GPS卫星定位原理课件.ppt

1、第五章第五章 GPSGPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理 了解了解GPS测速原理和定时原理。测速原理和定时原理。理解主动式测距和被动式测距、伪距及理解主动式测距和被动式测距、伪距及测定与计算、动态定位的特点。测定与计算、动态定位的特点。掌握掌握GPS定位、静态定位、动态定位、定位、静态定位、动态定位、单点定位、相对定位等的基本概念和载波相单点定位、相对定位等的基本概念和载波相位测量方法。位测量方法。第一节第一节 GPS定位概述定位概述 第二节第二节 伪距法定位原理伪距法定位原理 第三节第三节 载波相位的测量原理载波相位的测量原理 第四节第四节 GPS动态定位原理动态定位原理 第一节第一节

2、 GPS GPS定位概述定位概述GPS的定位实质：的定位实质：把卫星视为把卫星视为“动态动态”的控制点，在已知其瞬的控制点，在已知其瞬时坐标的条件下，进行空间距离后方交会，时坐标的条件下，进行空间距离后方交会，确定用户接收机天线所处的位置。确定用户接收机天线所处的位置。GPS定位方法分类：定位方法分类：按接收机天线所处的状态不同按接收机天线所处的状态不同 （1）静态定位）静态定位 （2）动态定位）动态定位 按参考点位置的不同按参考点位置的不同 （1）单点定位）单点定位 （2）相对定位。）相对定位。一、静态定位与动态定位一、静态定位与动态定位可靠性强，定位精度可靠性强，定位精度高，在大地测量、工

3、高，在大地测量、工程测量中得到了广泛程测量中得到了广泛的应用，是精密定位的应用，是精密定位中的基本模式。中的基本模式。可测定一个动点可测定一个动点的实时位置、运的实时位置、运动载体的状态参动载体的状态参数。如速度、时数。如速度、时间和方位等。间和方位等。二、单点定位与相对定位二、单点定位与相对定位 确定同步跟踪相同的确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收卫星信号的若干台接收机之间的相对位置的一种定位方法。机之间的相对位置的一种定位方法。三、主动式测距与被动式测距三、主动式测距与被动式测距用电磁波测距仪发射测距信号，通过用电磁波测距仪发射测距信号，通过反射器反射回来，再由测距仪接收。反射器

4、反射回来，再由测距仪接收。根据测距信号的传播时间求解距离根据测距信号的传播时间求解距离只要求仪器钟自身能在信号往、返只要求仪器钟自身能在信号往、返时间段中保持稳定，不影响测距精度。时间段中保持稳定，不影响测距精度。用户须发射信号，因而难以隐蔽自己。用户须发射信号，因而难以隐蔽自己。对军事用户十分不利。对军事用户十分不利。发射站在规定时刻内准确发出信号，用发射站在规定时刻内准确发出信号，用户根据自己的时钟记录信号到达时间，户根据自己的时钟记录信号到达时间，根据时差根据时差t t 求解距离求解距离。用户无需发射信号，便于隐蔽自己；用户无需发射信号，便于隐蔽自己；所需装置也较简单，仅接收设备即可。所

5、需装置也较简单，仅接收设备即可。接收机钟和各卫星钟不能与接收机钟和各卫星钟不能与GPSGPS时间时间系统保持绝对同步，由此所引起的系统保持绝对同步，由此所引起的钟差对测距带来了影响。钟差对测距带来了影响。第二节第二节 伪距法定位伪距法定位一、测定伪距的方法一、测定伪距的方法二、伪距法定位的原理二、伪距法定位的原理三、伪距法定位的计算三、伪距法定位的计算 四、伪距定位法的应用四、伪距定位法的应用 一、测定伪距的方法一、测定伪距的方法一、测定伪距的方法一、测定伪距的方法，时间延迟，时间延迟等于等于卫星信号的传播时间。将卫星信号的传播时间。将乘以光乘以光速速c c，就可以求得卫星至接收机的，就可以求

6、得卫星至接收机的距离距离。一、测定伪距的方法一、测定伪距的方法自相关系数最大条件下求得的时延自相关系数最大条件下求得的时延和真空中光速和真空中光速c c的乘积含有误差，的乘积含有误差，这个乘积就称为这个乘积就称为以伪距作为基本观测量的定位方法以伪距作为基本观测量的定位方法t1)(tR1)(tRtttcmax)(tRtmax)(tR catabbTbTat1ctTabatVbTVataaVtbTbbVT)()(1baTtabVVc)(abiontroptropionabc)(baTttropionVcVcatVbTV21222)()()(ZzYyXxsssbTVbTViiibtatropioni

7、TsisisiVcVcZzYyXx)()()()()(21222itaVbTV202010)()(ttattaavat将观测时得到的伪距改正为卫星将观测时得到的伪距改正为卫星 至接收机之间的实际距离至接收机之间的实际距离。伪距伪距电离层折射改正电离层折射改正 对流层折射改正对流层折射改正 卫星的钟差卫星的钟差 接收机的钟差接收机的钟差abiontropttcvcvatvbtviontrop12222()()()xXyYzZ（x x、y y、z z）（X X、Y Y、Z Z）卫星坐标卫星坐标接收机坐标接收机坐标 实际应用中将接收机的钟差实际应用中将接收机的钟差v vtbtb也也视作未知数，建立数

8、学模型。视作未知数，建立数学模型。当方程式的个数大于当方程式的个数大于4 4时，可用最小时，可用最小二乘法求解（二乘法求解（X X，Y Y，Z Z）和）和v vtb的最的最或是值。或是值。12222()()()biiitxXyYzZcv()()aiiiionitroptcv三、伪距法定位的计算三、伪距法定位的计算由伪距表达式写出误差方程由伪距表达式写出误差方程uuuVA d XL根据最小二乘原理求解得根据最小二乘原理求解得 1()()uuuudXA AA L 给出测站坐标初始值，进行给出测站坐标初始值，进行迭代计算，可获得满意结果。迭代计算，可获得满意结果。Riri0iRriiRriiiii0

9、0baiTttropiioniiiVcVc)()(tropiioniii)()(iaiitSVcBbTVcBBBiSiiiSiiiiBrBR00iiiinml0ZYXRiSiSiSizyxrnnnnnnSSSrrrBZYXnmlnmlnml212121222111,0,0,00,1,1,1,1,iiiinmlr TSiiSiSiSiBzyxr,TuBZYXX,TnSSSS,21Tn,211,1,1,222111nnnunmlnmlnmlGnurrrA,0,00,00,0,21uAuGSAXGuuuuX1SAGGGXuTuuTuu0uXuGuAnunuXX1ijcmL191cmL242RSRS)

10、(RSS)(RS若在若在t t0 0 时刻接收机产生的基准信号时刻接收机产生的基准信号的相位是的相位是 ，接收机接收到的，接收机接收到的载波信号的相位是载波信号的相位是 ，若能测定，若能测定出二者相位之差出二者相位之差 ，则，则由载波波长由载波波长就可以求出该瞬间从就可以求出该瞬间从卫星至接收机的距离：卫星至接收机的距离：()R()S()()RS0()()()rRSNF)(kjkt)(kkt)()()(kjkkkkjkttt接收机时间 0时间 1初始整周未知数初始整周未知数相位观测值相位观测值整周计数0jN0jkjkjjkNttNt000000)()()()11(trrddcff00)()(0

11、0rrcfrrdtdtdrcfdtffniittttriiiiiiIntn)(0i)(kkt)(kjkt)(iInt)(Int)(Int)(Int0N)(00IntNNaat)(aStb)(aStbT)(bRTb0)()(NtTaSbRttfttt)()(faabtabbtaaTbbVVtVT)(00)()(NVfVfcfNVfVffababtTtropiontTabfc0NVcVcabtTtropion0Nab222)()()(ZZYYXXSSS),(SSSZYXababb)(bTbbTbbTbTbbVTVT)()()(0)(NfVfVVTcfabbtTtropionTbbTVatVaSSS

12、ZYX,ZYX,21222)()()(ZZYYXXSSSZYXvZZvYYvXX000212020200)()()(ZZYYXXSSS000,ZYXzyxvvv,000,ZYX2020200000000)()()(SSSZSYSXSZYXZZYYXXvZZvYYvXXvZvYvX00000000)(tropionTbtTZSYSXSbabvTcfNfVfVvZZcfvYYcfvXXcf上式更多地用于相对定位。由于作上式更多地用于相对定位。由于作为已知量的卫星位置，其误差远比为已知量的卫星位置，其误差远比相位观测值误差大，加之大气延迟相位观测值误差大，加之大气延迟改正的精度也难以与相位观测的精改

13、正的精度也难以与相位观测的精度匹配，所以在相对定位中常采用度匹配，所以在相对定位中常采用差分法解决这些问题。差分法解决这些问题。0N0N)(Int0N)(Intit)(Int0tit0tit)(Intskm/9.010101L91057542.11L5t21ff 和111111111Ncfcftftfcffba222222222Ncfcftftfcffba2fAf122122112211/fcfAcfANffNff0N)(Int0N0N0N0NiiInt)(0N0N0N0N0Ncm1020N0N0N0N0N0NrNrmN3rNmrN0NZYX,202010)()(ttattaatiiiitij

14、1t2t)(CBA)()()()()()()()(22221111ttttttttqjqipjpiqjqipjpi)()()()()()()()(22112211ttttttttqjqjqjpjqipiqipi)()()()()()()()(12121212ttttttttqjqjpjpjqiqipipi将观测值直接相减的过程将观测值直接相减的过程叫做求一次差。所获得的叫做求一次差。所获得的结果被当做虚拟观测值，结果被当做虚拟观测值，也叫做载波相位观测值的也叫做载波相位观测值的一次差或单差。一次差或单差。在接收机间求一次差在接收机间求一次差0)(NVfVfcfabtTtropionaSSSZY

15、X,babb)(bTbbTbbTbTbbVTVT)()()(0)(NVfVfVTcfabbtTtropionTb1tpitTpitroppiionpipiTipipiNVfVfVTcfpii)()()()(0pjtTpjtroppjionpjpjTjpjpjNVfVfVTcfpjj)()()()(0)()()()()()()()()()(00pipjTTpitroppjtroppiionpjionpipiTpipjpjTpjipijpjpipjNNVVfcfcfcfVVTcfTcfijijpipjpijpiionpjionpijion)()()(pitroppjtroppijtrop)()()

16、(ijijTTTVVVpipjpijNNN)()()(000)(pipiTpipjpjTpjpijijVVcflpijTpijtroppijionpijpipjpijNVfcfcflcfcfij)()()(0TiiiZYX),(TijijijZYX),(TijijijZYX),(000TZYXijijijVVV),(000000ijijijijijijZZZYYYXXXijijijijijijZjZijiijijYjYijiijijXjXijiijijVZVZZZZZVYVYYYYYVXVXXXXX000000pj0000000222)()()()()()()(pjZpjspjypjspjXp

17、jspjspjspjspjpjijijijVZZVYYVXXZZYYXX2020200)()()()(spjspjspjpjZZYYXX00000000)()()()()()()(pjpijtroppijionpijpipijTZpjspjypjspjXpjspjpijcfcfcflcfNfVVZZcfVYYcfVXXcfijijijijTijijijZYX),(TiiiZYX),(TjjjZYX),(Tsssdzdydxds),(sjjdsdcosjd)(2sin2sin2sin2)cos(cosijijijijijijdsdsdsddsin)(bijkmkmb25000,25sin001.

18、0sinbiontropijion)(ijtrop)(在接收机和卫星间求二次差在接收机和卫星间求二次差对载波相位观测值的一次对载波相位观测值的一次差分观测值继续求差，所差分观测值继续求差，所得的结果仍可作为虚拟观得的结果仍可作为虚拟观测值，叫做载波相位观测测值，叫做载波相位观测值的二次差或双差。值的二次差或双差。ijTVf 00000000)()()()()()()(qjqijtropqijionqijqiqijTZqjsqjyqjsqjXqjsqjqijcfcfcflcfNfVVZZcfVYYcfVXXcfijijijijpijqijpqijpijionqijionpqijion)()()(

19、pijtropqijtroppqijtrop)()()(pijqijpqijNNN)()()(000piqipqi00)()(pjqjpijqijpqijcfcflllpqijtroppqijionpqijpqipqijZpjSpjqjsqjypjSpjqjsqjXpjSpjqjsqjpqijcfcflcfNVZZZZcfVYYYYcfVXXXXcfijijij)()()()()()()()()(0000000000000ijTVijTfV 在接收机、卫星和观测历元间求三次差在接收机、卫星和观测历元间求三次差 对二次差继续求差称为对二次差继续求差称为求三次差。引入三差的求三次差。引入三差的目的

20、，主要是为了协助目的，主要是为了协助解决整周未知数的问题。解决整周未知数的问题。第四节第四节 GPS GPS 动态定位原理动态定位原理 一、动态定位的特点一、动态定位的特点二、单点动态定位二、单点动态定位三、伪距差分动态定位三、伪距差分动态定位四、四、GPSGPS测速测速五、五、GPSGPS定时定时一、动态定位的特点一、动态定位的特点（1 1）用户的广泛性）用户的广泛性（2 2）定位的实时性）定位的实时性（3 3）速度的多异性）速度的多异性在用户天线以每秒几米到几公里的在用户天线以每秒几米到几公里的速度相对于地球运动的情况下，需速度相对于地球运动的情况下，需要用要用GPSGPS信号测定它们的七

21、维状态信号测定它们的七维状态参数：三维坐标、三维速度、时参数：三维坐标、三维速度、时间。间。二、单点动态定位二、单点动态定位又叫绝对动态定位。为获得瞬时定位又叫绝对动态定位。为获得瞬时定位结果，必须至少同步观测结果，必须至少同步观测4 4颗卫星，颗卫星，以便获取以便获取4 4个同步伪距观测值，解得个同步伪距观测值，解得4 4个未知参数。单点定位的基本方程为个未知参数。单点定位的基本方程为 12222()()()iiiixXyYzZd三、伪距差分动态定位三、伪距差分动态定位在汽车和飞机上的差分动态定位在汽车和飞机上的差分动态定位实验表明，载波相位测量能高有实验表明，载波相位测量能高有效地用于动态

22、定位，并且已取得效地用于动态定位，并且已取得了厘米级的三维位置精度。了厘米级的三维位置精度。三、伪距差分动态定位三、伪距差分动态定位四、四、GPSGPS测速测速基于站星距离的测量，将动态用户基于站星距离的测量，将动态用户三维速度和接收机时钟偏差变化率三维速度和接收机时钟偏差变化率（时速）看作未知数。观测四颗在（时速）看作未知数。观测四颗在视视GPSGPS卫星，解得四个未知数。最卫星，解得四个未知数。最后求得运动载体的运动速度。后求得运动载体的运动速度。五、五、GPSGPS定时定时GPSGPS定时的实质：定时的实质：测定用户时钟相对测定用户时钟相对于于GPSGPS时间的偏差，时间的偏差，并根据卫

23、星电文给并根据卫星电文给出的有关参数，计出的有关参数，计算出世界协调时（算出世界协调时（UTCUTC）。）。=3456静态相对定位模式静态相对定位模式流动站流动站动态相对定位模式动态相对定位模式基准站基准站本章小结本章小结把卫星视为把卫星视为“动态动态”的控制点，在已的控制点，在已 知其瞬时坐标的条件下，以知其瞬时坐标的条件下，以GPSGPS卫卫星和用户接收机天线之间的距离星和用户接收机天线之间的距离（或距离差）为观测量，进行空间（或距离差）为观测量，进行空间距离后方交会，从而确定用户接收距离后方交会，从而确定用户接收机天线相位中心所处的位置。机天线相位中心所处的位置。本章小结本章小结卫星射电

24、干涉测量卫星射电干涉测量多普勒定位法多普勒定位法伪距定位法伪距定位法载波相位测量载波相位测量 本章小结本章小结在测定的卫星至接收机的距离中，在测定的卫星至接收机的距离中，不可避免地包含着两台钟不同步的不可避免地包含着两台钟不同步的误差和电离层、对流层延迟误差影误差和电离层、对流层延迟误差影响，它并不是卫星与接收机之间的响，它并不是卫星与接收机之间的实际距离，所以称之为伪距。实际距离，所以称之为伪距。在某一瞬间利用在某一瞬间利用GPSGPS接收机同时测定接收机同时测定至少四颗卫星的伪距，根据已知的卫至少四颗卫星的伪距，根据已知的卫星位置和伪距观测值，采用距离交会星位置和伪距观测值，采用距离交会法求出接收机的三维坐标和时钟改正法求出接收机的三维坐标和时钟改正数。数。本章小结本章小结本章小结本章小结接收机在某一时刻跟踪卫星信号，接收机在某一时刻跟踪卫星信号，并对恢复后的载波进行相位测量。并对恢复后的载波进行相位测量。本章小结本章小结 单差（消去卫星钟差参数单差（消去卫星钟差参数 ）双差（消去两接收机相对钟差改正）双差（消去两接收机相对钟差改正）三差（消去初始整周未知数项三差（消去初始整周未知数项 ）本章小结本章小结 用户的广泛性用户的广泛性定位的实时性定位的实时性速度的多异性速度的多异性