第六章载波相位测量定位.ppt

第6章 GPS载波相位测量定位v6.1 GPS观测量及其测量v6.2 GPS载波相位测量的单点定位问题v6.3 GPS载波相位测量的DGPS模型v6.4 GPS载波相位测量与伪距测量的组合解算v6.5 GPS载波相位测量的姿态测定应用6.1 GPS观测量及其测量如果忽略某些附加滞后相位，GPS信号接收机所接 收到的GPS信号可表述为——分别为1575042MHz载波L1和1227.60MHz载波L2的振幅；——GPS信号从第j颗GPS卫星到达GPS接收天线的传播时间，它正比于站星瞬时距离；——第j颗GPS卫星的P码；——第j颗GPS卫星的C/A码；——第j颗GPS卫星的D码,亦即卫星导航电文；——第一载波L1的角频率；——第二载波L2的角频率；——第j颗GPS卫星载波L1的初相；——第j颗GPS卫星载波L2的初相；——第j颗GPS卫星载波L1的多普勒角频率；——第j颗GPS卫星载波L2的多普勒角频率；多普勒频移测量fs——GPS卫星发射的载波频率（简称为发射载频）； fR——到达GPS信号接收天线的GPS卫星的载波频率（简称为接 收载频）； Vs——GPS卫星的切向（顺轨）速度； C——GPS信号传播速度； α——用户至GPS卫星的矢径与其切向速矢的夹角。

考虑到 ，以及则故知多普勒频移为式中：fG——GPS信号接收机所产生的载波频率；fR——GPS信号接收机所接收到的载波频率考虑到 ，多普勒计数可以改写为为了提高多普勒频移的测量精度，一般不是直接测量某一时 元的多普勒频移，而是测量在某一时间间隔（t1,t2）内的多 普勒频移之积累数值，称之为多普勒计数（Cd），亦即式中： ——GPS信号接收机所接收到的载波相位；——GPS信号接收机所产生的载波相位波数和整周跳变载波相位测量值，是基准载波相位和被测载波相位 之差式中： ——第j颗GPS卫星在时元ts发射的载 波相位；——GPS信号接收机在时元tR所产生的 基准载波相位6.1.7）将发射时元表述为接收时元的函数，亦即式中： ——第j颗GPS卫星在时元ts发射的载波信 号，而于时元tR到达GPS信号接收天线所经过的距离， 即站星距离；C——GPS信号的传播速度6.1.8）考虑到式（6.1.8），则式（6.1.7）可写作为式（6.1.10）中的 是第j颗GPS卫星的载波频率(f)， 考虑到 和式（6.1.10），则依式（6.1.9） 可知，以周为单位的载波相位测量值是从GPS卫星至用户的距离可知，△t≈0.067s；故有式（6.1.11）是归化为GPS信号接收机时系的载波相位测量值 。

6.1.9）（6.1.10）（6.1.11）实际上，GPS测量数据处理，均采用GPS时间系统而 归化到GPS时系的载波相位测量值为式中：Nj ——第j颗GPS卫星发射载波至GPS信号接收机的滞 后相位波数，亦称之为整周模糊度或整周待定值；dt ——第j颗GPS卫星时钟相对于GPS时系的偏差；dT ——GPS信号接收机时钟相对于GPS时系的偏差；△TR ——站星距离变率的时间间隔；ρj（tS，tG）——站星距离变化率6.1.12）GPS动态载波相位测量NjNjGPS卫 星Sj(t0)GPS卫 星Sj(t)在时元t0的载 波相位测量值在时元t的多普 勒计数在时元t的载波 相位测量值波数解算之例时元/s伪距/mN11/周载波相位测量 观测值/周 20237022441825.779121000000-2885127.526 20237122441597.023121000000-2886331.453 20237222441371.704121000000-2887517.367若考虑到波长λ=C/f，由式（6.1.12）可知，以米为 单位而在时元t测得的载波相位是式中： ——多普勒计数，且知此处，C(t)R是在时元t的计数器读数，C(t0)为在初始时元t0的计数器读数；——电离层效应在时元t的距离偏差系数；f ——GPS信号的载波频率。

6.1.13）式（6.1.13）中的波数Nj，是基于下述实事而成立的： 从初始时元t0到观测时元t，计数器始终处于连续不断的计数 状态，以致在[t t0]时域内多普勒计数是连续的，以此确保观 测时元t的波数等于初始时元t0的波数；亦即在[t0 t]时域内只 有一个波数Nj但是，用于测量载波滞后相位的锁相环路，在强干扰信 号的作用下，它的稳定平衡状态受到了破坏，以致环路鉴相 器的工作点跳过2π，甚至若干个2π随着干扰信号减弱到 阈值一下，致使锁相环路趋向新的稳定平衡状态，而恢复正 常的测相作业跳越2π的数目，既取决于干扰信号的强度， 又取决于干扰信号的持续时间GPS信号接收机锁相环路稳 定平衡状态的破坏，导致了多普勒计数的记录中断，这种丢 失多普勒计数的现象，叫做整周跳变（cycle slip），简称为 周跳6.2 GPS载波相位测量的单点定位问题GPS载波相位测量的观测方程（不考虑电离层效 应等引起的距离偏差）：（6.2.1）对（6.2.1）进行线性化，则有式中：（6.2.2）用户在时元t的三维位置为若按GPS伪距测量的单点定位方法，也观测4颗GPS卫星 ，依式（6.2.2）可得如下观测矩阵：式中：依式（6.2.2）用户位置的改正值为（1）在GPS载波相位测量单点定位的情况下，同样观测4颗 GPS卫星，却要解求8个未知数，因此，不能够仅仅依靠观 测4颗GPS卫星的载波相位，来解算出用户位置； （2）每增加观测一颗GPS卫星的载波相位，又要增加一个新 的未知数（波数N），因此，也不能够用增加观测GPS卫星 数的方法，来解算出用户位置； （3）在GPS卫星的一次通过中，如果GPS信号接收机能够始 终保持不中断多普勒计数，亦即，不发生周跳，而能够保持 波数Nj固定不变化，则用多时元的GPS载波相位测量值，能 够解算出用户位置。

在GPS动态载波相位测量时，一般进行“ 初始化测量”，亦即，在动态用户航行之前， 需要进行20min左右的静态测量，而精确地解 算出波数Nj当动态用户航行后，将该解算 出的波数视为已知值，而可按观测4颗GPS卫 星的方法，解算出动态用户在每一个时元的 实时位置6.3 GPS载波相位测量的DGPS模型假定两台GPS信号接收机，分别安设在两个不同的 测站R和K上，而于两个不同的时元t1和t2，各观测 了两颗GPS卫星（j和n，实际上至少要观测4颗 GPS卫星），则可测得下列8个L1载波相位观测值4个单差分测量值站际单差分测量示意图 测站之间进行求差解算RK依据上列8个L1载波相位测量观测值，可以求得如 下所述的单差分测量值单差法，是两台分别安设在两个测站上的GPS信 号接收机（K，R），于同一时元对同一颗GPS卫 星的载波相位测量进行求差在两台接收机之间进行载波相位测量求差解 算，简称为“站际单差”在两颗GPS卫星之间进行载波相位测量求差 解算，称之为“星际单差”站际单差的优点：消除了星钟误差和星历误 差两个双差分测量值双差分测量示意图 测站和卫星之间进行求差解算RKn双差法，是两台分别安设在两个测站上的GPS信号接收 机（K，R），于同一时元对两颗不同的GPS卫星的载波相 位测量进行求差，亦即，双差法，是同一时元的两个单差测 量值之差。

优点：除了消除了星钟误差和星历误差以外，还消除了 两台GPS信号接收机的收钟误差因此，双差法能够显著地 提高GPS卫星导航定位精度，而被广泛应用之一个三差分测量值三差分测量示意图 测站、卫星和时元之间进行求差解算RKn三差法，是两台分别安设在两个测站上的GPS信号接收 机（K，R），于不同的时元（t1，t2）对两颗不同的GPS卫 星（j，n）的载波相位测量进行求差，亦即，三差法，是不 同时元、不同卫星的两个双差测量值之差优点：不仅消除了星钟误差、星历误差和GPS信号接收机钟 差，而且消除了波数（整周模糊度）DGPS测量的优越性方法求差方式优点单差法同时元同卫星的站际求差消除了星钟误差和星历误 差双差法同时元不同卫星之间的站际求差；即同 一时元不同卫星之间的两个单差之差消除了星钟误差、星历误 差和接收机钟差三差法不同时元和不同卫星之间的站际求差； 即不同时元和不同卫星之间的两个双差 之差消除了星钟误差、星历误 差、接收机钟差和整周模 糊度GPS载波相位测量的三差法，还可用于周跳的修除若在观测GPS卫星j和n时，对GPS卫星j作载波相位测量时，测站K上发 生了周跳（CS），而获得了如表6.3.2所示的载波相位测量观测值。

仅以 这组载波相位测量观测值就可以求的如表6.3.3所示的单差、双差和三差 等三种差分测量值表6.3.2 两颗卫星（j，n）的载波相位测量观测值 名 称GPS卫星jGPS卫星n GPS信号接收机RGPS信号接收机KGPS信号接收机RGPS信号接收机K 载 波 相 位 测 量 的 观 测 值表6.3.3 单差、双差和三差差分测量值单差测量值双差测量值三差测量值在求差解算时，一般选用一颗高度角较大的GPS卫星作为 求差的参考卫星，进而用其他3颗以上GPS卫星的载波相位测量 观测值，与参考卫星的载波相位测量观测值进行求差，而获得 所需要的差分测量值不管是GPS静态定位，还是GPS动态测量，载波相位测量观测值的 求差解算，均能够获得较高的导航定位精度GPS动态定位的解 算方法动态定位精度条件二维位置(DRMS)高程(RMS)载波相位测量平滑 宽区相关C/A码伪距 (mC/A=1m)1~3m1~3m1.用单基准站和单频 接收机； 2.GPS动态用户在 航实时解算； 3.采用PDOP ≤3； 4.DGPS改正数的更 新率≤10s载波相位测量平滑 窄区相关C/A码伪距 (mC/A≈0.5m)0.5~1m0.5~1m载波相位测量波数 固定解≤10cm≤10cm载波相位测量波数 浮动解≤50cm≤50cm表6.3.4 DGPS动态定位精度着陆，是飞机安全飞行的关口阶段，它包括起始进场 、下滑和拉平3个过程。

每一个过程要求不同的二维位置/垂 直精度根据国际民用航空组织（ICAO）于1998年8月对 GNSS用于进近着陆的建议标准为：（1）Ⅰ类精密进近的二维位置/垂直精度是16.0m/4.0m；（2）Ⅱ类精密进近的二维位置/垂直精度是6.5m/1.7m；（3）Ⅲ类精密进近的二维位置/垂直精度是3.9m/0.8m；航空导航/定位的要求精度航空类型精度 (2DRMS)预警时间/s有效性/%可达高度/m海洋在途23km3099.9778400~12200国内在途1000m1099.977150~18300近场在途500m1099.977150~5500非精密进近着 陆100m1099.97775~900Ⅰ类精密进近 着陆17.1m(水平) 4.1m(垂直)699.99930~900Ⅱ类精密进近 着陆17.1m(水平) 4.1m(垂直)299.99915~900Ⅲ类精密进近 着陆17.1m(水平) 4.1m(垂直)299.9990~9006.4 GPS载波相位测量与伪距测量的 组合解算GPS载波相位测量的简易方程若暂且忽略一些附加时延，仅考虑电离层效 应对站星距离的测量影响，以及载波的相速传播 特性，则知第j颗GPS卫星载波相位测量的距离方 程为式中：Φi——以周为单位的第i个载波的滞后相位观测值（此处，i=1，2）Ni——第i个载波的整周模糊度（波数）；λi——第i个载波的波长，且知λ1 =19cm，λ2=24cm；ρ——以米为单位的站星真实距离；A——电离层效应引起的距离偏差系数；fi——第i个载波的频率。

6.4.1）若 ，则式（6.4.1）为若令则有（6.4.2）（6.4.3）宽巷载波相位测量方程式将式（6.4.3）的两式。