GPS距离测量PPT课件

1、4.1 利用测距码测定卫地距第1页/共46页GPS定位的基本原理需解决的两个关键问题 如何确定卫星的位置 如何测量出站星距离第2页/共46页测距方法 双程测距用于电磁波测距仪 单程测距用于GPS距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距方法第3页/共46页测距码C/A码（测距时有模糊度）P码距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距码第4页/共46页信号传播时间测距码测距原理 距离测定的基本思路 信号（测距码）传播时间的测定dtTutTuTRT)()(1相关系数：ctc信号传播时间的测定距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距码测距原理第5页/共46页测距码测距原理 利用测

2、距码测距的必要条件 必须了解测距码的结构 利用测距码进行测距的优点 采用的是CDMA（码分多址）技术 易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度 便于对系统进行控制和管理（如AS）每颗GPS卫星都采用特定的伪随机噪声码微弱信号的捕获距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距码测距原理第6页/共46页Z跟踪技术 AS P码+W码Y码 W码的码元宽度比Y码大几十倍 Z跟踪技术 原理 将相关间隔（积分间隔）限定在一个W码码元内码码码码码元内在一个PPYW 0 1 0 0 1 0 0（1） W 码 0 1 0 0 1 0 P 码 Y 码 + = 0 1 0 0 1 0 1（-1） W 码 1 0 1

3、 1 0 1 P 码 Y 码 + = 距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 Z跟踪技术第7页/共46页伪距测量的特点 优点 无模糊度 缺点 精度低距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 伪距测量的特点第8页/共46页GPS测量的基本观测方程距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 GPS测量的基本观测方程SR( )tR( )tS接收机根据自身的钟在 时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在 时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtS tR tS第9页/共46页对流层折射延迟改正电离层折射延迟改正接收机钟的改正数卫星钟的改正数信号离开卫星的时刻（由卫星钟测定）信号到达接收机的时

4、刻（由接收机钟测定）RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc)()()()()()(故：站星真实距离：则：；设：伪距：测距码测距的观测方程距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距码测距的观测方程站星真实距离是用坐标反算的距离第10页/共46页伪距测量的误差方程距离测量与GPS定位 利用测距码测定卫地距 测距码测距的误差方程itiiiititropiioniiiiiiiiiiiiitttropioniiiiiiLVcdZndYmdXlVVcVVLZznYymXxldZZZdYYYdXXX

5、ZzYyXxdZZzdYYydXXxVcVcVVZzYyXxiZzYyXxRSRS则误差方程式为：）（）（）（）（令：（）（其中：）（）（）（）（一阶项，有用泰勒级数展开，保留将（则站星距离的观测值：为卫星（令真实的站星距离：)()(;),)ii0i00i00i00000202020i0i00i00i00i0ii222i222i第11页/共46页Essence of absolute positioning(绝对定位的实质) Absolute positioning is a kind of spatial distance backward intersection (空间距离后方交会）.

6、At least 4 range observables are needed in order to estimate 4 parameters.(至少观测四颗卫星) Currently, absolute positioning accuracy is about 10-40 m using broadcast ephemeris due to orbital error, clock error and atmospheric errors. （精度10-40 m ） Question : What is the difference between absolute positioni

7、ng and traditional distance intersection on the ground ？第12页/共46页 In the case of multiple epochs of observation (or more than 4 satellites) Least Squares Adjustment problem!) The number of unknowns: 3 coordinates + n receiver clock error terms, each corresponding to a separate epoch of observation (

8、1 to n)。Error equation in form of matrix： A: design matrix L: observation vector P: weight matrix Y: vector of unknowns The estimated unknowns:Covariance (协方差阵)：LYPAPA)(AT1TLY AV120)(AACTY第13页/共46页Estimated unknowns: If P is a unit weight matrix, then covariance matrix is:Cofactor matrix (协因数阵)Dilut

9、ion of Precision (精度因子) DOP）tttztytxztzzzyzxytyzyyyxxtxzxyxx1TYQQQQQQQQQQQQQQQQ)PAA(QLYPAPA)(AT1T120)(AACTYUnit weight standard deviation第14页/共46页According to error propagation law, cofactor matrix in form of geodetic coordinates iszyxsinBcosBsinLcosBcosL0cosLsinL-cosBsinBsinLsinBcosLHLB因为：sinBcosBs

10、inLcosBcosL0cosLsinL-cosBsinBsinLsinBcosLR设HHHLHBLHLLLBBHBLBBTXRQQQQQQQQQRRQQ第15页/共46页 HDOP-Horizontal DOP (平面位置精度因子）：dilution of precision VDOP-Vertical DOP (高程精度因子）： PDOP-Position DOP (空间位置精度因子）：21LLBB)QQ(HDOP21HH)Q(VDOP 21zzyyxx)QQQ(PDOP0HHDOPm0VVDOPm0PPDOPm第16页/共46页 TDOP-Time DOP (接收机钟差精度因子)： GD

11、OP-Geometric DOP (几何精度因子 )：21tt)Q(TDOP 21ttzzyyxx)QQQQ(GDOP0GGDOPm0tTDOPm第17页/共46页 Geometric strength of Constellation (星座)The relationship between geometric strength and GDOP bad GDOPGood GDOP第18页/共46页Distribution of Satellites and Geometric Strength Absolute positioning error is proportional to DO

12、P) Absolute positioning error is inversely proportional to the volume PDOP is interpreted as the reciprocal value（倒数） of the volume of pyramid（棱锥） that is formed from the satellite and user positions第19页/共46页 Bad GDOPGood GDOPGeometric Strength of Constellation第20页/共46页Computation of the azimuth and

13、 elevation of a satellite: According to broadcast ephemeris.Computation of DOP: According to satellite coordinates and the approximate coordinates of a station Prediction of satellite visibility and DOP tttztytxztzzzyzxytyzyyyxxtxzxyxx1TYQQQQQQQQQQQQQQQQ)PAA(Q第21页/共46页Satellite visibility卫星可见性预报第22页

14、/共46页Sky plot (卫星天空图）第23页/共46页21zzyyxx)QQQ(PDOPPDOP预报第24页/共46页21ttzzyyxx)QQQQ(GDOPGDOP预报第25页/共46页21LLBB)QQ(HDOPHDOP预报第26页/共46页21HH)Q(VDOP VDOP预报第27页/共46页TDOP21tt)Q(TDOP TDOP预报第28页/共46页全部精度因子预报第29页/共46页全部精度因子预报第30页/共46页4.2 载波相位测量第31页/共46页 载波相位测量距离测量与GPS定位 载波相位测量itjtitijttR(c )2002, 黄劲松第32页/共46页载波相位测量

15、的关键技术重建载波 重建载波 将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。载波调制了电文之后变成了非连续的波伪距测量与载波相位测量距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波第33页/共46页载波相位测量的关键技术重建载波 码相关法 方法 将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。 技术要点 卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。 特点 限制：需要了解码的结构。 优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）卫星信号的生成接收机重建载波(c )2002, 黄劲松码相关法距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波第34页

16、/共46页载波相位测量的关键技术重建载波 平方法 方法 将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。 技术要点 卫星信号（弱）自乘。 特点 优点：无需了解码的结构 缺点：无法获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了30dB）平方法距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波第35页/共46页载波相位测量的关键技术重建载波 互相关（交叉相关） 方法 在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差 技术要点 不同频率的卫星信号（弱）进行相关。 特点 优点：无需了Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质

17、量较平方法好（信噪比降低了27dB）)()(12/, 12, 1, 2/, 12LLACLLYLYLACLLRRRR距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波第36页/共46页载波相位测量的关键技术重建载波 Z跟踪 方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相关处理。 在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进行相关。 特点 优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了14dB）距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的关键技术重建载波第37页/共46页载波测距itj

18、titijttR(c )2002, 黄劲松距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波测距第38页/共46页GPS载波相位测量的基本原理距离测量与GPS定位 载波相位测量 GPS载波相位测量的基本原理SR SR)SR( )tR( )tS接收机根据自身的钟在 时刻复制信号的相位tR接收机根据自身的钟在 时刻所接收到卫星在时刻所发送信号的相位tRtS tR tS理想情况实际情况第39页/共46页载波相位观测值 观测值 整周计数 整周未知数（整周模糊度）载波相位观测值)()()()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示为：以后的观测：首次观测： Int0NN0Fr0N0Int( )iFri

19、t0ti距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位观测值第40页/共46页载波相位测量的特点 优点 精度高，测距精度可达0.1mm量级 难点 整周未知数问题 整周跳变问题距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的特点第41页/共46页载波相位测量的观测方程tropiionttiiiitropiionttiiiVVcVcVNVVcVcVNSRSR)()()(原始形式：线性化后：tropiionttiiiiiiitropiionttiiiiiiiiVVcVcVNdZZzdYYydXXxVVcVcVNdZzZdYyYdXxXSRSR)()()()()()()()()()(00000000000000距离测量与GPS定位 载波相位测量 载波相位测量的观测方程第42页/共46页式计算可用伪距单点定位的方变化率，时刻测站至卫星距离的为得的距离中加改正数来计算卫星位置，在求便，仍用有一长串小数，使用不为信号传播理论时间为接收机钟的改正数面时刻为接收机接收信号的钟按下式计算）卫星的坐标，为卫星发射信号时刻（为卫星