六讲GPS卫星定位的基本原理1ppt课件.ppt
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1、GPS原理及应用,讲授:,测绘工程本科生课程,第六讲 GPS卫星定位基本原理(一),概述 伪距测量原理 载波相位测量原理,交会法确定点位,测角交会法 测边交会法,测角交会法,测边(距)交会法,两条边可确定P点坐标,无线电导航定位 卫星激光测距定位,无线电发射台或激光测距仪,无线电接收机或卫星,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。,GPS卫星定位的基本原理,观测方程,P点的三维坐标(X,Y,Z),依据测距的原理划分: 1)伪距法定位(测码) 2)载波相位测量定位(测相) 3)差分GPS定位 根据待定点的运动状态划分:
2、1)静态定位 2)动态定位,GPS卫星定位方法分类,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: - CA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定接收机天线所在点的三维坐标。,伪距法定位,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2030m); 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。,伪距测量的方法,卫星发出一个测距码,
3、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;,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),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;测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形;复制码在产生时。 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
4、,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。,伪距测量的原理,三种时间系统: 各颗GPS卫星的时间标准 各台GPS信号接收机的时间标准 统一上述时间标准的GPS时间系统,伪距测量的原理(续),伪噪声码从卫星到接收天线的传播时间:,伪噪声码从卫星到达接收天线的时元,伪噪声码在其卫星的发射时元,伪距测量的原理(续),dt 卫星时钟相对于GPS时间系统的时间偏差(可根据导航电文求得) dT 接收机时钟相对于GPS时间系统的时间偏差(接收机钟差),伪距测量的原理(续),卫星到接收天线的距离(包含电离层、对流层的误差):,卫星到接收天线的“伪距(pseudorange)”:,伪距测量的原理
5、(续),考虑电离层/对流层影响的伪距值:,C (dt dT ) 时钟偏差引起的距离偏差 dion电离层效应引起的距离偏差 dtrop对流层引起的距离偏差,伪距测量的原理(续), 是卫星在轨位置和用户位置的函数,即:, 第j 颗卫星在时元t 的三维坐标,可从导航电文中求得, 用户接收天线在时元t 的三维坐标,为待求的未知数,上式中有4个未知数(用户三维坐标和接收机的钟差dT )。这样在任何一个观测瞬间,用户至少需要同时观测4颗卫星,以便解算4个未知数。,伪距测量的基本方程(续),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。 (对C/A码而言精度3m左右,P码约为3
6、0cm),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。,重建载波,重建载波: 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,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。,载波相位测量原理,k 接收机在接收机钟面时刻
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