4 GPS测距定位基本原理.ppt

GPS测距定位基本原理 GPS定位的基本原理和过程 GPS定位依据的是空间几何三点定位原理。 为了消除时差引入的误差，GPS系统技术上采取四星定位。 定位除依据星座的几何构图外，还必须有准确的定时。 GPS卫星导航系统的定位精度取决于卫星和用户间的几何结构、卫星星历精度、GPS系统时同步精度、测距精度和机内噪声等诸因素的组合。 GPS系统的定位步骤： 跟踪、选择卫星、接收选定卫星的信号。 解读、解算出卫星位置。 测量得到卫星和用户之间的相对位置。 解算得到用户的最可信赖位置。 三个未知量需要三个方程 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 GPS系统的实质（关键），是要得到用户（载体）的高精度的瞬时位置。若根据前面在概论中所描述的几何模型，定位过程就是： 首先，根据卫星广播的星历，计算出第i颗卫星的准确位置xi，yi，zi； 其次，根据测量的码伪距或相位的伪距，计算出用户与第i颗卫星之间的相对距离 ； 最后，根据导航方法计算出用户的三维位置x，y，z。 测距方法 伪距测量（伪码测距）：测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间。 载波相位测量：测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考信号之间的相位差。 多普勒测量：由积分多普勒计数得出的伪距。 所需观测时间较长，一般数小时，同时观测过程中，要求接收机的震荡器保持高度稳定。 确定时间的必要性 至少有两个原因用户需要知道精确的时间： 用户通过测量卫星信号的延迟来确定与卫星之间的距离。 卫星、用户以及它们所在的坐标系（固定在地球上）都是运动的。它们的位置都需要时间来确定。 绝对定位 将接收机安置在固定点上观测数分钟或更长时间，以确定该点三维坐标。 在一个待定点上，利用GPS接收机观测4颗以上的GPS卫星，独立确定待定点在地固坐标系的位置（目前为WGPS－84坐标系），称之为绝对定位。 绝对定位的优点 只需用一台接收机独立定位，观测的组织与实施简便，数据处理简单。 主要问题 受卫星星历误差和卫星信号在传播过程中的大气延迟误差的影响显著 定位精度较低。 相对定位： 将两台或更多台接收机置于不同点上，通过一段时间的观测确定点间的相对位置关系。 在两个或若干个测量站上，设置GPS接收机，同步跟踪观测相同的GPS卫星，测定它们之间的相对位置，称为相对定位。 在相对定位中，至少其中一点或几个点的位置是已知的，即其在WGS－84坐标系的坐标为已知，称之为基准点。 相对定位是高精度定位的基本方法 广泛应用于高精度大地控制网、精密工程测量、地球动力学、地震监测网和导弹和火箭等外弹道测量方面。 动态、静态定位的区别 过去动态、静态定位的区别 动态定位 基本上就是指GPS导航，所采用的技术是P码或C/A码的伪码距测量定位。 相位测量由于存在整周模糊问题，不能用于动态测量定位。 静态定位 被测点固定，实时性不高，因而可以采取大量的重复观测，基本上采用载波相位测量定位技术 少数对精度要求不高的情况下才使用伪码测量定位方式。 近几年情况变化： GPS动态用户越来越多，精度要求也越来越高。 C/A码定位精度不能满足广大用户的要求，人们积极研究高精度的动态定位技术。 近年来国际上模糊度快速解算技术取得突破性进展，从而使载波相位测量定位技术在动态定位中得到迅速发展和应用。 所以动态和静态定位不再能简单的从使用相位或伪码测量技术上区分。 近来基本区分方法 静态： 接收机天线在测量期间静止不动。 测量的参数在测量期间是不随时间变化的。 目的是测量点位的坐标。 动态： 接收机天线在测量期间是运动的。 测量的参数在测量期间是随时间变化的，所以测量期间同时要定时。 目的是测量载体的运动轨道，要确定其七维坐标参数（三维空间坐标、三维速度、时间）。 动态定位的特点与分类 用户广泛 陆地运动载体 水上运动载体 空中运动载体。 运动速度差异大。 低速：几米~几十米/秒 中速：几十米~1000米/秒 高速：大于1000米/秒 采样时间短 用于运载火箭或飞船定位时每次采样时间为0.3秒左右。 动态实时性强 例如为导弹导航，为火箭定轨。 精度要求差别大 为船类导航，精度几十米即可。 为飞机进场导航，精度1~2米即可。 为导弹测轨，精度要求约在0.1米。 动态定位和静态定位的差异 由于静态定位可以多次重复观测，可以采取事后处理，对随机误差进行平差处理，这些办法动态定位无法采取，所以定位精度更高。 动态定位的独特优点是实时性好。 测距方法 双程测距 用于电磁波测距仪 单程测距 用于GPS 测距码 测距码测距原理① 距离测定的基本思路 信号（测距码）传播时间的测定 测距码测距原理② 利用测距码测距的必要条件 必