GPS概论第五章 GPS卫星定位基本原理ppt课件.ppt
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1、1,全球定位原理,资源与环境学院林承达,2,第五章 GPS卫星定位基本原理,GPS定位的方法与观测量利用测距码测定,3,GPS的基本定位原理,GPS的基本定位原理是:卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息,用户接收到这些信息后,经过计算求出接收机的三维位置,三维方向以及运动速度和时间信息。,4,GPS定位的方法,绝对定位(单点定位) 在地球协议坐标系中,确定观测站相对地球质心的位置(认为参考点与地球质心相重合)相对定位 在地球协议坐标系中,确定观测站与某一地面参考点之间的相对位置,按参考点的位置不同分类,5,GPS定位的方法,按接收机在作业中所处的状态,静态定位在定位的过程中,接收机的位置是
2、固定不动的。动态定位在定位的过程中天线处于运动状态,6,GPS观测量,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算得出的伪距差由干涉法测量得出的时间延迟。,7,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,?,8,码相位观测和载波相位测量,码相位观测:测量GPS卫星发射的测距码信号(C/A码或P码),到达用户接收天线的传播时间,因此这种方法,也称为时间延迟测量。载波相位测量:是测量接收机接收到的,具有多普勒频移的载波信号,与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。是目前最精确的观测方法。,9,5.2 伪距测量,双程测距用于电磁波测距仪单程测
3、距用于GPS,测距方法,10,为什么叫伪距,全球定位系统采用单程测距原理,必须使卫星钟和接收机钟保持严格同步。在实践中,不可避免的含有卫星钟和接收机钟非同步的影响,为了与几何距离相区别,把这种含有钟差影响的距离,通常称为“伪距”。为简述方便,码相位观测确定的距离,称为测码伪距;由载波相位观测的伪距,称为测相伪距。,11,测距码,C/A码(测距时有模糊度),P码,12,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,信号传播时间的测定,13,测距码测距原理,利用测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
4、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,14,伪距测量的特点,优点无模糊度缺点精度低,15,GPS测量的基本观测方程,16,测距码测距的观测方程,17,5.3 载波相位测量,载波相位测量,18,5.3 载波相位测量的基本原理,理想情况,实际情况,19,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,20,载波相位测量的观测方程,原始形式:,线性化后:,误差方程为:,21,载波相位测量的关键技术-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,5.
5、3 载波相位测量,22,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),码相关法,5.3 载波相位测量,23,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,5.3 载波相位测量,24,载波相位测量的关键技术-重建载
6、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,信号质量较平方法好(信噪比降低了27dB),5.3 载波相位测量,25,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),5.3 载波相位测量,
7、26,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,27,载波相位测量的主要问题,无法直接进行测量卫星载波信号在传播路线上相位变化的整周数,因存在整周不确定性的问题。GPS卫星测量受到阻挡、外界噪声的干扰,还可能产生整周跳变现象。,28,整周未知数的确定,常用方法:伪距法待定参数法三差法快速确定整周未知数法,29,5.4 GPS绝对定位与相对定位,定位模式绝对定位(单点定位)相对定位差分定位定位时接收机天线的运动状态静态定位天线相对于地固坐标系静止动态定位天线相对于地固坐标系运动获得定位结果的时效事后定位实时定位观测值类型伪距测量载波相位测量,GPS
8、测量定位方法分类,30,31,5.4 绝对定位(单点定位),定义单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法定位结果与所用星历同属一坐标系的绝对坐标采用广播星历时属WGS-84采用IGS International GPS Service精密星历时为ITRF International Terrestrial Reference Frames特点优点:一台接收机单独定位,观测简单,可瞬时定位缺点:精度主要受系统性偏差的影响,定位精度低应用领域低精度导航、资源普查、军事、.,32,5.4 GPS的绝对定位技术,绝对定位:利用GPS确定用户接收机天线在WGS-84中的绝对位置。基本原理
9、:是以GPS卫星和用户天线之间的距离(或距离差)观测量为基础,并根据已知卫星的瞬时坐标,来确定用户接收机天线所对应的点位。卫星钟差:可由导航电文给出。接收机钟差:不能确定。因此在一个观测站上,为了实时求解四个位置参数(3个点坐标分量和1个钟差参数),至少需要四个同步伪距观测值。,33,伪距单点定位的误差方程,对于卫星i,在某一个历元的误差方程为,34,单点定位有4个待定参数,因而至少需要同时观测4颗以上的卫星,才能同时确定出所有的待定参数。,伪距单点定位的误差方程,对在某历元同时观测的n颗卫星,其误差方程及位置解为,35,载波相位单点定位的误差方程,对于卫星i,误差方程为,36,载波相位单点定
10、位的误差方程,若在k个历元里每历元均观测了n颗相同的卫星,则误差方程,37,单点定位的误差源及应对方法,卫星星历精密星历卫星钟差精密钟差、地面跟踪电离层延迟双频改正对流层延迟模型改正,38,精密单点定位,精密单点定位PPP Precise Point Positioning特点主要观测值为载波相位采用精密的卫星轨道和钟数据采用复杂的模型定位精度亚分米级用途全球高精度测量卫星定轨,39,观测卫星的几何分布及其对绝对定位精度的影响,单点定位的精度取决于: 所测卫星在空间的几何分布,通常称为卫星分布的几何图形;观测量的精度绝对定位的精度评价 采用有关精度因子DOP(Dilution of Preci
11、sion).根据不同的要求,采用不同的精度评价模型和相应的精度因子。通常有: 平面位置精度因子HDOP(Horizontal DOP). 高程精度因子VDOP(Vertical DOP) 空间位置精度因子PDOP(Position DOP) 几何精度因子(Geometric DOP) 接收机钟差精度因子(Time DOP),40,41,5.5 相对定位,42,概述,定义确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法,称为相对定位。定位结果与所用星历同属一坐标系的基线向量(坐标差)及其精度信息采用广播星历时属WGS-84采用IGS International GPS Service精密星历时为I
12、TRF International Terrestrial Reference Frame基线向量中含有:2个方位基准(一个水平方法,一个垂直方位)和1个尺度基准,不含有位置基准,43,概述,特点优点:定位精度高缺点:多台接收共同作业,作业复杂数据处理复杂不能直接获取绝对坐标应用高精度测量定位及导航,相对定位,44,5.5 GPS相对定位的原理,目前绝对定位的精度可以达到米级,这一精度远远不能满足于大地测量精密定位的要求。相对定位的最基本原理:利用两台GPS接收机,分别安置在基线的两端,并同步观测相同的GPS卫星,以确定基线端点在协议地球坐标系中的相对位置或基线向量。,45,为什么要观测同样的
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