卫星导航定位解算与误差处理方法资料PPT课件

卫星导航定位解算与误差处理方法,目录,1卫星导航定位解算方法1.1分类1.2伪距法定位1.3载波相位测量1.4差分定位原理2卫星导航误差处理方法,1.1分类从接收机天线所处的状态来看，可分为静态定位和动态定位；从接收机定位是否具有参考基准来看，分为单点定位（也称绝对定位）和相对定位；从卫星定位观测信息的性质来看，分为测码伪距定位、测相伪距定位、多普勒定位和射电干涉定位。,1卫星导航定位解算方法,通过伪随机码测定传播时间实现定位的方法，称为测码伪距法定位；通过载波相位测量实现定位的方法称为测相伪距法定位（又称载波相位法定位）；通过测量多普勒频移（或称多普勒频率）实现定位的方法称为多普勒法定位。多普勒法定位较早应用于美国的子午仪卫星导航系统。由于其实时性较差，要想实现高精度定位需要较长的观测时间，所以一般用于测定接收机的速度。,1.2伪距法定位,伪距法定位是导航及低精度测量中所用的一种定位方法。它具有速度快、无多值性问题等优点,其精度已满足部分用户的需要。在进行载波相位测量时，精确的伪距测量资料也是极有用的辅助资料。优越性速度快、无多值性问题，利用增加观测时间可以提高定位精度虽然测量定位精度低，但足以满足部分用户的需要。,测定伪距的方法,将测距码和数据码调制到载波上,由卫星发射机将调制信号发出,接收机收到测距码,接收机产生复制码,测距码和复制码作相关处理,由时延器测定出两信号间的时间延迟,测定伪距的方法,在理想的情况下，时间延迟等于卫星信号的传播时间。将乘以光速c，就可以求得卫星至接收机的距离。,测定伪距的方法,卫星钟和接收机钟不完全同步,自相关系数最大条件下求得的时延和真空中光速c的乘积含有误差，这个乘积就称为,伪距,以伪距作为基本观测量的定位方法,伪距法定位,伪距测量的观测方程在前面的讨论中我们假设卫星钟和接收机钟是完全同步的，但实际上这两台钟之间总是有差异的。因而在的条件下求得的时延就不严格等于卫星信号的传播时间，它还包含了两台钟不同步的影响在内。此外，由于信号并不是完全在真空中传播的，因而观测值中也包含了大气传播延迟误差。在伪距测量中，一般把在的条件下求得的时延和真空中的光速c的乘积当作观测值，下面我们将建立卫星与接收机之间的几何距离与观测值之间的关系式。,设在某一瞬间卫星发出一个信号，该瞬间卫星钟的读数为，但正确的标准时应为；该信号在正确的标准时到达接收机，但根据接收机钟读得的时间为。伪距测量中所测得的时延实际上为和之差，即设发射时刻卫星钟的改正数为，接收时刻接收机钟的改正数为。即,于是有式中为用没有误差的标准时钟测定的信号从卫星至接收机的实际传播时间。由于信号并不是总在真空中传播，而是要经过电离层和对流层才能到达地面测站，而信号在经过电离层和对流层时，传播速度将发生变化，因此必须加上电离层折射改正和对流层折射改正后才能求得卫星至接收机间的几何距离，即,于是可得几何距离和伪距之间的关系式为：,伪距法定位的原理,如果卫星钟和接收机钟的改正数和都是精确已知的，那么测定了伪距就等于测定了几何距离（假定电离层折射改正和对流层折射改正均可准确求得）。而几何距离与卫星坐标（xs，ys，zs）与接收机坐标（指天线相位中心的坐标）（X，Y，Z）之间有下列关系：,卫星坐标可根据收到的卫星导航电文求得，倘若用户同时对三颗卫星进行了伪距测量，即可解出接收机的位置（X，Y，Z）。但是，精确已知任一观测瞬间的时钟改正数只有对稳定度特别好的原子钟才有可能实现。在数目有限的卫星上配备原子钟是能办到的，但在数以万计的接收机上都安装原子钟却是不现实的，因为这样会大大增加成本，增加接收机的体积和重量，从而严重影响全球定位系统的用户数量。解决这个问题的办法是把观测时刻接收机的钟改正数也作为一个未知数来处理。,这样，在任何一个观测瞬间用户至少需要同时测定四颗卫星的距离，以便同时解算出四个未知数X，Y，Z和。,当方程式的个数大于4时，可用最小二乘法求解（X，Y，Z）和vtb的最或是值。,将观测时得到的伪距改正为卫星至接收机之间的实际距离。,伪距电离层折射改正对流层折射改正卫星的钟差接收机的钟差,1.3载波相位测量,伪距以测距码作为量测信号，因测距码的波长较长，难以达到较高的精度。而载波相位测量不使用测距码信号，不受测距码控制，属于非测距码测量系统。载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只能测定起不足一个波长的小数部分，无法测定起整波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使得解算过程复杂化。,18,.,载波相位测量原理,前面说过，伪距测量和码相位测量都是以测距码作为量测信号的。量测的精度大约是一个码元长度的百分之一。由于测距码的码元长度较长，因而量测的精度不高。而载波的波长要短得多，。因而如果把载波作为量测信号，对载波进行相位量测，就可以达到很高的精度。目前的大地型接收机的载波相位测量精度一般为12mm，有的接收机（如Ashtech）声称每毫秒进行一次载波相位测量，每秒给出的平均值的分辨率已优于0.01mm。,若卫星S发出一载波信号，该信号向各处传播。设某一瞬间，该信号在接收机R处的相位为，在卫星S处的相位为。和为从某一起始点开始计算的包括整周数在内的载波相位。为方便计，均以周数为单位。若载波的波长为，则卫星S至接收机R间的距离，但这种方法实际上无法实施，因为我们无法量测到。,如果接收机的振荡器能产生一个频繁与初相位和卫星载波信号完全相同的基准信号，问题便迎刃而解。因为任何一个瞬间在接收机处的基准信号的相位就等于卫星处载波信号的相位。因此，就等于接收机产生的基准信号的相位和接收到的来自卫星的载波信号相位之差。某一瞬间的载波相位测量值指的就是该瞬间接收机所产生的基准信号的相位和接收到的来自卫星的载波信号的相位之差。因此，根据某一瞬间的载波相位测量值就可求出该瞬间从卫星到接收机的距离。,载波相位测量原理,将测距码和数据码调制到载波上,由卫星发射机将调制信号发出,接收机解调出纯净的载波信号,接收机产生基准信号,载波信号和基准信号求相位差,若在t0时刻接收机产生的基准信号的相位是，接收机接收到的载波信号的相位是，若能测定出二者相位之差，则由载波波长就可以求出该瞬间从卫星至接收机的距离：,载波相位测量观测方程,载波相位测量的实际观测值跟踪卫星信号后的首次量测值以表示k接收机在接收机钟面时刻tk时所接收到的j卫星载波信号的相位值，表示k接收机在钟面时刻tk时所产生的基准信号的相位值，则k接收机在接收机种面时刻tk时观测j卫星所取得的相位观测量可写为：通常的相位或相位差测量只是测出一周以内的相位值。实际测量中，如果对整周进行计算，则自某一初始取样时刻（t0）以后就可以取得连续的相位测量值。,在初始t0时刻，测得小于一周的相位差为，其整周数为，此时包含整周数的相位观测值应为：载波相位测量原理,初始整周未知数,初始整周未知数,相位观测值,相位观测值,整周计数,在进行载波相位测量时，仪器实际上能测定的只是不足一整周的部分。因为载波只是一种单纯的正弦波，不带有任何识别标记，所以我们是无法知道正在量测的是第几周的信号。于是在载波相位测量中便出现了一个整周未知数N0，需要通过其它途径解算出N0后才能求得从卫星至接收机的距离，从而使数学处理较伪距测量更为麻烦。其余各次量测值接收机跟踪上卫星信号进行了首次载波相位测量后，随后进行的各次载波相位测量的实际量测值中就不仅包含了不足一整波段的部分，而且还包含了整波段数。,为了便于理解，下面我们从积分多普勒测量的角度来予以说明。卫星和接收机发出的载波信号的频率均为f（设卫星钟和接收机钟均无误差）。由于卫星和接收机间的距离的变化，使得接收到的卫星信号的频率由于多普勒效应而变为：从首次进行载波相位测量的时刻t0开始进行积分多普勒测量。设进行第i次载波相位测量时刻ti时的积分值为：,由此可见，该积分值ni就是ti时刻卫星至接收机的距离ri与t0时刻卫星至接收机的距离r0之差中所包含的载波数（包括整数和分数）.于是就可以求得ti时刻载波相位测量的量测值：实际上，可用同样的方法根据ti时刻的基准信号的相位和接收到的卫星信号的相位直接量测出来，而整数部分是从t0时刻开始由一个计数器连续计数累积而成的。,从上面的讨论可以看出：载波相位测量的实际观测值由整周数部分和不足整周的部分组成。首次观测值中的为零，其余各次观测值中的可为正整数，也可为负整数。只要接收机能保持对卫星信号的连续跟踪而不失锁，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，也就是说，每个完整的载波相位观测值均由下列几个部分组成：,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，那么当信号被重新跟踪后，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由于是一个瞬时量测值，因而仍是正确的。这种现象叫做整周跳变（简称周跳）或丢失整周（简称失周）。周跳是数据处理时令人感到头痛的问题之一。,在载波相位测量的观测方程中，除了增加了整周未知数外，和伪距测量方程是完全相同的。式中的是时刻卫星的位置至时刻接收机的相位中心的几何距离，即其中的为时刻卫星的坐标，应根据时间和卫星星历求得（其中为信号传播时间，可估算出）。,整周跳变的探测及修复,整周跳变和整周未知数的确定是载波相位测量中特有的问题。完整的载波相位测量是由、和三个部分组成的。虽然能以极高的精度测定，但这只有在正确无误地确定和的情况下才有意义。整周跳变的探测及修复，整周未知数的确定，给载波相位测量的数据处理工作增加了不少麻烦和困难，这是为了获得高精度的结果所必须付出的代价。,产生周跳的原因,我们知道，任意时刻时的载波相位测量的实际量测值由两部分组成，即和。前者是基准信号与接收到的卫星信号的相位差中小于一周的部分，后者是整周计数部分，它是从时刻开始至时刻为止用计数器逐个累计下来的差频信号的整周数。如果由于某种原因使计数器在（-）期间的累计工作产生中断，那么恢复累计后所有的计数中都会含有同一偏差。该偏差即为中断期间所丢失的整周数。然而对于来说，只要卫星和接收机的振荡器在不断地工作产生出连续的载波信号，那么在任意时刻都能进行观测，获得正确的数值。这就是所谓的整周跳变现象。,产生周跳的原因很多，如：（1）卫星信号被某些障碍物暂时中断；（2）由于仪器线路的瞬间故障使基准信号无法和卫星信号混频以产生差频信号，或虽产生了差频信号但无法正确计数；（3）由于外界干扰或接收机所处的动态条件恶劣（动态定位中），使载波跟踪环路无法锁定信号而引起信号的暂时失锁等。,探测出发生周跳的时间及所丢失的整周数进而对中断后整周计数进行改正，将其恢复为正确的计数，使这部分观测值仍可照常使用。这一工作称为整周跳变的探测与修复。值得指出的是，如果由于电池的故障或振荡器本身的故障而使信号暂时中断，那么前后信号本身便失去了连续性，恢复正常工作后的观测值中不但整周计数不正确，不足整周的部分也不对，这种情况就不属于本节所讨论的整周跳变的情况。,周跳的探测及修复,整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种：屏幕扫描法这种方法是由作业人员在计算机屏幕前依次对每个站、每个时段、每个卫星的相位观测值变化率的图像进行逐段检查，观测其变化率是否连续。如果出现不规则的突然变化时，就说明在相应的相位观测中出现了整周跳变现象。然后用手工编辑的方法逐点、逐段修复。（这种方法目前已被淘汰）,用高次差或多项式拟合法（探测大的周跳）在观测期间，由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载波相位测量的观测值也随时间在不断变化。但这种变化应该是有规律的、平滑的。周跳将破坏这种规律性。据此可以找出大的周跳。也就是说，这种方法是根据有周跳现象的发生将会破坏载波相位测量的观测值随时间而有规律变化的特性来探测的。,通常也采用曲线拟合的方法进行计算。根据几个相位测量观测值拟合一个n阶多项式，据此多项式来预估下一个观测值并与实测值比较，从而来发现周跳并修正整周计数。,在卫星间求差法（解决小的周跳）在GPS测量中，每一瞬间要对多颗卫星进行观测，因而在每颗卫星的载波相位测量观测值中，所受到的接收机振荡器的随机误差的影响是相同的。在卫星间求差后即可消除此项误差的影响。用双频观测值修复周跳对于双频GPS接收机，有两个载波频率。对某GPS卫星的载波相位观测值可写为：,采用双频载波相位观测值的组合并考虑到电离层折射改正，则有：,上式右边已把卫星与测站间的距离项和卫星与接收机的钟差项以及大气对流层折射改正项消去，只剩下整周数之差和电离层折射的残差项。利用组合后的值，便可探测整周数的跳变，因为电离层残差项很小。所以这种方法又叫电离层残差法。用双频观测值探测和修复周跳的方法优点是，双频载彼相位观测值的组合中各参数只涉及频率，取决于电离层残差影响，无须预先知道测站和卫星的坐标。缺点是不能顾及多路径效应和测量噪声的影响，另外如果两个载波相位观测值中都出现周跳，则不能采用这种方法，而只能采用其他方法探测与修复周跳。,根据平差后的残差发现和修复整周跳变经过上述处理的观测值中还可能存在一些未被发现的小周跳。修复后的观测值中也可能引人12周的偏差。用这些观测值来进行平差计算，求得各观测值的残差。由于载波相位测量的精度很高，因而这些残差的数值一般均很小。有周跳的观测值上则会出现很大的残差，据此可以发现和修复周跳。上述过程往往需要反复进行多次，每次都采用新近获得的平差值（基线向量等）和改正了周跳后的观测值来进行平差，直到残差符合要求为止。这样就能获得一组无周跳的“干净的”载波相位测量观测值。,整周未知数N0的确定,载波相位整周模糊度解算是实现精密定位的关键技术之一，其方法主要分为三类：1，观测域直接利用不存在模糊度的测码伪距观测值确定载波相位模糊度，这种方式解算的精度与伪码测距精度有关。伴随着GPS系统现代化和多卫星导航系统的发展，利用多频载波相位观测值求解整周模糊度的方法在双频的基础上得到进一步的研究，产生了如三载波整周模糊度解算（TCAR），多载波整周模糊度解算（MCAR）等方法。,2，坐标域主要是Counselman在1981年提出的模糊度函数法（AFM）。该算法由于仅利用载波相位观测值的非整数部分，因此对周跳不敏感。然而由于算法的运算量较大，实际中很少使用。,3，模糊度域搜索这类搜索算法以证书最小二乘估计为理论基础，分三步执行：计算模糊度浮点解、整数模糊度估计（搜索）和模糊度固定。这类方法包括：最小二乘模糊度搜索算法（LSAST）、快速解模糊度方法（FARA）、最小二乘模糊度解相关调整算法（LAMBDA）、最优估计GPS模糊度方法等。,LAMBDA方法最为快速、有效，并且已有公开的MATLAB代码。它首先对整周模糊度协方差阵进行整数高斯变化解相关，缩小搜索范围，提高搜索速度；然后对模糊度进行条件调整；最后在超椭圆球区域内进行离散搜索获得整周模糊度的固定解。,LAMBDA解算整周模糊度流程,1.4差分定位原理,单站GPS的差分,根据差分GPS基准站发送的信息方式可将单站GPS差分定位分为:,位置差分伪距差分相位差分,位置差分原理,1、两站观测同一组卫星2、消去了基准站和用户站的共同误差,提高了定位精度3、站间距离在100km以内,基站,流动站,计算坐标值,已知坐标值,坐标偏差,坐标改正,伪距差分原理：,基站,流动站,计算伪距值,伪距观测值,伪距偏差,伪距改正,基站提供所有可见卫星的j和dj消去公共误差，提高定位精度随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差,载波相位差分原理,原理：,基站,流动站,相位观测值,流动站的坐标,分为修正法和差分法，修正法与伪距差分类似。,差分法(RTK),相位观测值,差分计算,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。,EnhancingtheaccuracyofGPSpointpositioningbyconvertingthesinglefrequencydatatodualfrequencydata,Totalelectroncontent(TEC)wascalculatedateveryGPSstationtoproducethemathematicalmodelofTECwhichisafunctionoflatitude()andlongitude().ByusingthismathematicalmodelthevaluesofTECandL2canbepredictedatthesinglefrequencyGPSstationforeachsatellite,afterthatthecomparisonbetweenpredictedandobservationvaluesofTECandL2wasperformed.Theestimationmethodandtestresultsoftheproposedmethodindicatesthatthedifferencebetweenpredictedandobservationvaluesisverysmall.,近几年文献中的新型导航定位解算方法,ModelingtheionosphereusingthesecondorderpolynomialTheexperimentalresultsindicatethatthedifferencebetweenestimatedTECandtheactualTECforsatellite#S14reachedto0.00237%.TheexperimentalresultsindicatethatthedifferencebetweenpredictedvalueofL2andtheactualvalueofL2forsatellite#S14reachedto1.6179E-06%.,网络RTK参考站间低仰角卫星模糊度快速解算方法,低仰角卫星,由于测量噪声大等因素,其模糊度解算仍是GPS定位技术的瓶颈问题。采用自适应定权法确定卫星双差观测值权阵。首先将卫星分为高、低仰角两部分,通过常规三步法解算高仰角卫星整周模糊度,再利用已求解高仰角卫星模糊度联合低仰角卫星观测方程构建卡尔曼滤波模型,最后在准确估计天顶方向对流层延迟同时,快速解算低仰角卫星模糊度。,基于优化理论的GPS定位解算算法,用优化理论的思路求解系统状态量的最大后验概率估计值。它是从系统状态量、观测量的联合概率密度函数出发，将估计问题转化成优化问题，用优化问题的解法对系统的状态进行估计。,