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第四章 GPS定位原理 赵晶 同济大学海洋与地球科学学院 2009.4.1 GPS信号的构成示意图 GPS定位的基本原理 GPS定位的各种常用观测量 L1载波相位观测值； L2载波相位观测值； 调制在L1上的C/A码伪距； 调制在L1上的P码伪距； 调制在L2上的P码伪距； L1上的多普勒频移； L2上的多普勒频移； GPS定位方法分类 观测值类型 测距码伪距测量定位 载波相位伪距测量定位 定位的模式 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－天线相对于地球坐标系静止 动态定位－天线相对于地球坐标系运动 定位结果获取时间 实时定位 非实时定位 一、 GPS 伪距测量定位 伪距观测值的计算 由此提出1个问题： 如何计算某一瞬间卫星到接收机的距离? 方法：测距码伪距测量、载波相位伪距测量 测距码伪距测量基本原理 基本思想：利用测距码的自相关性——卫星发射的测距码信号经过?t秒传播后到达接收机时，接收机立即产生一个结构相同的复制码序列，通过延时器调整复制码延迟时间，使两组码序列自相关系数达到最大值，则复制码与测距码基本对齐，此时的延迟时间即等于?t......(P68) 伪距观测值：?=C??t 测距码伪距测量基本原理 伪距：测距码信号传播时间乘以光速，信号传播受卫星钟、接收机钟误差影响及电离层、对流层折射延迟影响，实际测得距离与几何距离有偏差。 接收机钟差：未知数 定位未知参数：三个点位坐标分量＋钟差参数 重写定位方程 测距码伪距观测方程的推导 思路 符号说明 考虑的因素 关键点：时间差的精确表达 测距码伪距观测方程的线性化 思路 理论方程与模型抽象：泰勒展开及取一次项 考虑的因素 公式表达及物理意义 载波相位伪距测量基本原理 为什么利用载波进行测距？ 测距码存在的问题——码宽较大，精度偏低 载波相位伪距测量基本原理 载波相位伪距测量基本原理 任意时刻ti，一个完整的载波相位观测量为： 载波相位伪距观测方程的推导 思路 符号说明 考虑的因素 公式与测距码伪距观测方程的比较 关键点：时间差的精确表达和整周未知数的确定 载波相位伪距观测方程的线性化 思路 理论方程与模型抽象：时间函数的泰勒展开及取一次项 考虑的因素 公式表达及物理意义 测距码测量与载波相位测量比较 测距码测量： 优点 无整周未知数 缺点 精度低 载波相位测量： 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 上节回顾 GPS绝对定位的基本原理(实质) 测距码伪距观测方程的推导 测距码伪距观测方程的线性化表达 载波相位伪距观测方程的推导 载波相位伪距观测方程的线性化表达及两个观测方程的比较 静态绝对定位原理 伪距观测方程的表达及解算要求 电离层和对流层误差 公式的变化与组合 解题思路与意义 动态绝对定位原理 动态绝对定位的概念 面临的问题：天线位置的变化等 精度 测距码伪距公式的修正 解题思路与意义 载波相位伪距定位原理 基本方法 出现的问题 解决办法 绝对定位的优点 定位方程表达 从定位方程表达看优点 绝对定位的缺点 定位方程表达 从定位方程表达看缺点：误差种类与应对方法 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 卫星几何分布精度因子 DOP(Dilution of Precision) 与单点定位时所观测卫星的数量与分布有关，表示的是定位的几何条件。 PDOP – Position Dilution of Precision TDOP – Time Dilution of Precision GDOP – Geometry Dilution of Precision HDOP – Horizontal Dilution of Precision VDOP – Vertical Dilution of Precision 绝对定位精度评定 GPS绝对定位的定位精度主要取决于： 卫星空间分布几何图形 观测量精度——精度因子与所观测卫星的空间分布有关 绝对定位误差与精度因子的大小成正比，应选择精度因子最小的一组卫星进行观测； GPS授时 单站单机法：一台GPS接收机，在一个坐标已知的观测站上观测卫星，确定用户时钟相对GPS标准时间的偏差。 共视法：坐标已知的两个测站上各设一台GPS接收机，同步观测同一卫星来测定两用户时钟的相对偏差，从而达到高精度时间对比的目的。 从方程中可以消除或者减小的因素 两种方法的比较...... 这就是相对定位的启示！测量误差较强的相关性 6. GPS相对定位 相对与绝对的概念：比较是人类的天性 相对定位：必定有两个或两个以上测站(接收机)，或者卫星，或者两个以上的时间历元参与，才能进行比较，所以又叫差分定位