第五章--GPS卫星定位的基本原理

。全球定位系统技术，讲师：王志防，第5章全球定位系统卫星定位的基本原理，5.1 5.2伪距测量概述，5.3载波相位测量，5.4整周滑动修复，5.5全球定位系统绝对定位和相对定位，5.6美国全球定位系统政策，5.7差分全球定位系统定位原理，全球定位系统卫星定位的基本原理，测距和交会原理的应用，使用三颗以上卫星的已知空间位置的未知地面点(用户接收器)的交会。5.1总览，5.1总览，空间距离交会原理图，GPS卫星定位基本原理，观测方程，p点三维坐标(x，y，z)，5.1总览，根据测距原理：1)伪距定位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总览，根据待固定点的运动状态：1)静态定位：针对待固定的固定点， 将全球定位系统接收器放在上面，观察几分钟或更长时间，以确定点的三维坐标。2)动态定位：如果两个全球定位系统接收器分别放置在两个待固定点上，则两个待固定点之间的相对位置可以通过观察一段时间来确定，这也称为相对定位。全球定位系统卫星定位方法分类(续)，概述5.1，伪距测量5.2，伪距：通过将卫星发送到全球定位系统接收器的测距码信号的传播时间乘以光速获得的测量距离。由于各种误差的存在，从卫星到测量站的实际几何距离有一定的差异。两种测量值：-C/A码伪距-P码伪距，在某一时刻，由全球定位系统接收器测量到四颗以上全球定位系统卫星的伪距和已知卫星位置，并通过测距交会法计算接收器天线所在点的三维坐标。伪距定位，5.2伪距测量，伪距测量特性，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；它可以作为辅助数据来解决载波相位测量中的整波数不确定性问题。5.2伪距测量。接收机产生一组测距码具有相同结构的复制码，并将它们延迟一个延迟时间；5.2伪距测量，对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()等于1，此时，复制码与测距码对齐，复制码的延迟时间等于卫星信号的传播时间；从卫星到接收器的伪距可以通过乘以光速c、伪距测量方法(续)、5.2伪距测量和.为什么用代码相关法来确定伪距？为什么不用代码的符号来计算延迟值呢？随机误差的存在：当产生每个测距码时；当生成重复代码时；测距码由于传播过程中的外部干扰而变形。仅根据测距码中的某个标记进行测量会带来很大的误差。在自相关系数R()=max的条件下，利用码相关技术确定信号传播时间，实质上是利用多个码特征来确定，消除了随机误差的影响。5.2伪距测量，5.2伪距测量，以及自相关系数的测量方法。测量原理如下：接收机锁相环中的相关器和积分器完成由卫星时钟控制的测距码a(t)，该码在全球定位系统时间T从卫星天线发射，并通过传播延迟到达全球定位系统接收机。接收器接收的信号为(t-)。接收器(t-)，相关器，积分器，接收器时钟cp，代码发生器(t t)，代码移位控制a(t-)，r()，。嘿。5.2伪距测量，考虑电离层，对流层，钟差效应，伪距定位基本观测方程，5.3载波相位测量，主导伪距测量的缺点：测距码符号宽度大，测量精度低。如果将载波作为测量信号，则c5.3载波相位测量，载波重构，原因：由于测距码和导航信息已经通过相位调整方法在载波上进行了调制，所以接收载波的相位不再连续，所以尝试去除载波上调制的测距码和导航信息，重新获得载波。方法：码相关法：测距信号和卫星信息可以同时提取；平坦法：只能提取载波、5.3载波相位测量、载波相位测量的观测测量、全球定位系统接收机接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号之间的相位差。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、对流层和时钟差，确定整数未知N0，5.3载波相位测量，5.3载波相位测量，伪距法从载波相位测量的实际观测值中减去伪距观测值(换算成距离单位)得到N0。整个周期的未知量作为调整中的待定参数。经典方法 1)整数解-短基线测量首先，根据周跳修复后的卫星位置和相位观测值进行平差计算，得到基线向量和整周未知数。由于各种误差的影响，整个未知数通常不是整数(称为实数解)，然后将其固定为整数并再次调整。在计算中，未知的整周数采用整周值作为已知数，得到基线向量的最终值。2)实数解-长基线测量当基线较长时，误差的相关性将减小，并且许多误差没有被完全消除。因此，无论是基线向量还是整个星期的未知量都无法准确估计。在这种情况下，将整个未知数固定为整数通常是没有意义的，因此实数解通常被视为最终解。整个未知数N0的确定，5.3载波相位测量，多普勒法(三重差分法)减去两个相邻观测时期的载波相位，消除整个未知数N0，从而直接求解坐标参数。它通常用于获取未知参数的初始值。整周未知量的快速确定该方法逐个调整某一置信区间内的所有整数组合，并将后验方差或方差和最小的整周未知组作为整周未知量的最佳估计。当进行短基线定位时，只需观察一分钟，就可以用双频接收机成功地确定整个未知数。整个周期未知数N0的确定，5.4整周滑动的修复，整周滑动：卫星信号失锁，使接收机的整周计数无法连续计数。因此，当信号被再次跟踪时，整个周期计数是不正确的，但是小于整个周期的相位观察值仍然是正确的。这种现象被称为周跳。5.4整周跳的修复、整周跳的原因、建筑物或树木及其他障碍物阻挡电离层电子活动的影响、严重的多径效应、卫星低信噪比、接收机高动态接收机内置软件设计不完善、整周跳的修复、整周跳的特点、整周跳仅导致载波相位观测整周跳数，小数部分正确。周跳是遗传的，即从周跳发生的时期开始，所有时期的相位观测值都将受到此周跳的影响。每周的跳跃非常频繁。5.4、整周跳的修复、周跳修复的必要性、相位观测中的周跳，相当于观测中的粗差，将严重影响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扭曲基线解算结果。在全球定位系统动态定位中，如果值为1周的周跳不修复，将导致几十厘米的误差。这对于高精度的全球定位系统测量来说是不可接受的。周跳的检测和修复是GPS载波相位数据处理不可缺少的一部分。只有消除了周跳的“干净”相位数据，才能用于全球定位系统的精确定位。全球定位系统绝对定位，5.5全球定位系统绝对定位和相对定位，一、全球定位系统绝对定位方法，载波相位测量难以应用于动态绝对定位的原因：为了保持同一颗卫星在载波运动过程中的连续跟踪测量，动态求解整个未知数在技术上是困难的，而且其应用有一定的局限性，5.5全球定位系统绝对定位和相对定位，受卫星轨道误差、时钟误差和信号传播误差的影响，定位精度相对较低，静态绝对定位精度约为米级，动态绝对定位精度为10-40米，全球定位系统绝对定位精度为5.5全球定位系统绝对定位和相对定位，绝对定位精度的评定，被测卫星在空间几何分布的测量精度(在测量误差一章中介绍)，5.5全球定位系统绝对定位和相对定位，DOP(稀释精度):伪距解是加权系数矩阵中主要对角元素的函数，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接收机时钟差精度因子TDOP几何精度因子GDOP(=(PDOP2 TDOP2)1/2)，5.5全球定位系统绝对定位和相对定位，绝对定位精度评估(续)。精度因子的值与被测卫星的几何分布有关。几何精度因子与测量站和四颗观测卫星(即GDOP 1/V、5.5全球定位系统绝对定位和相对定位)形成的六面体体积成反比。绝对定位精度评估(续)。一般来说，六面体的体积越大，GDOP值越小，GDOP值越小，5.5的绝对定位和相对定位。在实际观测中，为了减少大气折射的影响，被测卫星的高度角不能太低。在这种情况下，由卫星和测量站形成的六面体体积尽可能最大化。理论分析表明，当观察四颗星时，当任意两个方向的夹角为109度时，六面体的体积最大。这可以由用户接收设备自动完成。5.5全球定位系统绝对定位和相对定位，两个全球定位系统接收器分别布置在基线的两端，并且同步观测相同的全球定位系统卫星以确定两个接收器天线之间的相对位置(坐标差)。全球定位系统相对定位-概念，5.5全球定位系统绝对定位和相对定位，全球定位系统相对定位-特征，可以消除许多相同或相似的误差，高定位精度广泛用于大地测量，精密工程测量，地球动力学研究和精密导航，5.5全球定位系统绝对定位和相对定位，全球定位系统相对定位-方法，静态：载波相位测量动态，相对定位，伪距载波相位测量，5.5全球定位系统绝对定位和相对定位，5.6美国全球定位系统政策、美国卫星导航系统和自动导航系统政策、卫星导航系统技术：降低广播星历中卫星位置的精度，降低卫星时钟校正的精度，增加卫星参考频率的高频抖动(降低伪距和相位的测量精度)，并将标准定位精度从原来的30米降低到约100米。AS技术：将P码改为Y码，即进一步限制精确伪距测量，而美国军方和授权用户不受这些政策的影响，选择性可用性的解除：2000年5月1日，白宫宣布将从午夜开始暂停降低全球定位系统公共服务信号(选择性可用性)的准确性的措施。民用全球定位系统的精度将提高10倍以上。5.6美国全球定位系统政策，作为对服务协议和服务协议政策的响应，使用了点对点技术以及L1和L2互相关技术来恢复L2载波相位观测值。其精度与使用P代码开发能够同时接收全球定位系统和GLONASS信号的接收器、开发DGPS和世界全球定位系统差分全球定位系统、建立独立的全球定位系统卫星轨道测量系统以及建立独立的卫星导航和定位系统的精度相同。全球定位系统定位有三个部分的误差：1。多个接收机共有的误差，例如卫星时钟误差和星历误差；2.传播延迟误差，如电离层误差和对流层误差；3.接收机的固有误差，如内部噪声、信道延迟和多径效应。差分定位可以完全消除第一部分误差，并且可以很大程度上消除第二部分误差；5.7差分全球定位系统定位原理；差分全球定位系统分类、单参考站全球定位系统差分局域差分广域差分、位置差分伪距差分载波相位差分、5.7差分全球定位系统定位原理、5.7差分全球定位系统定位原理、5.7.1。单基准站全球定位系统差分-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、坐标校正、位置差分的特点、优点：-消除了基准站和用户站的常见误差-基准接收机只需向动态用户发送三个DGPS数据，易于实现数据传输-计算简单，适用于各种类型的接收机。缺点：-参考站和用户必须观察同一组卫星，当距离很远时很难相遇，但只能在100公里内使用。-随着站间距离的增加，动态用户的位置测量精度逐渐降低。5.7差分全球定位系统定位原理、5.7差分全球定位系统定位原理、5.7.1单参考站全球定位系统差分-伪距差分原理、基站、流动站、伪距观测值、真实距离、伪距偏差、伪距修正、优点：基站提供所有可见卫星的j和dj，以消除常见误差，用户接收机可通过观察任意4颗卫星来完成定位。缺点：差分精度随着参考站与用户之间距离的增加而降低，5.7差分全球定位系统定位原理，5.7.1单参考站全球定位系统差分-载波相位差(RTK)原理，分类：校正方法：将参考站的载波相位校正值发送给用户，校正用户接收到的载波相位，然后求解坐标差分方法：将参考站采集的载波相位发送给用户，求解坐标差分，消除常见误差，可以实时给出厘米级的高精度定位结果。无线电台的功率限制了用户和参考站之间的距离，作用距离为几十公里。RTK技术广泛应用于工程测量，但也受到参考站与用户之间距离的限制。为了解决这个问题，RTK技术已经发展成为局域差分和广域差分定位技术。5.7差分全球定位系统定位原理，5.7.2局部区域全球定位系统差分系统，多个差分全球定位系统参考站，一个或多个监测站用户接收诸如坐标、伪距、相位等校正原理。本地区用户根据多个参考站提供的校正信息进行调整后得到自己的校正号。用户使用加权平均法或最小方差法来调整来自多个参考站的校正信息，以获得他们自己的坐标校正。5.7差分全球定位系统定位原理、5.7.3广域差分全球定位系统、广域差分全球定位系统(WADGS)和广域差分全球定位系统(WADGS)技术的基本思想：区分全球定位系统观测的误差源，并分别“模拟”每个误差源，然后通过数据通信链路将每个误差源的计算误差校正值(差分校正值)传送给用户，以校正用户的全球定位系统接收机的观测误差，从而削弱这些误差源的影响，提高用户的全球定位系统定位精度。广域差分主要模拟以下三种类型的全球定位系统定位的误差源：星历误差、大气延迟误差，5.7差分全球定位系统定位原理，5.7.3广域全球定位系统差分系统，广域差分全球定位系统的工作流程，在几个已知的监测站上跟踪和观测全球定位系统卫星的伪距、相位等信息；监控站将所有接收到的信息发送到中心站；中心站计算三个误差修正值；通过数据通信链路向用户发送纠错；用户根据这些误差校正他们的观测伪距、相位、星历表和其他信