第五章--GPS卫星定位的基本原理ppt课件

GPS技术 讲授老师 王志芳 第五章GPS卫星定位基本原理 5 1概述5 2伪距测量5 3载波相位测量5 4整周跳变的修复5 5GPS绝对定位和相对定位5 6美国的GPS政策5 7差分GPS定位原理 GPS卫星定位的基本原理 应用测距交会的原理 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 的位置 5 1概述 5 1概述 空间距离交会原理图 GPS卫星定位的基本原理 观测方程 P点的三维坐标 X Y Z 5 1概述 依据测距的原理划分 1 伪距法定位2 载波相位测量定位3 差分GPS定位 GPS卫星定位方法分类 5 1概述 根据待定点的运动状态划分 1 静态定位 对于固定不动的待定点 将GPS接收机安置于其上 观测数分钟乃至更长的时间 以确定该点的三维坐标 又叫绝对定位 2 动态定位 若以两台GPS接收机分别置于两个待定点上 则通过一定时间的观测 可以确定两个待定点之间的相对位置 又叫相对定位 GPS卫星定位方法分类 续 5 1概述 5 2伪距测量 伪距 由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离 由于各种误差的存在 与卫星到测站的实际几何距离有一定差值 两种测量值 C A码伪距 P码伪距 由GPS接收机在某一时刻测出到达四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置 采用测距交会的方法求接收机天线所在点的三维坐标 伪距法定位 5 2伪距测量 伪距测量的特点 适用于导航和低精度测量 P码定位误差约为10m C A码定位误差为20 30m 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 模糊度 的辅助资料 5 2伪距测量 伪距测量的方法 卫星发出一个测距码 该测距码经过 时间后到达接收机 接收机产生一组结构完全相同的测距码 复制码 并通过时延器使其延迟时间 5 2伪距测量 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R 1为止 此时 复制码已和测距码对齐 复制码的延迟时间 就等于卫星信号的传播时间 将 乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距 伪距测量的方法 续 5 2伪距测量 为什么利用码相关法测定伪距 为什么不利用码的标志来推算时延值 随机误差的存在 每个测距码在产生时 复制码在产生时 测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形 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R max的情况下来确定信号的传播时间 实质上是采用了多个码特征来确定 排除了随机误差的影响 5 2伪距测量 5 2伪距测量 自相关系数的测定方法 其测量原理如图 由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成由卫星钟控制的测距码a t 在GPS时间t时刻自卫星天线发出 经传播延迟 到达GPS接收机 接收机所接收到的信号为 t 接收机 t 相关器 积分器 接收机时钟cp 码发生器 t t 码移位控制a t t R 5 2伪距测量 考虑电离层 对流层 钟差影响有 伪距定位基本观测方程 5 3载波相位测量 优势伪距测量的不足 测距码的码元宽度较大 因此量测精度较低 如果把载波作为量测信号 载波的波长要短得多 L1 19cm L2 24cm 比P码码元的长度小两个数量级 对载波进行相位测量 可以达到很高的精度 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 相位测量只能测定其不足一个波长的部分 因而存在着整周数不确定性的问题 使解算过程变得比较复杂 5 3载波相位测量 重建载波 原因 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 因而接收到的载波的相位已不再连续 所以要设法将调制在载波上的测距码和导航电文去掉 重新获得载波 方法 码相关法 可同时提取测距信号和卫星电文 平方法 只能提取载波 5 3载波相位测量 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本振参考信号的相位差 5 3载波相位测量 5 3载波相位测量 载波相位基本观测方程 考虑电离层 对流层 钟差影响有 整周未知数N0的确定 5 3载波相位测量 5 3载波相位测量 伪距法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 后即可得到 N0 将整周未知数当作平差中的待定参数 经典方法1 整数解 短基线测量首先根据卫星位置和修复了周跳后的相位观测值进行平差计算 求得基线向量和整周未知数 由于各种误差的影响 解得的整周未知数往往不是一个整数 称为实数解 然后将其固定为整数 并重新进行平差计算 在计算中整周未知数采用整周值并视为已知数 以求得基线向量的最后值 2 实数解 长基线测量当基线较长时 误差的相关性将降低 许多误差消除得不够完善 所以无论是基线向量还是整周未知数 均无法估计得很准确 在这种情况下再将整周未知数固定为某一整数往往无实际意义 所以通常将实数解作为最后解 整周未知数N0的确定 5 3载波相位测量 多普勒法 三差法 将相邻两个观测历元的载波相位相减 消去了整周未知数N0 从而直接解出坐标参数 常用来获得未知参数的初始值 快速确定整周未知数法这种方法对某一置信区间所有整数组合一一进行平差 取估值的验后方差或方差和为最小的一组整周未知数作为整周未知数的最佳估值 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地确定整周未知数 整周未知数N0的确定 5 4整周跳变的修复 整周跳变 卫星信号失锁 使接收机的整周计数无法连续计数 因此 当信号重新被跟踪后 整周计数就不正确 但不到一整周的相位观测值仍是正确的 这种现象称为周跳 5 4整周跳变的修复 周跳产生的原因 建筑物或树木等障碍物的遮挡电离层电子活动剧烈多路径效应的影响卫星信噪比 SNR 太低接收机的高动态接收机内置软件的设计不周全 5 4整周跳变的修复 周跳的特点 周跳只引起载波相位观测量的整周数发生跳跃 小数部分则是正确的 周跳具有继承性 即从发生周跳的历元开始 以后所有历元的相位观测值都受到这个周跳的影响 周跳发生非常频繁 5 4整周跳变的修复 周跳修复的必要性 相位观测值中存在周跳 相当于观测值中存在粗差 将会严重影响GPS基线解算过程中的最小二乘估计 使基线解算失败或严重歪曲基线解算的结果 在GPS动态定位中 如数值为1周的周跳不修复 将会导致数十厘米的误差 这对于高精度的GPS测量是无法接受的 周跳的探测与修复是GPS载波相位数据处理中不可缺少的组成部分 只有消除了周跳的 干净 相位数据 才能用于GPS精密定位 5 4整周跳变的修复 周跳探测修复方法 屏幕扫描法高次差或多项式拟和法在卫星间求差法用双频观测值修复周跳根据平差后的残差发现和修复整周跳变 也叫单点定位 即直接确定用户接收机天线在WGS 84坐标系中相对于坐标系原点 地球质心的绝对位置 GPS绝对定位 5 5GPS绝对定位与相对定位 GPS绝对定位的方法 载波相位测量较难应用于动态绝对定位中的原因 载体在运动过程中 要保持对所测相同卫星的连续跟踪 技术上有一定困难动态解算整周未知数的方法 其应用尚有一定的局限 5 5GPS绝对定位与相对定位 受卫星轨道误差 钟差以及信号传播误差等影响 定位精度较低 静态绝对定位精度约为米级 动态绝对定位精度为10 40m GPS绝对定位的精度 5 5GPS绝对定位与相对定位 绝对定位精度的评价 所测卫星在空间的几何分布观测量的精度 在测量误差一章中介绍 5 5GPS绝对定位与相对定位 精度因子 DOP dilutionofprecision 伪距解算时权系数阵中主对角线元素的函数 精度因子 平面位置精度因子HDOP高程精度因子VDOP空间位置精度因子PDOP接收机钟差精度因子TDOP几何精度因子GDOP PDOP2 TDOP2 1 2 5 5GPS绝对定位与相对定位 绝对定位精度评价 续 精度因子的值与所测卫星的几何分布有关几何精度因子与测站和4颗观测卫星所构成的六面体的体积成反比 即GDOP 1 V 5 5GPS绝对定位与相对定位 绝对定位精度评价 续 一般地 六面体体积越大 GDOP值越小 GDOP较小 5 5GPS绝对定位与相对定位 选星问题 实际观测中 为了减弱大气折射的影响 所测卫星的高度角不能过低 在这一条件下 尽可能使卫星与测站构成的六面体体积最大 理论分析表明 在观测四颗星时 任意两方向之间的夹角为109度时 其六面体的体积最大 可由用户接收设备自动完成 5 5GPS绝对定位与相对定位 用两台GPS接收机分别安置在基线的两端 同步观测相同的GPS卫星 以确定两台接收机天线之间的相对位置 坐标差 GPS相对定位 概念 5 5GPS绝对定位与相对定位 GPS相对定位 特点 可以消除许多相同或相近的误差 定位精度高广泛应用于大地测量 精密工程测量 地球动力学的研究和精密导航 5 5GPS绝对定位与相对定位 GPS相对定位 方法 静态 载波相位测量动态 相对定位 伪距法载波相位测量 5 5GPS绝对定位与相对定位 5 6美国的GPS政策 美国的SA和AS政策 SA技术 降低广播星历中卫星位置的精度 降低星钟改正数的精度 对卫星基准频率加上高频的抖动 使伪距和相位的量测精度降低 由标准定位精度由原来的30米下降到100米左右 AS技术 即将P码改变为Y码 即对精密伪距测量进一步限制 而美国军方和特许用户不受这些政策的影响 SA政策的解除 2000年5月1日 白宫宣布从午夜开始中止对GPS公众服务信号降低精度 SA政策 的措施 民用GPS精度将会提高10倍以上 5 6美国的GPS政策 针对SA和AS政策的对策 应用P W技术和L1与L2交叉相关技术 使L2载波相位观测值得到恢复 其精度与使用P码相同研制能同时接受GPS和GLONASS信号的接收机发展DGPS和WADGPS差分GPS系统建立独立的GPS卫星测轨系统建立独立的卫星导航与定位系统 GPS定位存在三部分误差 1 多台接收机公有的误差 如卫星钟误差 星历误差2 传播延迟误差 如电离层误差 对流层误差3 接收机固有的误差 如内部噪声 通道延迟 多路径效应差分定位可完全消除第一部分误差 可大部分消除第二部分误差 5 7差分GPS定位原理 差分GPS分类 单基准站GPS差分局部区域差分广域差分 位置差分伪距差分载波相位差分 5 7差分GPS定位原理 5 7差分GPS定位原理 5 7 1 单基准站GPS差分 位置差分原理 基站 流动站 计算坐标值 已知坐标值 坐标偏差 坐标改正 位置差分的特点 优点 消去了基准站和用户站共同的误差 基准接收机只需向动态用户发送三个DGPS数据 易于实施数据传输 计算简单 适用于各种型号接收机 缺点 基准站与用户须观测同一组卫星 距离较长时难以满足 只是用于100km以内 随着站间距离的加长 动态用户的位置测量精度逐渐降低 5 7差分GPS定位原理 5 7差分GPS定位原理 5 7 1单基准站GPS差分 伪距差分原理 基站 流动站 伪距观测值 真正距离 伪距偏差 伪距改正 优点 基站提供所有可见卫星的 j和d j消去公共误差 用户接收机观测任意4颗卫星 就可完成定位 缺点 差分精度对基准站到用户的距离增加而降低 5 7差分GPS定位原理 5 7 1单基准站GPS差分 载波相位差分 RTK 原理 分类 修正法 将基准站的载波相位修正值发送给用户 改正用户接收到的载波相位 再解求坐标差分法 将基准站采集的载波相位发送给用户 进行求差解算坐标 消去公共误差 能实时给出厘米级高精度的定位结果电台的功率限制了用户到基准站距离 作用范围几十公里 广泛用于工程测量中 RTK技术同样受到基准站至用户距离的限制 为解决此问题 发展成局部区域差分和广域差分定位技术 5 7差分GPS定位原理 5 7 2局部区域GPS差分系统 LADGPS 多个差分GPS基准站 一个或数个监控站用户接收的是坐标 伪距 相位等改正原理局部区域中的用户根据多个基准站提供的改正信息 经平差后求得自己的改正数 用户采用加权平均法或最小方差法对来自多个基准站的改正信息进行平差计算以求得自己的坐标改正数 5 7差分GPS定位原理 5 7 3广域GPS差分系统 WADGPS 广域差分 WideAreaDGPS WADGPS 技术的基本思想 对GPS观测量的误差源加以区分 并对每一个误差源分别加以 模型化 然后将计算出来的每一个误差源的误差修正值 差分改正值 通过数据通讯链传输给用户 对用户GPS接收机的观测误差加以改正 以达到削弱这些误差源的影响 改善用户GPS定位精度的目的 广域差分主要模型化以下三类GPS定位的误差源 星历误差 大气延时误差 卫星钟差误差 5 7差分GPS定位原理 5 7 3广域GPS差分系统 WADGPS 广域差分GPS系统的特点 用户的定位精度对空间距离的敏感程度比较小 投资少 经济效益好 定位精度较高 且分布均匀 可扩展性好 如远洋 沙漠 森林等 技术复杂 维护费用高 可靠性及安全性稍差 5 7差分GPS定位原理 5 7 3广域GPS差分系统 WADGPS 广域差分GPS系统的工作流程 在已知的多个监测站上 跟踪观测GPS卫星的伪距 相位等信息 监测站将所接受的信息全部传输到中心站 中心站计算出三项误差改正 将这些误差改正用数据通讯链传输给用户 用户根据这些误差改正自己观测到的伪距 相位 星历等信息 计算出高精度结果 5 7差分GPS定位原理 5 7 3广域GPS差分系统 WADGPS 5 7差分GPS定位原理 5 7 4多基准站RTK技术 网络RTK 概述 是对普通载波相位差分 RTK 方法的改进 可克服常规RTK的缺陷 实现长距离 70 100km RTK定位 是基于多基准站的实时差分定位系统 建立多个GPS基准站 即建立多个基准站连续运行卫星定位导航服务系统 CORS 5 7差分GPS定位原理 5 7 4多基准站RTK技术 网络RTK 工作原理 多基准站RTK系统差分改正信息生成方式 虚拟参考站技术 VRS 工作原理在某一大区域 或某一城市 内建立若干个 3个以上 连续运行的GPS基准站 根据这些GPS基准站的观测值 建立区域内GPS主要误差模型 系统运行时将这些误差从基准站的观测值中减去 形成无误差观测值 一但接收到移动站 用户 单台GPS接收机 的概略坐标 即在移动站附近建立起一个虚拟参考站 移动站与虚拟参考站进行载波相位差分改正 实现实时RTK 5 7差分GPS定位原理 5 7 4多基准站RTK技术 网络RTK 工作原理 多基准站RTK系统差分改正信息生成方式 2 区域改正数技术 FKP 工作原理在某一大区域内 建立若干个连续运行的GPS基准站各基准站将每一个观测瞬间所采集的未经差分处理的同步观测值 实时的传输到控制中心站经控制中心站实时处理 产生一个FKP误差改正数 然后通过RTCM发送给区域内各移动站移动站将自身的观测值和FKP误差改正数经有效的组合 完成实时RTK 5 7差分GPS定位原理 5 7 4多基准站RTK技术 网络RTK 工作原理 连续运行卫星定位导航服务系统 CORS 的组成及功能1 连续运行GPS基准站系统一个区域CORS基准站的个数 是区域大小决定 功能是连续进行GPS观测 并实时将GPS观测值传输至数据处理控制中心 2 数据处理控制中心一个区域只建一个数据处理控制中心 功能是根据各GPS基准站的观测值 计算区域电离层 对流层 卫星轨道等误差 并实时将各GPS基准站的观测值减去其误差改正 实时地传输至数据传输与发播系统 3 数据传输与发播系统数据传输与发播系统实时接收数据处理控制中心的相位差分改正 并实时发布 供各移动站接收使用 4 移动站 用户 移动站即单台GPS接收机 它实时接收数据传输与发播系统的相位差分改正信息 结合自身GPS观测值 完成厘米级实时定位 5 7差分GPS定位原理 5 7 5全球实时GPS差分系