GPS定位測速原理課件

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GPS定位、測速原理控制理論與制導(dǎo)技術(shù)研究中心22

GPS定位、測速原理控制理論與制導(dǎo)技術(shù)研究中心衛(wèi)星導(dǎo)航電文的解調(diào)調(diào)制是在衛(wèi)星上發(fā)生的進(jìn)行解調(diào)的位置：接收機(jī)獲得導(dǎo)航電文的目的：獲得觀測到的衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)中的位置、速度；捕獲GPS導(dǎo)航信號過程中會得到：接收機(jī)與衛(wèi)星之間的信號傳播時間、信號的多普勒頻移。粗捕獲過程：載波頻率與碼相位搜索精細(xì)調(diào)節(jié)偽隨機(jī)信號跟蹤和載波跟蹤從中解調(diào)出導(dǎo)航電文根據(jù)C/A碼導(dǎo)航電文的內(nèi)容，輔助捕獲P碼衛(wèi)星導(dǎo)航電文的解調(diào)調(diào)制是在衛(wèi)星上發(fā)生的粗搜索粗搜索偽隨機(jī)信號跟蹤環(huán)路方塊圖偽隨機(jī)信號跟蹤環(huán)路方塊圖載波跟蹤方塊圖載波跟蹤方塊圖接收機(jī)能夠以較高的頻率計算出衛(wèi)星的位置。為了給用戶定位，接收機(jī)還需要能夠以同樣高的頻率測量與衛(wèi)星之間的距離。接收機(jī)只能每30s才收齊一幀導(dǎo)航電文。接收機(jī)不是使用導(dǎo)航電文測距的嗎？如何才能高頻率的測出衛(wèi)星與接收機(jī)的距離？接收機(jī)能夠以較高的頻率計算出衛(wèi)星的位置。獲得導(dǎo)航電文同時可得信號離開衛(wèi)星時衛(wèi)星鐘讀數(shù)與信號到達(dá)接收機(jī)時接收機(jī)時鐘讀數(shù)之差。信號離開衛(wèi)星時的相位與衛(wèi)星鐘對齊，但衛(wèi)星鐘有誤差。信號離開衛(wèi)星時的真實時間（GPS系統(tǒng)時）為，對應(yīng)衛(wèi)星鐘讀數(shù)為接收機(jī)產(chǎn)生的本地碼相位受接收機(jī)時鐘控制，接收機(jī)時鐘有誤差。信號到達(dá)接收機(jī)的GPS系統(tǒng)時為，對應(yīng)接收機(jī)時鐘讀數(shù)為測到的碼相位之差對應(yīng)的時間包含衛(wèi)星鐘誤差和接收機(jī)時鐘誤差。測量無需等到每幀導(dǎo)航電文全發(fā)完進(jìn)行。偽距不是真正的衛(wèi)星與接收機(jī)間的距離，假貨！偽距與真實距離之間有什么關(guān)系？獲得導(dǎo)航電文同時可得信號離開衛(wèi)星時衛(wèi)星鐘讀數(shù)與信號到達(dá)接收機(jī)利用偽距確定位置衛(wèi)星與接收機(jī)間的幾何距離偽距已知，可以在偽距中被補(bǔ)償?shù)?。為方便起見，將簡記為。對第i顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測，可得利用偽距確定位置衛(wèi)星與接收機(jī)間的幾何距離同時觀測4顆衛(wèi)星，求解位置為了確定用戶位置、、以及用戶時鐘差，需要對至少4顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測同時觀測4顆衛(wèi)星，求解位置為了確定用戶位置、、解法：1）求解析解，太復(fù)雜。2）基于線性化迭代。3）卡爾曼濾波法將以上方程在用戶位置估計點（），估計時間附近作線性化（泰勒展開）

解法：1）求解析解，太復(fù)雜。2）基于線性化迭代。3）卡爾曼濾令泰勒展開式改寫為令接收機(jī)到衛(wèi)星視線的單位矢量令可迭代進(jìn)行計算，直到增量足夠小H與星座的幾何布局有關(guān)。偽距測量誤差計算的定位誤差偽距測量誤差計算的定位誤差觀測衛(wèi)星數(shù)多于4顆時觀測n顆衛(wèi)星，觀測方程有n個H為n×4矩陣觀測衛(wèi)星數(shù)多于4顆時觀測n顆衛(wèi)星，觀測方程有n個H為n×4矩觀測衛(wèi)星數(shù)多于4顆時存在最小二乘解誤差傳遞方程（*）當(dāng)n=4時，方程退化為為具有代表性，今后以（*）式討論觀測衛(wèi)星數(shù)多于4顆時存在最小二乘解如何衡量測距誤差對定位誤差的影響？用戶測距誤差具有隨機(jī)性，可認(rèn)為對不同衛(wèi)星的觀測誤差是0均值、獨立同分布的。以用戶測距誤差的協(xié)方差來衡量誤差大?。河捎脩魷y距誤差造成的用戶定位誤差也具有隨機(jī)性，同樣以其協(xié)方差來衡量大?。浩渲?，為4×4方陣如何衡量測距誤差對定位誤差的影響？用戶測距誤差具有隨機(jī)性，可用精度衰減因子DOP(dilutionofprecision)來衡量誤差傳遞情況精度衰減因子幾何精度因子用精度衰減因子DOP(dilutionofprecisi位置精度因子時間精度因子位置精度因子時間精度因子WGS-84到當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換x’y'z'1.繞Z軸旋轉(zhuǎn)WGS-842.繞東向旋轉(zhuǎn)WGS-84到當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換x’y'z'1.繞Z軸旋令令垂直精度因子水平精度因子垂直精度因子水平精度因子DOP與星座形狀有關(guān)

較小的DOP較大的DOPDOP與星座形狀有關(guān)DOP與星座形狀有關(guān)4顆衛(wèi)星時與衛(wèi)星用戶矢量端點組成的多面體體積有關(guān)體積最大時，DOP最小DOP與星座形狀有關(guān)4顆衛(wèi)星時與衛(wèi)星用戶矢量端點組成的多面體求解用戶的速度GPS不用位置差分方法求速度！

接收機(jī)接收到的頻率

衛(wèi)星發(fā)射信號頻率

衛(wèi)星與用戶相對運動速度矢量

沿用戶指向衛(wèi)星的直線的方向矢量

光速為衛(wèi)星的運動速度為用戶的速度

參考系－地固坐標(biāo)系是的量測值

GPS通過估計多普勒頻移進(jìn)行速度測量。具體對于第j顆衛(wèi)星定義時鐘漂移求解用戶的速度GPS不用位置差分方法求速度！接收機(jī)接收方程左側(cè)變量都是已知量，記為方程右側(cè)，可近似認(rèn)為令得速度求解DOP也是速度測量的精度因子方程左側(cè)變量都是已知量，記為方程右側(cè)，可近似認(rèn)為令速度求解所處環(huán)境對接收機(jī)的影響信號的遮蔽接收機(jī)周圍的山體、建筑、樹林水層射頻干擾類型典型干擾源寬帶—高斯故意的噪聲干擾機(jī)寬帶相位/頻率調(diào)制電視發(fā)射機(jī)諧波、頻段接近的微波鏈路發(fā)射機(jī)寬帶—擴(kuò)頻故意的擴(kuò)頻干擾機(jī)或偽衛(wèi)星附近寬帶—脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)窄帶相位/頻率調(diào)制調(diào)幅電臺發(fā)射機(jī)或商業(yè)廣播發(fā)射機(jī)的諧波窄帶—掃頻連續(xù)波故意的連續(xù)波干擾機(jī)或調(diào)頻電臺的諧波所處環(huán)境對接收機(jī)的影響信號的遮蔽類型典型干擾源寬帶—高斯故GPS的抗干擾能力比較脆弱GPS系統(tǒng)功率較低；其信號強(qiáng)度只有電視接收機(jī)天線接受到的信號的10億分之一；僅相當(dāng)于人的肉眼在能見度較好的條件下觀看1萬公里以外一只25瓦普通燈泡的亮光。干擾裝置易于制造美軍空軍曾經(jīng)成立了一支代號“太空侵略者中隊”的小組，專門尋找衛(wèi)星通訊和導(dǎo)航系統(tǒng)的弱點。結(jié)果，充當(dāng)“敵人”的兩位工程師，通過互聯(lián)網(wǎng)下載的資料和購自家庭用品店的配件，成功制造了一臺干擾裝置。如果將該裝置裝上貨車，就成為一臺干擾衛(wèi)星天線或軍方超高頻接收器的“有效流動干擾安置”。俄羅斯推出了一種便攜式全球定位系統(tǒng)干擾機(jī)，該干擾機(jī)能對美國現(xiàn)有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的兩個頻段（1227兆赫和1575兆赫）實施有效的干擾，其干擾距離可達(dá)數(shù)百公里，而且體積小，重量輕，價格相當(dāng)，便于大量裝備使用。GPS的抗干擾能力比較脆弱試驗表明：一臺1瓦的干擾機(jī)可以使以它為中心、半徑22公里范圍內(nèi)的民用GPS接收機(jī)無法正常工作，一臺100瓦的干擾機(jī)可以使以它為中心、半徑1000公里范圍內(nèi)的民用GPS接收機(jī)難以有效捕捉和跟蹤GPS信號。試驗表明：一臺1瓦的干擾機(jī)可以使以它為中心、半徑22公里范圍不考慮以上因素的影響，我們可以從以下幾方面估計GPS定位誤差。不考慮以上因素的影響，我們可以從以下幾方面估計GPS定位誤差誤差源、測量精度及用戶位置精度和時間精度的估計概述GPS解誤差＝精度因子×偽距測量誤差誤差源：衛(wèi)星鐘誤差相對論影響衛(wèi)星軌道誤差大氣效應(yīng)：對流層、電離層多路徑誤差接收機(jī)噪聲與分辨率選擇可用性誤差（已取消）誤差源、測量精度及用戶位置精度和時間精度的估計概述衛(wèi)星時鐘誤差及補(bǔ)償為補(bǔ)償相對論效應(yīng)，衛(wèi)星發(fā)射前已經(jīng)把時鐘頻率調(diào)整到10.22999999545MHz，海平面用戶所觀測到的頻率為10.23MHz。衛(wèi)星上裝有原子鐘，但仍有偏差、漂移存在，另外，相對論效應(yīng)也會影響時鐘。此部分誤差可以通過模型進(jìn)行補(bǔ)償。：時鐘偏移(s)：時鐘漂移(s/s)：頻率漂移(s/s2)：時鐘數(shù)據(jù)基準(zhǔn)時間(s)

：衛(wèi)星軌道偏心率：衛(wèi)星軌道半長軸的平方根：衛(wèi)星軌道偏近點角以上各項皆可由導(dǎo)航電文獲得：當(dāng)前時間（s）：相對論修正（s）

衛(wèi)星時鐘誤差及補(bǔ)償為補(bǔ)償相對論效應(yīng)，衛(wèi)星發(fā)射前已經(jīng)把時鐘頻率衛(wèi)星星歷的最佳估計值是計算出來的，并上行加載給衛(wèi)星，再通過導(dǎo)航電文廣播給用戶。分為徑向、切向、法向誤差。徑向誤差直接影響偽距誤差。衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷的最佳估計值是計算出來的，并上行加載給衛(wèi)星，再通過導(dǎo)2000年5月1日0時起已經(jīng)取消，

此項誤差不計選擇可用性(SA)選擇可用性(SA)電離層延遲電離層位于地球表面以上約70km~1000km之間的大氣層區(qū)域影響：使偽距測量增長，使載波相位測量超前特點：a.對電波的影響與電波頻率有關(guān)(可利用)b.與衛(wèi)星仰角有關(guān)：夜間垂直，誤差3m，白天15m，低仰角（0~10deg）白天可達(dá)45m雙頻接收機(jī)可有效地消除電離層延時單頻接收機(jī)利用導(dǎo)航電文中的參數(shù)，通過模型可作部分補(bǔ)償。大氣層效應(yīng)（1）電離層延遲大氣層效應(yīng)（1）雙頻接收機(jī)補(bǔ)償電離層影響電離層對偽距測量的延時誤差K與衛(wèi)星仰角和電離層垂直方向電子密度有關(guān)求出K即可確定出修正量雙頻接收機(jī)補(bǔ)償電離層影響電離層對偽距測量的延時誤差單頻接收機(jī)利用模型修正電離層影響電離層延時其中傾斜因子SF，垂直方向電離層延遲TRE為衛(wèi)星仰角，R0為地球平均半徑，h為高度，DC=5×10-9sФ=50400s,A與Tp可由導(dǎo)航電文中的相關(guān)參數(shù)計算單頻接收機(jī)利用模型修正電離層影響電離層延時對流層延遲對流層延遲引起的測距誤差沿路徑積分。n為折射率，與當(dāng)?shù)販囟取毫?、相對濕度有關(guān)。如不補(bǔ)償，衛(wèi)星在天頂，用戶在海平面，則誤差約2.4m。衛(wèi)星仰角5o，則誤差25m左右。

,nd:干分量。nw:濕分量其中，干燥空氣引起的分量占約90%，可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測。潮濕空氣引起的分量很難預(yù)測，目前仍在研究中。

霍普菲爾德經(jīng)驗公式沿天頂方向，對流層延遲干分量

P:氣壓其它方向干分量大氣層效應(yīng)（2）對流層延遲大氣層效應(yīng)（2）成因：信號通過地面、周圍物體（車輛、建筑物、山脈等）反射后到達(dá)接收機(jī)影響：接收機(jī)測量中的主要誤差源之一：載波相位影響5cm，對偽距測量影響10-20m。使PRN碼、導(dǎo)航電文失真載波相位畸變嚴(yán)重可導(dǎo)致信號失鎖解決方案：天線場地：高于反射體、周圍有吸波材料、空曠合理選擇天線高度天線類型：如choke-ring天線（航海與陸地測量可用），可有效衰減水平、負(fù)向入射信號

截止角：選星仰角大于5o，一般7度左右o當(dāng)信號直射與多路徑之差超過10m，可用算法加以抑制多路徑誤差成因：信號通過地面、周圍物體（車輛、建筑物、山脈等）反射后到幾種常見地面的反射情況水面：無損耗全部反射（最強(qiáng)），反射系數(shù)1水泥地面、鹽堿地帶反射強(qiáng)（僅次于水面）稻田：反射系數(shù)0.8野地：反射系數(shù)0.6森林：反射系數(shù)0.3幾種常見地面的反射情況水面：無損耗全部反射（最強(qiáng)），反射系數(shù)與接收機(jī)元件、跟蹤環(huán)路帶寬、載體動態(tài)、信噪比有關(guān)一般C/A碼接收機(jī)1.5m(1σ)，P碼接收機(jī)20cm(1σ)接收機(jī)噪聲與接收機(jī)元件、跟蹤環(huán)路帶寬、載體動態(tài)、信噪比有關(guān)接收機(jī)噪聲定位誤差估計主要指標(biāo)定位誤差估計主要指標(biāo)GPS差分技術(shù)控制理論與制導(dǎo)技術(shù)研究中心GPS差分技術(shù)控制理論與制導(dǎo)技術(shù)研究中心差分GPS主要內(nèi)容差分GPS應(yīng)用背景偽距差分廣域差分GPS簡介以載波為基礎(chǔ)的技術(shù)差分GPS主要內(nèi)容背景2000年5月1日以前，SA政策致使民用精度下降到100m，難以滿足要求即使SA關(guān)閉，民用定位精度仍只有14m左右，難以滿足某些特定民用行業(yè)需求

精密進(jìn)場/著陸要求（國際民航組織規(guī)定）車輛自動駕駛：3~5m精細(xì)農(nóng)業(yè)：約1m背景2000年5月1日以前，SA政策致使民用精度下降到100差分技術(shù)的主要分支(1)基于碼測距的技術(shù)：坐標(biāo)差分法：這是一種最簡單的差分方法局限性：基準(zhǔn)站和用戶必須觀測同一組衛(wèi)星。定位精度不穩(wěn)定。基本淘汰。偽距差分法局限性：修正效果與基線長短有關(guān)短基線時可消除衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差和大部分電離層、對流層誤差。應(yīng)用最廣。廣域差分法差分技術(shù)的主要分支(1)基于碼測距的技術(shù)：差分技術(shù)的主要分支(2)基于載波的技術(shù)

載波相位差分（實時動態(tài)/RTK）：利用載波相位觀測量輔助定位、測姿。應(yīng)用熱門、研究活躍、重點。

差分技術(shù)的主要分支(2)基于載波的技術(shù)偽距差分技術(shù)（1）基準(zhǔn)站m位置（xm,ym,zm）已知

實際使用的基準(zhǔn)站校正算法比較復(fù)雜，但更為精確。tm時刻完成測量，基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的真實距離可求tm時刻基準(zhǔn)站對第i顆衛(wèi)星做出偽距測量基準(zhǔn)站形成偽距差分校正值

考慮時效問題，基準(zhǔn)站除了播發(fā)衛(wèi)星ID、tm、偽距校正值還播發(fā)偽距變化率校正值偽距差分技術(shù)（1）基準(zhǔn)站m位置（xm,ym,zm）已知實偽距差分技術(shù)（2）用戶在t時刻完成觀測，生成偽距校正量用戶對偽距值進(jìn)行校正得到校正后偽距觀測值同時觀測4顆衛(wèi)星，求出位置偽距差分技術(shù)（2）用戶在t時刻完成觀測，生成偽距校正量用戶對偽距差分的實質(zhì)計算的偽距校正值是直接在WGS-84坐標(biāo)上進(jìn)行的，無需做坐標(biāo)變換，因此精度很高。表面上看，可以直接獲得用戶在WGS-84坐標(biāo)中的絕對位置。實質(zhì)上其位置是通過基站廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得到的。其修正是消除基站與用戶在偽距測量中的公共誤差。提供偽距校正值和偽距校正值變化率校正值，使用戶可以在未得到改正數(shù)的間隙內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行精密定位?；鶞?zhǔn)站提供所有觀測到衛(wèi)星的改正數(shù)，用戶可以接收任意4顆或多顆組成星座進(jìn)行定位，不必與基準(zhǔn)站所用星座相同。因此，用戶采用具有差分功能的簡易接收機(jī)即可。偽距差分可以消除基準(zhǔn)站與接收機(jī)的公共誤差（星歷、SA、大氣等）。對多路徑誤差無效。同時引入與基準(zhǔn)站有關(guān)的誤差，比較而言，帶來的精度提高是主要的。偽距差分的實質(zhì)計算的偽距校正值是直接在WGS-84坐標(biāo)上進(jìn)行偽距差分的局限性基線長度對精度有決定性影響隨著基線長度的增加，基準(zhǔn)站與用戶的偽距誤差相關(guān)性越來越弱，其修正效果也越來越差?；€長度30km時，由電離層造成的偽距誤差之差達(dá)2.7m，對流層的影響為2m?；€長度150km時，由電離層造成的偽距誤差之差達(dá)5.3m。偽距差分的局限性基線長度對精度有決定性影響使用偽距差分技術(shù)所需設(shè)備基準(zhǔn)站接收機(jī)數(shù)傳電臺具有差分功能的接收機(jī)獨立的差分信號接收設(shè)備,占用獨立的通信頻道。配置簡單，絕大部分微型差分網(wǎng)均采用。使用偽距差分技術(shù)所需設(shè)備基準(zhǔn)站差分GPS基站差分GPS基站差分GPS用戶設(shè)備差分GPS用戶設(shè)備差分技術(shù)的應(yīng)用偽距差分技術(shù)主要用于微型差分網(wǎng)和局域網(wǎng)（基于載波的差分方法在這兩種網(wǎng)中也有應(yīng)用）。GPS用戶通常使用微型差分網(wǎng)的方式來進(jìn)行監(jiān)控定位，它由1個基準(zhǔn)站和若干個移動站組成，一般作用距離50km左右，不超過100km。使用該方式工作，配置靈活，投資較少，實時相對定位精度從米（偽距差分）到厘米（載波相位差分）級，事后處理的相對精度甚至可達(dá)毫米級，進(jìn)行實時差分時，數(shù)據(jù)通訊通常采用單頻點的數(shù)傳電臺。差分技術(shù)的應(yīng)用偽距差分技術(shù)主要用于微型差分網(wǎng)和局域網(wǎng)（基于載局域差分局域差分（LADGPS）是在局部區(qū)域內(nèi)布設(shè)一個GPS差分網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)由若干個差分GPS基準(zhǔn)站組成，通常還包含至少1個監(jiān)控站。處于該局域內(nèi)的用戶可根據(jù)多個基準(zhǔn)站提供的改正信息，經(jīng)平差后求得自己的改正數(shù)。它的作用距離一般在200~300km內(nèi)。

局域差分局域差分（LADGPS）是在局部區(qū)域內(nèi)布設(shè)一個GPS廣域差分(WADGPS)簡介在一個廣闊區(qū)域內(nèi)，建立由若干監(jiān)測站與一個主控站構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。每一個監(jiān)測站對其視野內(nèi)全部衛(wèi)星進(jìn)行觀測，得到偽距測量改正數(shù)，并傳遞給主控站。主控站接收監(jiān)測站數(shù)據(jù)，加以組合，并將各衛(wèi)星偽距測量誤差按誤差源分解。將電離層、對流層改正參數(shù)及衛(wèi)星星歷誤差估計等改正數(shù)播發(fā)給用戶。用戶根據(jù)接收到的改正數(shù)對誤差進(jìn)行修正。它的作用距離一般在1000km以上，廣域網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)當(dāng)屬于國家投資行為。廣域差分(WADGPS)簡介在一個廣闊區(qū)域內(nèi)，建立由若干監(jiān)測廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）主要工作方式是將主控站所計算得到的廣域差分改正信息，通過地球同步衛(wèi)星(該同步衛(wèi)星以GPS的L1頻率為載波)將上述差分改正信息當(dāng)作GPS導(dǎo)航電文轉(zhuǎn)發(fā)給用戶站，由于數(shù)據(jù)傳輸鏈所采用的載波頻率和GPS衛(wèi)星的信號一致，因此用戶GPS接收機(jī)可以直接接收到WAAS中的差分改正信息而無需外加同步衛(wèi)星信號接收裝置。實時傳輸能力強(qiáng)，而且可以覆蓋很大的區(qū)域，從而較好地解決了主控站與播發(fā)站，播發(fā)站與用戶站間的數(shù)據(jù)傳輸問題。

廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）主要工作方式是將主控站所計算得到的廣廣域增強(qiáng)系統(tǒng)的特點廣域增強(qiáng)系統(tǒng)建成后，除向用戶提供導(dǎo)航定位信息外，還能給用戶提供定位系統(tǒng)的完整性和可靠性信息，從而可確保用戶使用導(dǎo)航定位的安全可靠，這點對飛行導(dǎo)航尤其重要，另外，數(shù)據(jù)處理中心站存儲的大量數(shù)據(jù)還可為GPS氣象學(xué)、地球形變監(jiān)測、高精度的GPS控制網(wǎng)的建立等應(yīng)用提供大量寶貴的原始資料。廣域增強(qiáng)系統(tǒng)的特點廣域增強(qiáng)系統(tǒng)建成后，除向用戶提供導(dǎo)航定位信廣域增強(qiáng)系統(tǒng)示意圖廣域增強(qiáng)系統(tǒng)示意圖偽距差分能夠達(dá)到的定位誤差一般為m級，前面多次提到定位誤差達(dá)到厘米、毫米級的應(yīng)用。如何做到？基于載波的差分技術(shù)偽距差分能夠達(dá)到的定位誤差一般為m級，前面多次提到定位誤差達(dá)GPS定位測速原理課件6022

GPS定位、測速原理控制理論與制導(dǎo)技術(shù)研究中心22

GPS定位、測速原理控制理論與制導(dǎo)技術(shù)研究中心衛(wèi)星導(dǎo)航電文的解調(diào)調(diào)制是在衛(wèi)星上發(fā)生的進(jìn)行解調(diào)的位置：接收機(jī)獲得導(dǎo)航電文的目的：獲得觀測到的衛(wèi)星在WGS-84坐標(biāo)中的位置、速度；捕獲GPS導(dǎo)航信號過程中會得到：接收機(jī)與衛(wèi)星之間的信號傳播時間、信號的多普勒頻移。粗捕獲過程：載波頻率與碼相位搜索精細(xì)調(diào)節(jié)偽隨機(jī)信號跟蹤和載波跟蹤從中解調(diào)出導(dǎo)航電文根據(jù)C/A碼導(dǎo)航電文的內(nèi)容，輔助捕獲P碼衛(wèi)星導(dǎo)航電文的解調(diào)調(diào)制是在衛(wèi)星上發(fā)生的粗搜索粗搜索偽隨機(jī)信號跟蹤環(huán)路方塊圖偽隨機(jī)信號跟蹤環(huán)路方塊圖載波跟蹤方塊圖載波跟蹤方塊圖接收機(jī)能夠以較高的頻率計算出衛(wèi)星的位置。為了給用戶定位，接收機(jī)還需要能夠以同樣高的頻率測量與衛(wèi)星之間的距離。接收機(jī)只能每30s才收齊一幀導(dǎo)航電文。接收機(jī)不是使用導(dǎo)航電文測距的嗎？如何才能高頻率的測出衛(wèi)星與接收機(jī)的距離？接收機(jī)能夠以較高的頻率計算出衛(wèi)星的位置。獲得導(dǎo)航電文同時可得信號離開衛(wèi)星時衛(wèi)星鐘讀數(shù)與信號到達(dá)接收機(jī)時接收機(jī)時鐘讀數(shù)之差。信號離開衛(wèi)星時的相位與衛(wèi)星鐘對齊，但衛(wèi)星鐘有誤差。信號離開衛(wèi)星時的真實時間（GPS系統(tǒng)時）為，對應(yīng)衛(wèi)星鐘讀數(shù)為接收機(jī)產(chǎn)生的本地碼相位受接收機(jī)時鐘控制，接收機(jī)時鐘有誤差。信號到達(dá)接收機(jī)的GPS系統(tǒng)時為，對應(yīng)接收機(jī)時鐘讀數(shù)為測到的碼相位之差對應(yīng)的時間包含衛(wèi)星鐘誤差和接收機(jī)時鐘誤差。測量無需等到每幀導(dǎo)航電文全發(fā)完進(jìn)行。偽距不是真正的衛(wèi)星與接收機(jī)間的距離，假貨！偽距與真實距離之間有什么關(guān)系？獲得導(dǎo)航電文同時可得信號離開衛(wèi)星時衛(wèi)星鐘讀數(shù)與信號到達(dá)接收機(jī)利用偽距確定位置衛(wèi)星與接收機(jī)間的幾何距離偽距已知，可以在偽距中被補(bǔ)償?shù)?。為方便起見，將簡記為。對第i顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測，可得利用偽距確定位置衛(wèi)星與接收機(jī)間的幾何距離同時觀測4顆衛(wèi)星，求解位置為了確定用戶位置、、以及用戶時鐘差，需要對至少4顆衛(wèi)星進(jìn)行觀測同時觀測4顆衛(wèi)星，求解位置為了確定用戶位置、、解法：1）求解析解，太復(fù)雜。2）基于線性化迭代。3）卡爾曼濾波法將以上方程在用戶位置估計點（），估計時間附近作線性化（泰勒展開）

解法：1）求解析解，太復(fù)雜。2）基于線性化迭代。3）卡爾曼濾令泰勒展開式改寫為令接收機(jī)到衛(wèi)星視線的單位矢量令可迭代進(jìn)行計算，直到增量足夠小H與星座的幾何布局有關(guān)。偽距測量誤差計算的定位誤差偽距測量誤差計算的定位誤差觀測衛(wèi)星數(shù)多于4顆時觀測n顆衛(wèi)星，觀測方程有n個H為n×4矩陣觀測衛(wèi)星數(shù)多于4顆時觀測n顆衛(wèi)星，觀測方程有n個H為n×4矩觀測衛(wèi)星數(shù)多于4顆時存在最小二乘解誤差傳遞方程（*）當(dāng)n=4時，方程退化為為具有代表性，今后以（*）式討論觀測衛(wèi)星數(shù)多于4顆時存在最小二乘解如何衡量測距誤差對定位誤差的影響？用戶測距誤差具有隨機(jī)性，可認(rèn)為對不同衛(wèi)星的觀測誤差是0均值、獨立同分布的。以用戶測距誤差的協(xié)方差來衡量誤差大小：由用戶測距誤差造成的用戶定位誤差也具有隨機(jī)性，同樣以其協(xié)方差來衡量大?。浩渲?，為4×4方陣如何衡量測距誤差對定位誤差的影響？用戶測距誤差具有隨機(jī)性，可用精度衰減因子DOP(dilutionofprecision)來衡量誤差傳遞情況精度衰減因子幾何精度因子用精度衰減因子DOP(dilutionofprecisi位置精度因子時間精度因子位置精度因子時間精度因子WGS-84到當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換x’y'z'1.繞Z軸旋轉(zhuǎn)WGS-842.繞東向旋轉(zhuǎn)WGS-84到當(dāng)?shù)氐乩碜鴺?biāo)系的轉(zhuǎn)換x’y'z'1.繞Z軸旋令令垂直精度因子水平精度因子垂直精度因子水平精度因子DOP與星座形狀有關(guān)

較小的DOP較大的DOPDOP與星座形狀有關(guān)DOP與星座形狀有關(guān)4顆衛(wèi)星時與衛(wèi)星用戶矢量端點組成的多面體體積有關(guān)體積最大時，DOP最小DOP與星座形狀有關(guān)4顆衛(wèi)星時與衛(wèi)星用戶矢量端點組成的多面體求解用戶的速度GPS不用位置差分方法求速度！

接收機(jī)接收到的頻率

衛(wèi)星發(fā)射信號頻率

衛(wèi)星與用戶相對運動速度矢量

沿用戶指向衛(wèi)星的直線的方向矢量

光速為衛(wèi)星的運動速度為用戶的速度

參考系－地固坐標(biāo)系是的量測值

GPS通過估計多普勒頻移進(jìn)行速度測量。具體對于第j顆衛(wèi)星定義時鐘漂移求解用戶的速度GPS不用位置差分方法求速度！接收機(jī)接收方程左側(cè)變量都是已知量，記為方程右側(cè)，可近似認(rèn)為令得速度求解DOP也是速度測量的精度因子方程左側(cè)變量都是已知量，記為方程右側(cè)，可近似認(rèn)為令速度求解所處環(huán)境對接收機(jī)的影響信號的遮蔽接收機(jī)周圍的山體、建筑、樹林水層射頻干擾類型典型干擾源寬帶—高斯故意的噪聲干擾機(jī)寬帶相位/頻率調(diào)制電視發(fā)射機(jī)諧波、頻段接近的微波鏈路發(fā)射機(jī)寬帶—擴(kuò)頻故意的擴(kuò)頻干擾機(jī)或偽衛(wèi)星附近寬帶—脈沖雷達(dá)發(fā)射機(jī)窄帶相位/頻率調(diào)制調(diào)幅電臺發(fā)射機(jī)或商業(yè)廣播發(fā)射機(jī)的諧波窄帶—掃頻連續(xù)波故意的連續(xù)波干擾機(jī)或調(diào)頻電臺的諧波所處環(huán)境對接收機(jī)的影響信號的遮蔽類型典型干擾源寬帶—高斯故GPS的抗干擾能力比較脆弱GPS系統(tǒng)功率較低；其信號強(qiáng)度只有電視接收機(jī)天線接受到的信號的10億分之一；僅相當(dāng)于人的肉眼在能見度較好的條件下觀看1萬公里以外一只25瓦普通燈泡的亮光。干擾裝置易于制造美軍空軍曾經(jīng)成立了一支代號“太空侵略者中隊”的小組，專門尋找衛(wèi)星通訊和導(dǎo)航系統(tǒng)的弱點。結(jié)果，充當(dāng)“敵人”的兩位工程師，通過互聯(lián)網(wǎng)下載的資料和購自家庭用品店的配件，成功制造了一臺干擾裝置。如果將該裝置裝上貨車，就成為一臺干擾衛(wèi)星天線或軍方超高頻接收器的“有效流動干擾安置”。俄羅斯推出了一種便攜式全球定位系統(tǒng)干擾機(jī)，該干擾機(jī)能對美國現(xiàn)有全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的兩個頻段（1227兆赫和1575兆赫）實施有效的干擾，其干擾距離可達(dá)數(shù)百公里，而且體積小，重量輕，價格相當(dāng)，便于大量裝備使用。GPS的抗干擾能力比較脆弱試驗表明：一臺1瓦的干擾機(jī)可以使以它為中心、半徑22公里范圍內(nèi)的民用GPS接收機(jī)無法正常工作，一臺100瓦的干擾機(jī)可以使以它為中心、半徑1000公里范圍內(nèi)的民用GPS接收機(jī)難以有效捕捉和跟蹤GPS信號。試驗表明：一臺1瓦的干擾機(jī)可以使以它為中心、半徑22公里范圍不考慮以上因素的影響，我們可以從以下幾方面估計GPS定位誤差。不考慮以上因素的影響，我們可以從以下幾方面估計GPS定位誤差誤差源、測量精度及用戶位置精度和時間精度的估計概述GPS解誤差＝精度因子×偽距測量誤差誤差源：衛(wèi)星鐘誤差相對論影響衛(wèi)星軌道誤差大氣效應(yīng)：對流層、電離層多路徑誤差接收機(jī)噪聲與分辨率選擇可用性誤差（已取消）誤差源、測量精度及用戶位置精度和時間精度的估計概述衛(wèi)星時鐘誤差及補(bǔ)償為補(bǔ)償相對論效應(yīng)，衛(wèi)星發(fā)射前已經(jīng)把時鐘頻率調(diào)整到10.22999999545MHz，海平面用戶所觀測到的頻率為10.23MHz。衛(wèi)星上裝有原子鐘，但仍有偏差、漂移存在，另外，相對論效應(yīng)也會影響時鐘。此部分誤差可以通過模型進(jìn)行補(bǔ)償。：時鐘偏移(s)：時鐘漂移(s/s)：頻率漂移(s/s2)：時鐘數(shù)據(jù)基準(zhǔn)時間(s)

：衛(wèi)星軌道偏心率：衛(wèi)星軌道半長軸的平方根：衛(wèi)星軌道偏近點角以上各項皆可由導(dǎo)航電文獲得：當(dāng)前時間（s）：相對論修正（s）

衛(wèi)星時鐘誤差及補(bǔ)償為補(bǔ)償相對論效應(yīng)，衛(wèi)星發(fā)射前已經(jīng)把時鐘頻率衛(wèi)星星歷的最佳估計值是計算出來的，并上行加載給衛(wèi)星，再通過導(dǎo)航電文廣播給用戶。分為徑向、切向、法向誤差。徑向誤差直接影響偽距誤差。衛(wèi)星星歷誤差衛(wèi)星星歷的最佳估計值是計算出來的，并上行加載給衛(wèi)星，再通過導(dǎo)2000年5月1日0時起已經(jīng)取消，

此項誤差不計選擇可用性(SA)選擇可用性(SA)電離層延遲電離層位于地球表面以上約70km~1000km之間的大氣層區(qū)域影響：使偽距測量增長，使載波相位測量超前特點：a.對電波的影響與電波頻率有關(guān)(可利用)b.與衛(wèi)星仰角有關(guān)：夜間垂直，誤差3m，白天15m，低仰角（0~10deg）白天可達(dá)45m雙頻接收機(jī)可有效地消除電離層延時單頻接收機(jī)利用導(dǎo)航電文中的參數(shù)，通過模型可作部分補(bǔ)償。大氣層效應(yīng)（1）電離層延遲大氣層效應(yīng)（1）雙頻接收機(jī)補(bǔ)償電離層影響電離層對偽距測量的延時誤差K與衛(wèi)星仰角和電離層垂直方向電子密度有關(guān)求出K即可確定出修正量雙頻接收機(jī)補(bǔ)償電離層影響電離層對偽距測量的延時誤差單頻接收機(jī)利用模型修正電離層影響電離層延時其中傾斜因子SF，垂直方向電離層延遲TRE為衛(wèi)星仰角，R0為地球平均半徑，h為高度，DC=5×10-9sФ=50400s,A與Tp可由導(dǎo)航電文中的相關(guān)參數(shù)計算單頻接收機(jī)利用模型修正電離層影響電離層延時對流層延遲對流層延遲引起的測距誤差沿路徑積分。n為折射率，與當(dāng)?shù)販囟?、壓力、相對濕度有關(guān)。如不補(bǔ)償，衛(wèi)星在天頂，用戶在海平面，則誤差約2.4m。衛(wèi)星仰角5o，則誤差25m左右。

,nd:干分量。nw:濕分量其中，干燥空氣引起的分量占約90%，可以比較準(zhǔn)確的預(yù)測。潮濕空氣引起的分量很難預(yù)測，目前仍在研究中。

霍普菲爾德經(jīng)驗公式沿天頂方向，對流層延遲干分量

P:氣壓其它方向干分量大氣層效應(yīng)（2）對流層延遲大氣層效應(yīng)（2）成因：信號通過地面、周圍物體（車輛、建筑物、山脈等）反射后到達(dá)接收機(jī)影響：接收機(jī)測量中的主要誤差源之一：載波相位影響5cm，對偽距測量影響10-20m。使PRN碼、導(dǎo)航電文失真載波相位畸變嚴(yán)重可導(dǎo)致信號失鎖解決方案：天線場地：高于反射體、周圍有吸波材料、空曠合理選擇天線高度天線類型：如choke-ring天線（航海與陸地測量可用），可有效衰減水平、負(fù)向入射信號

截止角：選星仰角大于5o，一般7度左右o當(dāng)信號直射與多路徑之差超過10m，可用算法加以抑制多路徑誤差成因：信號通過地面、周圍物體（車輛、建筑物、山脈等）反射后到幾種常見地面的反射情況水面：無損耗全部反射（最強(qiáng)），反射系數(shù)1水泥地面、鹽堿地帶反射強(qiáng)（僅次于水面）稻田：反射系數(shù)0.8野地：反射系數(shù)0.6森林：反射系數(shù)0.3幾種常見地面的反射情況水面：無損耗全部反射（最強(qiáng)），反射系數(shù)與接收機(jī)元件、跟蹤環(huán)路帶寬、載體動態(tài)、信噪比有關(guān)一般C/A碼接收機(jī)1.5m(1σ)，P碼接收機(jī)20cm(1σ)接收機(jī)噪聲與接收機(jī)元件、跟蹤環(huán)路帶寬、載體動態(tài)、信噪比有關(guān)接收機(jī)噪聲定位誤差估計主要指標(biāo)定位誤差估計主要指標(biāo)GPS差分技術(shù)控制理論與制導(dǎo)技術(shù)研究中心GPS差分技術(shù)控制理論與制導(dǎo)技術(shù)研究中心差分GPS主要內(nèi)容差分GPS應(yīng)用背景偽距差分廣域差分GPS簡介以載波為基礎(chǔ)的技術(shù)差分GPS主要內(nèi)容背景2000年5月1日以前，SA政策致使民用精度下降到100m，難以滿足要求即使SA關(guān)閉，民用定位精度仍只有14m左右，難以滿足某些特定民用行業(yè)需求

精密進(jìn)場/著陸要求（國際民航組織規(guī)定）車輛自動駕駛：3~5m精細(xì)農(nóng)業(yè)：約1m背景2000年5月1日以前，SA政策致使民用精度下降到100差分技術(shù)的主要分支(1)基于碼測距的技術(shù)：坐標(biāo)差分法：這是一種最簡單的差分方法局限性：基準(zhǔn)站和用戶必須觀測同一組衛(wèi)星。定位精度不穩(wěn)定。基本淘汰。偽距差分法局限性：修正效果與基線長短有關(guān)短基線時可消除衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘誤差和大部分電離層、對流層誤差。應(yīng)用最廣。廣域差分法差分技術(shù)的主要分支(1)基于碼測距的技術(shù)：差分技術(shù)的主要分支(2)基于載波的技術(shù)

載波相位差分（實時動態(tài)/RTK）：利用載波相位觀測量輔助定位、測姿。應(yīng)用熱門、研究活躍、重點。

差分技術(shù)的主要分支(2)基于載波的技術(shù)偽距差分技術(shù)（1）基準(zhǔn)站m位置（xm,ym,zm）已知

實際使用的基準(zhǔn)站校正算法比較復(fù)雜，但更為精確。tm時刻完成測量，基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的真實距離可求tm時刻基準(zhǔn)站對第i顆衛(wèi)星做出偽距測量基準(zhǔn)站形成偽距差分校正值

考慮時效問題，基準(zhǔn)站除了播發(fā)衛(wèi)星ID、tm、偽距校正值還播發(fā)偽距變化率校正值偽距差分技術(shù)（1）基準(zhǔn)站m位置（xm,ym,zm）已知實偽距差分技術(shù)（2）用戶在t時刻完成觀測，生成偽距校正量用戶對偽距值進(jìn)行校正得到校正后偽距觀測值同時觀測4顆衛(wèi)星，求出位置偽距差分技術(shù)（2）用戶在t時刻完成觀測，生成偽距校正量用戶對偽距差分的實質(zhì)計算的偽距校正值是直接在WGS-84坐標(biāo)上進(jìn)行的，無需做坐標(biāo)變換，因此精度很高。表面上看，可以直接獲得用戶在WGS-84坐標(biāo)中的絕對位置。實質(zhì)上其位置是通過基站廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行修正得到的。其修正是消除基站與用戶在偽距測量中的公共誤差。提供偽距校正值和偽距校正值變化率校正值，使用戶可以在未得到改正數(shù)的間隙內(nèi)，繼續(xù)進(jìn)行精密定位。基準(zhǔn)站提供所有觀測到衛(wèi)星的改正數(shù)，用戶可以接收任意4顆或多顆組成星座進(jìn)行定位，不必與基準(zhǔn)站所用星座相同。因此，用戶采用具有差分功能的簡易接收機(jī)即可。偽距差分可以消除基準(zhǔn)站與接收機(jī)的公共誤差（星歷、SA、大氣等）。對多路徑誤差無效。同時引入與基準(zhǔn)站有關(guān)的誤差，比較而言，帶來的精度提高是主要的。