gps 卫星定位 基本原理

GPS 卫星定位基本原理一.概述GPS卫星定位基本原理: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。实际上是将卫星作为动态空间已知点，利用距离交会的原理确定接收机的三维位置。GPS定位的各种常用的观测量:1)L1载波相位观测值2)L2载波相位观测值3)调制在L1上的C/A-code伪距4)调制在L2上的P-code伪距5)Dopple观测值GPS定位的分类:1)按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。2)按接收机的运动状态，可分为动态定位、静态定位。在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位;在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位。二.伪距测量伪距定义:GPS接收机对测距码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对C/A码测得的伪距称为C/A码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。(一)伪距测量1.如何进行伪距测量伪距测量的其本方法:1)接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的;2)接收机本身按同一公式复制码信号;3)比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t;4)延迟时间乘以光速就是距离观测值D=C?t。(1)为什么要用码相关法来测定伪距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，实际上就是根据参加比对的n个码来共同确定传播时间。自相关系数最大就意味着从总体上讲这两组测距码已对得尽可能的齐了。在这种情况下测定的传播时间，从某种意义上讲就是用n个标志测定的信号传播时间的平均值。这样可以大幅度地消除各种随机误差的影响，从而大大提高测定精度。(2)自相关系数的测定方法测定自相关系数R(')的工作由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成。自相关系数R(')可以用下式来表示:其测量原理如图:(二)伪距定位观测方程伪距定位基本观测方程:考虑电离层、对流层、钟差影响有:卫星与接收机之间的几何距离为:式中:(X，Y，Z)为接收机坐标，(Xs，Ys，Zs)为卫星坐标。如果将接收机钟差也作为未知数，则连同接收机坐标共有四个未知数，则伪距定位的观测方程为:j为卫星数，j=1，2，3，三.载波相位测量定义:载波相位观测值:载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。整周模糊度:可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度。(一)载波相位测量原理载波信号量测精度优于波长的1/100，载波波长(L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长(C/A=293m)短得多，所以GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距(C/A码或P码)定位高得多的成果精度。(二)载波相位测量的观测方程载波相位基本观测方程:考虑电离层、对流层、钟差影响有:(三)整周跳变修复整周跳变:卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，或受无线电信号干扰造成失锁，计数器无法连续计数，当信号重新被跟踪后，使整周计数不正确，但不到一整周的相位观测值仍是正确的。这种现象称为周跳。整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种:1.屏幕扫描法此种方法是由作业人员在计算机屏幕前依次对每个站、每个时段、每个卫星的相位观测值变化率的图像进行逐段检查，观测其变化率是否连续。如果出现不规则的突然变化时，就说明在相应的相位观测中出现了整周跳变现象。然后用手工编辑的方法逐点、逐段修复。2.用高次差或多项式拟合法此种方法是根据有周跳现象的发生将会破坏载波相位测量的观测值Int()+随时间而有规律变化的特性来探测的。整周计数每秒钟可变化数千周，那么对于几十周的跳变就不易发现。但如果在相邻的两个观测值间依次求差而求得观测值的一次差的话，这些一次差的变化就要小得多。在一次差的基础上再求二次差，三次差、四次差、五次差时，其变化就小的更多了。此时就能发现有周跳现象的时段来。四次、五次差已趋近于零。由于振荡器的随机误差而给相邻的L1载波相位造成的影响为2.4周，所以用求差的方法一般难以探测出只有几周的小周跳。通常也采用曲线拟合的方法进行计算。根据几个相位测量观测值拟合一个n阶多项式，据此多项式来预估下一个观测值并与实测值比较，从而来发现周跳并修正整周计数。3.在卫星间求差法在GPS测量中，每一瞬间要对多颗卫星进行观测，因而在每颗卫星的载波相位测量观测值中，所受到的接收机振荡器的随机误差的影响是相同的。在卫星间求差后即可消除此项误差的影响。4.根据平差后的残差发现和修复整周跳变经过上述处理的观测值中还可能存在一些未被发现的小周跳。修复后的观测值中也可能引入1-2周的偏差。用这些观测值来进行平差计算，求得的各观测值的残差。由于载波相位测量的精度很高，因而这些残差的数值一般均很小。有周跳的观测值上则会出现很大的残差，据此可以发现和修复周跳。5.用双频观测值修复周跳采用双频载波相位观测值的组合，并考虑电离层折射改正有:由于组合后右边只剩下整周数之差和电离层折射的残差项，由于电离层折射的残差项很小，故可用来探测周跳。此法又称电离层残差法。(四)整周未知数N0的确定确定整周未知数N0是载波相位测量的一项重要工作。常用的方法有下列几种:1.伪距法伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值(化为以距离为单位)后即可得到N0。但由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的N0取平均值后才能获得正确的整波段数。2.将整周未知数当作平差中的待定参数-经典方法把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定有两种方法。(1)整数解整周未知数从理论上讲应该是一个整数，利用这一特性能提高解的精度。短基线定位时一般采用这种方法。具体步骤如下:首先根据卫星位置和修复了周跳后的相位观测值进行平差计算，求得基线向量和整周未知数。由于各种误差的影响，解得的整周未知数往往不是一个整数，称为实数解。然后将其固定为整数(通常采用四舍五入法)，并重新进行平差计算。在计算中整周未知数采用整周值并视为已知数，以求得基线向量的最后值。(2)实数解当基线较长时，误差的相关性将降低，许多误差消除得不够完善。所以无论是基线向量还是整周未知数，均无法估计得很准确。在这种情况下再将未知数固定为某一整数往往无实际意义，所以通常将实数解作为最后解。采用经典方法解算整周未知数时，为了能正确求得这些参数，往往需要一个小时甚至更长的观测时间，从而影响了作业效率，所以只有在高精度定位领域中才应用。3.多普勒法(三差法)由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含有相同的整周未知数No，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就将该未知参数消去，从而直接解出坐标参数。这就是多普勒法。但两个历元之间的载波相位观测值之差受到此期间接收机钟及卫星钟的随机误差的影响，所以精度不太好，往往用来解算未知参数的初始值。三差法可以消除许多误差，所以使用较广泛。4.快速确定整周未知数法1990年E.Frei和G.Beutler提出了利用快速模糊度(即整周未知数)解算法进行快速定位的方法。采用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟便能成功地确定整周未知数。四.GPS绝对定位与相对定位定义:根据定位的模式GPS定位可分为:绝对定位绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。相对定位相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。(一)静态绝对定位1.伪距观测方程的线性化将任一个历元的卫星j至测站k的伪距观测方程展开成台劳级数取一次项即可。2.伪距法绝对定位的解算对任一历元同步观测的四颗卫星j=1,2,3,4,令=，则方程组形式如下:静态定位多个历元的方程组成了一个大的方程组，还是按最小二乘法求解即可，不过要注意接收机钟差随时间的变化如何处理。3.用载波相位观测值进行静态绝对定位应用载波相位观测值进行静态绝对定位需加入电离层、对流层改正，探测出周跳并修复，并且固定整周未知数，解算的结果高于伪距绝对定位。4.绝对定位精度评定利用GPS进行绝对定位或单点定位时，定位精度主要取决于:一)、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);二)、观测量精度。1)绝对定位精度的评价其中元素表达了全部解的精度及其相关性信息，是评价定位结果的依据。上述权系数阵一般是在空间直角坐标系中给出的，而实际为了估算观测站的位置精度，常采用其在大地坐标系中的表达式。假设在大地坐标系中的相应点坐标的权系数阵为:(二)静态相对定位静态相对定位:接收机安置在基线端点的接收机固定不动，通过连续观测，取得充分的多余观测数据，改善定位精度。五.美国的GPS政策(一)美国的SA和AS政策GPS系统的实时导航定位精度很高，美国在1992年起实行了所谓的SA技术，即降低广播星历中卫星位置的精度，降低星钟改正数的精度，对卫星基准频率加上高频的抖动(使伪距和相位的量测精度降低)，后又实行了AS政策，即将P码改变为Y码，即对精密伪距测量进一步限制，而美国军方和特许用户不受这些政策的影响。2000年5月1日，白宫宣布从午夜开始中止对GPS公众服务信号降低精度(SA政策)的措施。民用GPS精度将会提高10倍以上。(二)针对SA和AS政策的对策1)应用P-W技术和L1与L2交叉相关技术，使L2载波相位观测值得到恢复，其精度与使用P码相同。2)研制能同时接受GPS和GLONASS信号的接收机。3)发展DGPS和WADGPS差分GPS系统。4)建立独立的GPS卫星测轨系统。5)建立独立的卫星导航与定位系统。六.差分GPS定位原理差分GPS可分为:单站GPS的差分、局部区域GPS差分、广域差分。5.6.1单站GPS的差分根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即:位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。1.位置差分原理这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在一个差值。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。位置差分法适用于