o ns y s t e mc a nw o r ks t e a d i l y u n d e rd y n a m i cc o n d i t i o n ，b u tt h ep r e c i s i o ni s n ta sg o o da ss t a t i ct e s t a l s o ，t h es y s t e m c o s ti st a k e ni n t oa c c o u n t , a n dt h e r e a r et e s t ss h o w i n gt h ep e r f o r m a n c eo fa n o t h e r a t t i t u d ed e t e r m i n a t i o ns y s t e mw h i c hi n t e g r a t e dw i t hl o w - c o s tg p sr e c e i v e r s t h et e s t i i 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 r e s u l t ss h o wt h a tt h el o w - c o s ta t t i t u d ed e t e r m i n a t i o ns y s t e r nc a nw o r kw e l lu n d e rs t a t i c c o n d i t i o n , b u tc a n tw o r ks t e a d i l yu n d e rd y n a m i cc o n d i t i o n k e y w o r d s ：g p s ，a t t i t u d ed e t e r m i n a t i o n , c a r r i e rp h a s em e a s u r e m e n t ，a m b i g u i t y r e s o l u t i o n ，c y c l es l i pd e t e c t i o n 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： ；i 术香 签字日期： 州年娟；1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重庆太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：弭个太导师签名： 签字日期：2 刁年j 月岁f e t 重庆大学硕士学位论文 1 序论 1 序论 1 9 7 3 年美国国防部组织陆海空三军，共同研究建立了新一代卫星导航系统 授时与测距导航系统全球定位系统( n a v i g a t i o ns y s t e mt i m i n g a n d r a n g i n g g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t 锄- n a v s t a r g p s ) ，称之为g p s 。根据设计 方案，该系统可以向配备有接收设备的用户提供精确、连续的三维位置和速度信 息。g p s 最初设计时主要用于精密定位和授时，但在系统开发的早期阶段，大家 就认识到了将其用于平台姿态测量的可能性，由于g p s 硬件开始发展相对缓慢， 而且价格昂贵，因此当时利用g p s 进行姿态测量仅限于仿真研究。随着g p s 载 波相位差分技术的快速发展，利用g p s 技术来测量载体的姿态参数迅速成为g p s 研究的又一热点。 1 1 课题的研究目的和意义 姿态测量是航空、航天、航海以及陆地导航系统的关键技术之一。传统的姿 态测量系统主要有：光学和红外线姿态测量系统、惯性元件、航天上常用的各类 星敏感器、太阳敏感器、地球敏感器等。其中光学和红外线仪器主要用于低动态 和静态平台的监测，精度较高，但易受天气、地形或者其它客观因素的影响，不 能实时地给出姿态或方位值。因此，对于动态测量而言，这两种手段没有什么意 义。动态载体以往主要依赖于惯性导航系统和平台罗经等复杂的测量系统来提供 载体的姿态信息。这两种系统是自主导航系统，不受外界干扰，具有良好的隐蔽 性和较强的高频动态测量能力，但是惯性器件的误差漂移特性使他们的测量精度 随时间的积累而逐渐降低，这些缺陷大大地影响了它们的使用效率。 利用g p s 干涉技术测定载体姿态是上世纪9 0 年代的最新成果，g p s 姿态测 量系统具有体积小、重量轻、成本低、精度不随时间变化等优点，是其它姿态测 量系统无法比拟的。除此之外，由于g p s 本身就具备了导航定位的能力，g p s 姿态测量系统在航路导航、精密着陆，自动驾驶等其它方面也可以广泛应用。这 意味着，一套g p s 姿态测量系统就可以完成当今仪表仓内使用的半数以上设备的 功能。而且g p s 姿态测量不像红外那样受扫描范围限制，没有视场和黑夜的限制， 也没有陀螺漂移的问题。因此，g p s 姿态测量具有巨大的应用潜力，是一个新的 姿态测量发展方向。 1 2 国内外研究现状及动态 由于国外的g p s 技术发展较早，美国在g p s 系统实现民用化以前，就开始进 重庆大学硕士学位论文 1 序论 行g p s 姿态系统的研究了。2 0 世纪9 0 年代初，利用g p s 载波相位进行运动载体 姿态测量不仅理论上日益成熟，而且t r i m b l e 、a d r o i ts y s t e m 、原a s h t e c h 等公司 以及c a l g a r y 大学相继研制出g p s 姿态测量接收机的样机和产品，并进行了地面 试验。1 9 9 0 年，a d r o i ts y s t e m 公司和美国战略防御组织( s d i o ) 研制了利用三个安 放在一条直线上的单轴姿态测量系统g p sa d s 进行方位角和俯仰角的测量，其 精度可达0 0 6 75 0 1 1 。1 9 9 2 年华盛顿大学应用物理实验室( a p l ) 将原a s h t e 圮h 公 司的3 d fa d u 三姿态测量系统用于美国海军护卫舰v s s 并用光学经纬仪和陀 螺仪进行比较，姿态精度也达o 1 。这些系统的试验取得了令人满意的结果，而 且上述的部分产品已开始销售，并在陆地和海洋的低动态用户中使用。 随着g p s 姿态测量系统产品的问世，许多厂家和研究机构把研究重点转移到 提高系统的可靠性、精度、实时跟踪能力等方面。目前几个具有代表性的研究方 向为【2 】： 算法研究：g p s 姿态测量除了硬件设备条件外，关键技术是算法研究和软件实 现，特别是整周模糊度快速确定算法的研究。 组合研究：充分发挥g p s 姿态测量的优势，与其它姿态测量系统进行组合。 g p s 的定位和姿态测量功能与惯性导航系统( i n s ) 或平台罗经系统或其它导航仪 器进行组合，特别是全姿态组合和速度组合，可以发挥各自优势。g p s 姿态测量 系统成本低、校准时间短，与i n s 可以组成价格低、性能高的组合系统。 超短基线的应用研究：由于g p s 的姿态测量精度直接与天线之间的空间距离密 切相关。从理论上讲，基线越长，姿态测量精度就越高。但是基线太长，在使用 安装时会受到环境制约，从而限制了系统的应用范围。如基线太长，一般飞机和 卫星上难以安装，或者安装基线的刚度不够，刚度不够会影响计算精度和实时解 算，特别会影响模糊度解算和多路径效应。 简化系统结构、进一步降低成本：k o m f d d 等人提出了用单一天线测量飞机的 姿态参数，这使得姿态测量系统的成本大大降低。该姿态信息与传统的基于机体 坐标系的纵摇和横摇不同，它是基于飞机速度轴的姿态角。试验结果证明，由单 一g p s 天线提供的姿态信息可以作为飞机姿态测量的备份，也可用于原姿态测量 系统的故障诊断。 1 3 论文研究内容和结构安排 本文围绕g p s 姿态测量这一主题，就g p s 姿态测量的些关键技术问题展开 了研究，包括：姿态解算的数学模型，整周模糊度的快速确定，周跳检测等。在 此基础上，针对加拿大n o v a t e l 公司的o e m 4g p s 接收机，设计实现了一套基 于单基线的二维姿态测量系统，并进行了实际测试。 2 重庆大学硕士学位论文 1 序论 全文共分七章，各章节内容简介如下： 第一章：简要介绍了本课题研究的目的、意义及其发展现状。 第二章：简单介绍了g p s 系统组成，详细阐述了g p s 定位的基本原理，g p s 测量过程中的误差来源和相应的解决办法。 第三章：详细论述了g p s 姿态测量的基本原理，给出了姿态测量的观测方程， 并对姿态测量的关键技术整周模糊度确定和周跳检测进行了详细的论述。 第四章：提出了一个二维姿态测量系统设计方案，并对系统的各硬件组成部 分分别进行了介绍，最后分析了如何对接收机数据进行处理以及如何根据接收机 数据进行相关计算。 第五章：分别介绍了姿态测量系统的上位机和下位机软件设计方法，并给出 了具体的设计流程图。论述了姿态测量软件运行前需要进行的初始化工作。 第六章：通过实地测试来验证了本文所设计的姿态测量系统的正确性和可靠 性，验证了基线长度和卫星高度掩角对测量精度的影响。此外，论文还进行动态 测试，对姿态测量系统的动态性能进行了验证。最后，将姿态测量系统的接收机 部分更换为s u p e r s t a ri i 进行了相应的一系列测试。 第七章：总结本文的研究工作，并对课题的进一步研究和完善进行了展望。 重庆大学硕士学位论文 2g p s 系统及其定位原理 2g p s 系统及其定位原理 2 1g p s 系统概述 g p sf g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) i p 全球定位系统，是美国国防部为陆、海、空 三军研制的新一代卫星导航定位系统。可以全天候、实时、连续地向用户提供三 维导航、速度和时间信息。g p s 系统包括三大部分：空间部分、地面控制部分和 用户部分。 空间部分 空间部分指g p s 卫星星座，由2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成，分 布在6 个倾角为5 5 度的轨道平面上，每个轨道面上有4 颗卫星。在空间星座布满 卫星以后，空间部分可在全天任何时间为全球提供4 到1 1 颗可观测卫星。在用 g p s 信号导航定位时，为了解算三维坐标，必须观测4 颗g p s 卫星，称为定位星 座。在导航定位测量中，g p s 工作卫星按p r n ( - 1 3 星采用的伪随机噪声码) 进行编 号。g p s 卫星有五种类型，它们是：b l o c ki 、b l o c ki ia 、b l o c ki if ( 未来型) 、 b l o c k i i ( 替补型1 。 g p s 卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存贮器、双频发射和接收机 以及微处理机。辅助设备包括两块7 平方米太阳能电源帆板和用于轨道调整与稳 定性控制的推进系统。g p s 卫星播发的信号为扩频信号，由l 波段基频1 0 2 3 m h z 分别作1 5 4 和1 2 0 次倍频，导出卫星发射的两个信号载频l l 和l v j 厶2 l o 2 3 删孤”4 。1 5 7 5 4 2 朋娩 ( 2 1 ) 【岛= 1 0 2 3 m h z x1 2 0 = 1 2 2 7 6 0 m h z 。 这种双频信号用来消除主要误差源，即电离层折射误差。当g p s 卫星投入运 行后，每颗卫星发射的导航电文包括： 1 1 卫星的状态，用户在求解导航数据时可据此接收或剔除数据； 2 1 遥测码和转换码； 3 ) 卫星时钟修改量和星历表参数； 4 1 通过电离层传播延迟的修改参数； 5 1 历书数据，包括所有卫星的星历表和状态，在信号捕获中需要这些信息。 g p s 卫星的主要作用如下： 1 1 用l 波段的两个无线载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，由导 航电文可以知道该卫星当前的位置和卫星的工作情况； 2 ) 在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用s 波段发送到卫星的导航 电文和其它有关信息； 4 重庆大学硕士学位论文 2g p s 系统及其定位原理 3 1 接收地面主控站发送到卫星的调度命令，适时改正运行偏差等。 地面控制部分 地面控制站由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。主控站设在美国 本土科罗拉多，三个注入站分别设在大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛 和太平洋的卡瓦加兰。五个监测站除了位于主控站和三个注入站之处的四个站外， 还在夏威夷设立一个监测站。主控站拥有以大型计算机为主体的数据收集、计算、 传输、诊断等设备。监测站配有g p s 接收机、环境数据测量仪、原子频标和处理 机等，均为无人值守的数据采集中心。地面控制系统具有功能： 1 1 跟踪观测g p s 卫星； 2 ) 数据收集； 3 1 编算导航电文； 4 1 诊断状态； 5 1 调度卫星。 每个监测站用极稳定的g p s 接收机被动跟踪视场内的所有卫星，收集测距数 据并将其送到主控站，以完成全部数据处理。计算完卫星星历，时钟漂移和卫星 传递延迟后，由主控站通过3 个以上注入站地面天线，将每颗卫星导航电文发射 到卫星上，它们每隔1 2 小时数据注入卫星1 次，以刷新卫星上的旧数据。 用户设备 g p s 用户设备的核心是g p s 接收机，一般由主机、天线、电源和数据处理软 件等组成。它的主要功能是接收g p s 卫星发送的导航信号，捕获和跟踪各卫星信 号的伪随机噪声码和载波，从中解调出卫星星历、星钟修正参数等；通过测量本 地伪随机噪声码与卫星的伪随机噪声码之间的时延测定伪距测量值，通过测量载 频率变化和载波相位变化获取伪距变率和载波相位观测值；根据获取的这些数据， 计算出用户接收机的三维位置坐标、速度和时间等信息，并将这些结果显示在屏 幕上，也可以通过输出端口输出。 用户设备部分对用户来说是至关重要的。空间部分和监控部分是用户利用 g p s 系统进行定位的基础，只有通过g p s 信号接收机，才能实现定位的目的，用 户部分的主要任务是接收g p s 卫星发射的无线电信号，获得必要的信息及观测 量，经数据处理从而完成导航、定位、测速和定时等工作。 g p s 系统具有以下主要特点【2 1 ： 1 ) g p s 系统能够实施全球性、全天候、全天时连续不断的三维导航定位测量。 2 ) g p s 信号能够用于运动载体的七维状态参数和三维姿态参数测量，可为各 类用户连续地提供动态目标的位置、速度和时间信息。 3 ) g p s 卫星能够为陆地、海洋和空间广大用户提供高精度多用途的实时导航 重庆大学硕士学位论文 2g p s 系统及其定位原理 定位服务，并且抗噪声干扰性能好、保密性强。 4 ) g p s 技术能够达到毫米级的静态定位精度和厘米级的动态测量精度。随着 g p s 定位技术的发展，其应用的领域也在不断拓宽。 2 2g p s 定位原理 利用g p s 卫星进行定位的原理其实很简单，它主要利用了测量学中的测距交 会原理。假定有一颗卫星正在发射测距信号。卫星上的一个时钟控制着测距信号 广播的定时。在星座内每一颗卫星上的这一个时钟和其他时钟实际与一个记为 g p s 系统时的内在系统时间标度同步。用户接收机也包含一个时钟，我们暂时假 定它与系统时钟同步。定时信息嵌入在卫星的测距信号中，它使接收机能够计算 出信号离开卫星的时刻。记下接收到卫星信号的时刻，便可以算出卫星信号从卫 星到用户接收机的传播时间。用这个时间乘以光速便求得卫星至用户的距离r 。 这一测量过程的结果，将把用户定位于以卫星为球心，以距离r 为半径的球面上 的某一个地方。如果同时用第二颗卫星的测距信号进行测量，又将用户定位在以 第二颗卫星为球心，以用户至第二颗卫星的距离为半径的第二个球面上。因此， 用户将同时在两个球面上的某一个地方，即在两个球的相交平面的圆周上，或者 在两个球相切的单一点上。 利用第三颗卫星重复进行上述测量过程，便将用户同时定位在第三个球面上 和上述圆周上，即第三个球面和圆周相交的两个交点上。然而其中只有一个是用 户的正确位置。对于地球表面上的用户来说，很显然较低的一点是真位置。然而 对于地球表面以上的用户来说，可能会利用来自负仰角上的卫星测量值，这就使 解决多值问题复杂化了，需要辅助信息才行。 g p s 卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户 用g p s 接收机在某一时刻同时接收三颗以上的g p s 卫星信号，测量出测站点( 接 收机天线中一c o p 至三颗以上g p s 卫星的距离并解算出该时刻g p s 卫星的空间坐 标，据此利用距离交会法解算出测站p 的位置。设时刻t i 在测站点( 接收机天线中 心) p 用g p s 接收机同时测得p 点至三颗g p s 卫星s l 、s 2 、s 3 的距离为r l 、r 2 、 r 3 ，通过g p s 导航电文可以计算出该时刻三颗g p s 卫星的三维坐标分别为 ( ，y j ，z j ) ，j = l ，2 ，3 。用测距交会的方法求解p 点的三维坐标y z ) 的观测方程为： 砰= 伍一x 1 ) 2 + ( y y 咿+ ( z z 1 ) 2 r ；= 伍一x 2 ) 2 + ( y y 2 ) 2 + ( z z 2 ) 2 ( 2 2 ) r ；= 伍一x 3 ) 2 + ( y y 3 ) 2 + ( z z3 ) 2 在g p s 定位中，g p s 卫星是高速运动的，其坐标值随时间在快速变化着。需 6 重庆大学硕士学位论文 2g p s 系统及其定位原理 要实时地由g p s 卫星信号测量出测站至卫星之间的距离，实时地由卫星的导航电 文解算出卫星的坐标值，并进行测站点的定位。由于卫星钟、接收机钟的误差以 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收机的 几何距离有一定差值，因此我们一般称测出的距离为伪距。 在定位中，伪距的测量方式主要有：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；由积分多普勒计数得出的伪距差；由干涉法测量得出时间 延迟。不过，当采用积分多普勒计数法进行定位的时，其所需的观测时间一般较 长( 例如数小时) ，同时，在观测过程中，接收机的振荡器要求保持高度稳定。而 干涉法测量时，所需要的设备比较昂贵，数据处理也很复杂。所以这两种方法， 目前在g p s 定位中，尚难以获得广泛的应用。目前，广泛采用的伪距测量方式 主要由两种，即码相位测量和载波相位测量。相应于伪距测量原理，主要的定位 原理和方法也主要有两种：码相位测量定位和载波相位测量定位。下面就分别对 这两种定位原理进行介绍。 2 2 1 码相位测量定位 利用码相位测量伪距，就是测量g p s 卫星发射的测距码信号( c a 码或p 码) 到达观测站( 用户接收天线) 的传播时间，再乘以光速c 就得到了伪距。因此这种 观测方法，也称为时间延迟测量。通过对c a 码相位进行测量的为c a 码伪距， 对p 码相位进行测量的为p 码伪距。码相位测量定位虽然一次定位精度不高( p 码定位误差约为1 0 m ，c a 码定位误差约为2 3 0 m ) ，但因其具有定位速度快， 且无多值性问题等优点，仍然是g p s 系统进行定位的基本方法。 g p s 卫星依据自己的时钟发出一定结构的测距码a ( 0 ，设该测距码在g p s 时 间t 时刻自卫星天线发出，经传播时延f 到达接收机，即接收机所接收到的信号 为i t ( t - ) 。接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码复制 码a ( t + a r ) ，f 为接收机钟与卫星钟的钟差。通过码移位电路将本地码延迟f ， 将这两组测距码进行相关处理，若自相关系数r ( f ) 1 ，在继续调整延迟时间r 直 至自相关系数r ( f 。) = 1 为止。使接收机所产生的复制码与接收到的g p s 卫星测 距码完全对齐，那么其延迟时间f 即为g p s 卫星信号从卫星传播到接收机所用的 时间f 。由此我们可以得到： 艮裟二 式中，p 为伪距测量值，p 为卫星至接收机的几何距离，r 为测距码的周期，a = c t 为相应测距码的波长，n = 1 , 2 3 是正整数，c 为信号传播速度。以称为 测距模糊度，如果已知待测距离小于测距码的波长( 如用p 码测距) ，则n = 0 ，称 7 重庆大学硕士学位论文2g p s 系统及其定位原理 为无模糊度测距，且有： p = p + c a t ( 2 4 ) 由上式可知，伪距观测值p 。是待测距离与钟差等效距离之和。钟差f 包含接 收机钟差研。与卫星钟差艿f ，即a t = 6 t k + 毋j ，若再考虑到信号传播经电离层的 延迟和大气对流层的延迟，则上式可以改写为 p = p 。+ t 锄+ 劫2 + c 吼一c s t ( 2 5 ) 上式即为所测伪距与真正的几何距离之间的关系式，其中西喁，西d 2 分别为电离层 和对流层的改正项，& 。的下标| | 表示接收机号，函的上标，表示卫星号。 从上式中可以看出，电离层和对流层改正项可以按照一定的模型进行计算， 卫星钟差毋7 可以从导航电文中获得。而几何距离p 与卫星坐标( ) ( s ，y 。，z s ) 和接 收机坐标( x ，y ，z ) 之间有如下关系： p2 = ( z ，一x ) 2 + ( y ，一】，) 2 + ( z ，一z ) 2( 2 6 ) 上式中，卫星坐标可以根据卫星导航电文求得，所以上式中只包含接收机坐标三 个未知数。但接收机钟差艿气也是未知的，所以一共有四个未知数，接收机必须同 时至少测定四颗卫星的距离，组成含有四个方程的方程组才能解算出接收机的三 维坐标。 f 【( z ：一z ) 2 + ( f y ) 2 + ( 乏一z ) 2 l ”一c 国。= p 1 + 驯+ 蹦一c 舀1 ；霹一z ) 2 + ( 乎一】r ) 2 + ( z z ) 2 。1 ，2 一c 吼= p 。+ 骈+ 8 ：2 一c 6 t 2 ( 2 7 ) i ( f z ) 2 + ( p y ) 2 + ( 刁一z ) 2 j ”一c 瓯= 户3 + 蹰+ 印；一c 投3 。 【 ( 工? 一z ) 2 + ( f y ) 2 + ( z z ) 2 l “一c 毋。= p 。+ 西筇+ 西d ：一c 国4 上式即为码相位测量定位的观测方程组。 2 2 2 载波相位测量定位 在一些高精度的测量中，上述定位方法的测量精度还不能满足要求。如果观 测精度均取至测距码波长的百分之，那么码相位测量对p 码( p 码波长为2 9 3 m ) 而言测量精度为2 9 3 c m ，对c a 码( c a 码波长为2 9 3 m ) 而言测量精度为2 9 3 m 。 而g p s 卫星播发的载波信号，它们的波长分别为1 9 0 5 c m 和2 4 4 5 c m ，如果把载 波信号作为测量信号，测量精度可以达到零点几个毫米，这就可以应用在许多需 要精密测量的地方。 载波相位测量的观测量是接收机接收的卫星信号与本地振荡参考信号的相位 差。它不使用码信号，不受美国码控制的影响，属于非码测量系统。这样，在不 需要获得美国军方p 码密钥的情况下，也可以获得比较高的定位精度。所以，我 们在课题研究中采用了精度更高的载波相位观测方法。下面，就详细地介绍如何 重庆大学硕士学位论文 2g p s 系统及其定位原理 利用载波相位进行测量。 在g p s 信号中由于己用相位调整的方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，所以在进行载波相位测量前，首先要进行 解调工作，去掉调制在载波上的测距码和导航电文，获得纯净的载波信号后，就 可以进行相位测量。载波相位测量定位的观测量是g p s 接收机所接收到的卫星载 波信号与接收机本振参考信号的相位差，如图2 1 所示： 相位菱 稍 一嫒暇孵卫辍借譬 蚺八八a 胁 毋p 扩。a a a a 桃 本地参考馅蟹 取群酣辩 图2 1 载波相位测量原理示意图 f i 9 2 1s k e t c h m a p o f c a r d e r p h a s e m e a s u r e m e n t p r i n c i p l e 以以以) 表示七接收机在接收机钟面时刻t k 时所接收到的- ，卫星载波信号的相 位值，c k ( t k ) 表示后接收机在钟面时刻t k 时所产生的本地参考信号的相位值，则k 接收机在接收机钟面时刻“观测_ ，卫星所取得的相位观测量可写为： o f ( ) = q k ( t k ) 一妒：( ) ( 2 8 ) 通常的相位或相位差测量只是测出一周以内的相位值，即不足一周的小数部分。 实际测量中，如果对整周进行计数，则自某一初始取样时刻t o 以后就可以取得连 续的相位观测值。 设在初始时刻t o 测得小于一周的相位差为妒口，其整周数为n a i ，此时包含整 周数的相位观测值应为： 中f ( t o ) = a ( p o + 0 = 妒：( t o ) 一仇( t o ) + 0 = 妒i ( f o ) 一伊：( 气) + 0 ( 2 9 ) 接收机继续跟踪卫星信号，不断测定小于一周的相位差妒( f ) ，并利用整波计数 器记录从t o 到t t 时间内的整周数变化量如f ( 妒) ，只要卫星s j 从t o 到t l 之间卫星信 号没有中断，则初始时刻整周模糊度n o 就为一常数，这样，任一时刻t i 卫星s j 到k 接收机的相位差为： 西 以) = 仇( f 1 ) 一酬嘶) + 州+ i n t ( q , ) ( 2 1 0 ) 9 重庆大学硕士学位论文 2g p s 系统及其定位原理 上式说明，从第一次开始，在以后的观测中，其观测量包括了相位差的小数部分 和累计的整周数。 载波相位观测量是g p s 接收机( 天线) 和卫星位置的函数，只有得到了他们之 间的函数关系，才能从观测量中解算出接收机的位置，得到定位结果。 设在g p s 标准时刻t o ( - o 星钟面时刻q 卫星s j 发射的载波信号相位为妒( 乞) ， 经传播延迟f 后，在g p s 标准时刻死( 接收机钟面时刻如) 到达接收机。根据电磁 传播原理，死时接收到的和乃时发射的相位不变，即伊( 气) = 伊( ) ，而在死时， 接收机本振产生的载波相位为妒( 气) ，由式2 8 可知，在死时载波相位观测量为： 西= q 口( t b ) 一妒( t a ) ( 2 1 1 ) 考虑到卫星钟差和接收机钟差，由死= 乇+ 6 乇，死= 岛+ 6 岛，则有 m = 缈( 瓦一晚) 一妒( 疋一瓯) ( 2 1 2 ) 对于卫星钟和接收机钟，其振荡频率一般稳定良好，所以其信号的相位与频率的 关系可表示为： p o + a t ) = f o ( t ) + f a t( 2 1 3 ) 式中，厂为信号频率，缸为微小时间间隔，伊以石为单位。 设p 为j 卫星发射的载波频率，毛为接收机本振产生的固定参考频率，且= f = f ，同时考虑到死一兄+ 缸，则有： 矿( 瓦) = 妒( ) + ，f ( 2 1 4 ) 考虑到2 1 3 和2 1 4 两式，2 1 2 式可改写为 o 2 妒( 瓦) 一f 。盘6 一妒( 疋) + f 。眈 ( 2 1 5 ) = l t j & b 七l 6 c 。 ? 传播延迟f 中考虑到电离层和对流层的影响卤d 1 和锄，则： a r = 二( 户一西d 1 一西d 2 ) ( 2 1 6 ) f 式中，c 为电磁波传播速度，p 为卫星至接收机之间的几何距离。代入式2 1 5 有 ， o = 上( p 一_ n 一岛) + 况。一涝6 ( 2 1 7 ) c 考虑到式2 1 0 及载波相位整周数n k j = n o j + i n t ( 伊) 后，有： 中 ：p + y e t f e q - 印。一印：+ ：( 2 1 8 ) c oo 上式即为接收机k 对卫星_ ，的载波相位测量的观测方程。 1 0 重庆大学硕士学位论文2g p s 系统及其定位原理 2 3g p s 测量中的误差分析 g p s 的定位误差受多种因素的影响，如g p s 信号的自身误差、人为的s a 误 差和从卫星传播到用户的传播误差等。这些误差可以分为三类：卫星误差、卫星 信号传播误差和接收机误差。下表列出了g p s 测量的误差分类及各项误差对距离 测量的影响【3 】。 表2 1g p s 测量误差的分类及对距离测量的影响 t a b l e2 1g p sm e a s u r e m e n te l t o rc l a s sa n di t se f f e c to nr a n g i n g 误差来源 对测量的影响( v 0 卫星部分 钟差；星历误差；选择可用性( s a ) 1 5 1 5 信号传播部分电离层；对流层；多路径效应 1 5 1 5 信号接收部分钟差；位置误差；天线相位中心变化 1 5 5 2 3 1 卫星误差 卫星误差主要包括卫星时钟误差、星历预测误差和选择可用性( s a ) 误差。 卫星时钟误差 卫星上装有原予钟( 铯钟和铷钟) ，控制卫星上所有的定时工作。在g p s 测量 中，无论是码相位观测还是载波相位观测，均要求卫星钟和接收机钟保持严格同 步。尽管这些原子时钟非常稳定，但与理想的g p s 时之间仍存在着偏差或漂移， 这些偏差的总量均在1 m s 4 内，由此引起的等效距离误差约可达3 0 0 k i n 。卫星 钟的这种偏差，一般可表示为以下二阶多项式的形式： a t , = a o + a l ( f 一岛) + 口2 ( f t o ) 2 ( 2 1 9 ) 式中，t o 为参考历元，系数a 孙a 卜a 2 、分别表示钟在t o 时刻的钟差、钟速及 钟速的变率。这些数值由卫星的地面控制系统根据前一段时间的跟踪资料和g p s 标准时推算出来，并通过卫星的导航电文提供给用户。 经以上改正后，各卫星钟之间的同步差可保持在2 0 n s 以内，由此引起的等效 距离偏差不会超过6 m ，卫星钟差和经改正后的残余误差，则须采用在接收机之 间求一次差等方法来进一步消除它。 卫星星历误差 由星历所给出的卫星在空间的位置与实际位置之差称为卫星星历误差。由于 卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站又难以充分可靠 地测定这些作用力并掌握它们的作用规律，因此在星历预报时会产生较大的误差。 在一个观测时间段内星历误差属系统误差特性，是一种起算数据误差。它将严重 影响单点定位的精度，也是精密相对定位中的重要误差源。 重庆大学硕士学位论文2g p s 系统及其定位原理 解决星历误差的方法有： 1 ) 建立自己的g p s 卫星跟踪网独立定轨。这不仅可以使我国的用户在非常时 期内不受美国政府有意降低调制在c a 码上的卫星星历精度的影响，且使提供的 精密星历精度可达到1 0 1 。这将对提高精密定位的精度起显著作用，也可为实时 定位提供预报星历。 2 ) 轨道松弛法。在平差模型中把卫星星历给出的卫星轨道作为初始值，视其 改正数为未知数。通过平差同时求得测站位置及轨道的改正数，这种方法就称为 轨道松弛法。常采用的轨道松弛法有半短弧法和短弧法。 3 1 同步观测值求差。这一方法是利用在两个或多个观测站上，对同一卫星的 同步观测值求差，以减弱卫星星历误差的影响。 选择可用性( s a ) s a 是用户定位最大的单个误差源。s a 是美国为使用户导航解变差而有意设 置的，于1 9 9 0 年3 月2 5 日正式实施。这种使导航解变差的作用是