第五章偽距測(cè)量定位

第五章偽距測(cè)量定位第1頁(yè)，共49頁(yè)。5.1GPS偽距單點(diǎn)定位GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)，是由GPS衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和GPS信號(hào)接收機(jī)組成的，這也構(gòu)成了金星被動(dòng)式定位必備的三大基本條件：（1）導(dǎo)航衛(wèi)星及其導(dǎo)航定位信號(hào)，由若干顆導(dǎo)航衛(wèi)星組成導(dǎo)航定位信號(hào)，供用戶接收使用。（2）導(dǎo)航電文，每顆導(dǎo)航衛(wèi)星用導(dǎo)航電文的形式實(shí)時(shí)地報(bào)告自己的現(xiàn)勢(shì)位置，以便用戶獲取用于位置解算的動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。它是由地面監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)定的，并定期地注入到各顆衛(wèi)星。（3）衛(wèi)星信號(hào)接收設(shè)備，它能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量來(lái)自導(dǎo)航衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號(hào)，而且能夠?qū)崟r(shí)地計(jì)算和顯示出用戶所需要的時(shí)間、位置和速度測(cè)量值。第2頁(yè)，共49頁(yè)。被動(dòng)式定位的基本條件第3頁(yè)，共49頁(yè)。GPS偽距測(cè)量GPS被動(dòng)式定位，是基于被動(dòng)式測(cè)距原理。依該原理測(cè)量用戶至GPS衛(wèi)星的距離（簡(jiǎn)稱為站星距離）時(shí)，GPS信號(hào)接收機(jī)只接收來(lái)自GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號(hào)，不發(fā)射任何信號(hào)。因此，存在三種時(shí)間系統(tǒng)：（1）各顆GPS衛(wèi)星的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；（2）各臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；（3）統(tǒng)一上述兩種時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)的GPS時(shí)間系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為GPS時(shí)系）。第4頁(yè)，共49頁(yè)。3種時(shí)間系統(tǒng)的相互關(guān)系第5頁(yè)，共49頁(yè)。偽噪聲碼（C/A碼或P碼）從GPS衛(wèi)星到GPS信號(hào)接收天線的傳播時(shí)間：——偽噪聲碼從GPS衛(wèi)星到GPS信號(hào)接收天線的時(shí)元——偽噪聲碼在其GPS衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)元（5.1.1）第6頁(yè)，共49頁(yè)。改寫（5.1.1）dt——GPS衛(wèi)星時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間偏差，可依據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文給出的星鐘A系數(shù)求得，故可將其視為已知值。dT——GPS信號(hào)接收機(jī)時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)間系統(tǒng)的時(shí)間偏差（簡(jiǎn)稱為接收機(jī)鐘差）（5.1.2）第7頁(yè)，共49頁(yè)。從式（5.1.2）可知：（1），是偽噪聲碼的真實(shí)傳播時(shí)間，它相應(yīng)于GPS信號(hào)接收天線和GPS衛(wèi)星之間的真實(shí)距離（ρ），亦即（2）GPS信號(hào)接收只能夠測(cè)得一個(gè)帶時(shí)鐘偏差（dt-dT）的傳播時(shí)間τ；而不能夠測(cè)得真實(shí)傳播時(shí)間，以傳播時(shí)間τ求得的距離，叫做“偽距”(P=Cτ)。亦即，GPS信號(hào)接收機(jī)只能夠測(cè)得帶有距離偏差的站星距離——偽距。換言之，偽距是帶有距離偏差的站星距離。第8頁(yè)，共49頁(yè)。GPS信號(hào)通過(guò)電離層/對(duì)流層到達(dá)地面，若考慮到電離層/對(duì)流層引起的距離偏差，則知用偽噪聲碼測(cè)得的偽距為P——GPS信號(hào)接收機(jī)測(cè)得的偽距；C(dt-dT)——時(shí)鐘偏差引起的距離偏差；dion——電離層效應(yīng)引起的距離偏差，其最大值，對(duì)L1而言，可達(dá)160m，對(duì)L2而言，則達(dá)270m；dtrop——對(duì)流層引起的距離偏差，它隨著用戶高程及其氣象要素的不同而變化。第9頁(yè)，共49頁(yè)。Xj(t),Yj(t),Zj(t)——第j顆GPS衛(wèi)星在時(shí)元t的三維坐標(biāo)，它們可依導(dǎo)航電文提供的GPS星歷算得，即為已知數(shù)；Xu(t),Yu(t),Zu(t)——用戶的GPS信號(hào)接收天線在時(shí)元t的三維坐標(biāo)，這是待求解的未知數(shù)。

此外，還有一個(gè)接收機(jī)鐘差dT是待求解的未知數(shù)，因此，至少要觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星。第10頁(yè)，共49頁(yè)。偽距單點(diǎn)定位單點(diǎn)定位是用戶只用一臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)，測(cè)得自己的現(xiàn)勢(shì)位置。一般采用GPS衛(wèi)星所發(fā)送的C/A碼或P碼作測(cè)距信號(hào)，測(cè)得用戶至GPS衛(wèi)星的距離，進(jìn)而解算出用戶的三維坐標(biāo)。第11頁(yè)，共49頁(yè)。用一臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)作單點(diǎn)定位GPS信號(hào)接收機(jī)GPS衛(wèi)星AGPS衛(wèi)星CGPS衛(wèi)星BGPS衛(wèi)星DGPS導(dǎo)航定位信號(hào)第12頁(yè)，共49頁(yè)。XYZOEU衛(wèi)星Sjρj(t)Rj(t)Ru(t)被動(dòng)式定位的基本原理第13頁(yè)，共49頁(yè)。用戶在時(shí)元t的位置為Ru(t)——GPS用戶在時(shí)元t的位置矢量；

Rj(t)——第j顆GPS衛(wèi)星在時(shí)元t的位置矢量；

ρj(t)——GPS用戶和第j顆GPS衛(wèi)星在時(shí)元t的矢徑第14頁(yè)，共49頁(yè)。若用e表示用戶到第j顆衛(wèi)星的單置矢量（方向余弦），并考慮到則有站星距離Pj(t)——GPS信號(hào)接收機(jī)所測(cè)得的用戶天線和第j顆GPS衛(wèi)星之間的偽距

Bu——接收機(jī)時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)系之偏差所引起的距離偏差

Bj——第j顆GPS衛(wèi)星時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)系之偏差所引起的距離偏差第15頁(yè)，共49頁(yè)。用戶位置為（5.1.9）（5.1.10）（5.1.11）式（5.1.11）為被動(dòng)式定位的基本方程。第16頁(yè)，共49頁(yè)。當(dāng)j=1,2,3,4時(shí)，則有如（5.1.11）式的4個(gè)線性方程，其矩陣形式如下：上式中的矩陣第17頁(yè)，共49頁(yè)。若令其中，Ej——第j顆衛(wèi)星的高度角；Aj——第j顆衛(wèi)星的方位角。第18頁(yè)，共49頁(yè)。則知在時(shí)元t偽距測(cè)量的用戶位置矩陣根據(jù)矩陣平差原理求得用戶在時(shí)元t的位置矩陣式（5.1.13）為GPS偽距單點(diǎn)被動(dòng)式定位的三維位置方程。依此可以解算出用戶在時(shí)元t的三維坐標(biāo)和用戶時(shí)鐘偏差。（5.1.13）第19頁(yè)，共49頁(yè)。式（5.1.13）的迭代計(jì)算是（1）假定一個(gè)用戶初始位置（Xu0Yu0Zu0）和一個(gè)用戶時(shí)鐘距離偏差du0；（2）用已知的衛(wèi)星在軌位置（XjYjZj）和時(shí)鐘距離偏差Bj，以及假定的用戶初始位置（Xu0Yu0Zu0），計(jì)算出方向系數(shù)eji（j=1,2,3,4;i=1,2,3)，而求得幾何矩陣；（3）用測(cè)得的偽距Pj組成站星距離矩陣P(t)；（4）推求轉(zhuǎn)置矩陣和逆矩陣；（5）按式（5.1.13）計(jì)算出X(t)，直到第(n+1)次解算的X(t)n+1≈X(t)n為止。一般作四次迭代計(jì)算，即可達(dá)到目的。當(dāng)進(jìn)行迭代計(jì)算時(shí)，如果所給定的用戶位置初始值愈接近實(shí)際位置，迭代次數(shù)就愈少。因此，對(duì)動(dòng)態(tài)用戶，特別是高動(dòng)態(tài)用戶，選取適宜的初始位置，是值得特別注意的。第20頁(yè)，共49頁(yè)。機(jī)載GPS信號(hào)接收天線和攝站的三維坐標(biāo)名稱時(shí)元/s飛機(jī)實(shí)時(shí)位置RMS/mPDOPX/mY/mZ/mGPS2635260214449448.8404000085.5400.1163.83GPS2635278944449342.0384000158.2080.1063.38攝站263527.298-2207773.5694449316.6244000175.6370.1083.38GPS2635286444449241.1694000227.3850.1153.38GPS2635295554449130.0774000293.1890.0863.38攝站263529.326-2208009.1994449106.8384000366.8510.0883.38GPS263530.112-2208103.7974449030.0904000366.8510.0943.38GPS263531.136-2208220.8034448923.7914000433.3680.1353.38注：攝站時(shí)元1=263527.298165668seconds；

攝站時(shí)元2=263529.325913851seconds。第21頁(yè)，共49頁(yè)。2002年5月5日C/A碼偽距測(cè)量的單點(diǎn)定位結(jié)果第22頁(yè)，共49頁(yè)。第23頁(yè)，共49頁(yè)。距離交會(huì)法求定用戶二維位置第24頁(yè)，共49頁(yè)。5.2GPS偽距差分定位實(shí)時(shí)DGPS測(cè)量的基本結(jié)構(gòu)第25頁(yè)，共49頁(yè)。DGPS--DifferentialGlobalPositioningSystem分類1按數(shù)據(jù)處理方式（1）實(shí)時(shí)DGPS測(cè)量（2）后處理DGPS測(cè)量應(yīng)用：GPS航空攝影測(cè)量技術(shù)2按DGPS數(shù)據(jù)類型（1）位置DGPS測(cè)量----發(fā)送“位置校正值”（2）偽距DGPS測(cè)量----發(fā)送“偽距校正值”（3）載波相位DGPS測(cè)量---發(fā)送“載波相位測(cè)量校正值”第26頁(yè)，共49頁(yè)。位置DGPS測(cè)量位置DGPS測(cè)量是一種簡(jiǎn)單的差分定位模式——基準(zhǔn)接收機(jī)所測(cè)得的基準(zhǔn)站三維坐標(biāo)——基準(zhǔn)站在WGS-84大地坐標(biāo)系內(nèi)已知三維坐標(biāo)第27頁(yè)，共49頁(yè)。接收機(jī)測(cè)定用戶的三維坐標(biāo)，同時(shí)接收來(lái)自基準(zhǔn)接收機(jī)的差分信息--位置校正值式中：——?jiǎng)討B(tài)接收機(jī)測(cè)得的用戶三維坐標(biāo)——基準(zhǔn)接收機(jī)的位置校正值——經(jīng)過(guò)差分測(cè)量改正的用戶三維坐標(biāo)第28頁(yè)，共49頁(yè)。要求：1、基準(zhǔn)接收機(jī)和動(dòng)態(tài)接收機(jī)，必須觀測(cè)同一組在視GPS衛(wèi)星，才能夠高精度測(cè)得用戶三維坐標(biāo)。2、隨著DGPS站間距離的加大，動(dòng)態(tài)用戶的位置測(cè)量精度將隨之而降低。第29頁(yè)，共49頁(yè)。單基準(zhǔn)站偽距DGPS測(cè)量定義：只有一臺(tái)基準(zhǔn)接收機(jī)向動(dòng)態(tài)用戶發(fā)送“偽距校正值”在基準(zhǔn)站R上，基準(zhǔn)接收機(jī)測(cè)得的第j顆GPS衛(wèi)星的偽距為基準(zhǔn)接收機(jī)在時(shí)元t測(cè)得的基準(zhǔn)站至第j顆GPS衛(wèi)星的偽距；基準(zhǔn)站在時(shí)元t至第j顆GPS衛(wèi)星的真實(shí)距離；第j顆GPS衛(wèi)星時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)系的偏差；基準(zhǔn)接收機(jī)時(shí)鐘相對(duì)于GPS時(shí)系的偏差；GPS衛(wèi)星星歷誤差在基準(zhǔn)站引起的距離偏差；電離層時(shí)延在基準(zhǔn)站引起的距離偏差對(duì)流層時(shí)延在基準(zhǔn)站引起的距離偏差電磁波傳播速度第30頁(yè)，共49頁(yè)。由基準(zhǔn)站已知三維坐標(biāo)和GPS衛(wèi)星星歷可精確計(jì)算出真實(shí)距離偽距校正值為動(dòng)態(tài)接收機(jī)觀測(cè)值為校正后的值為當(dāng)DGPS站間距離在100Km以內(nèi)時(shí)，可以認(rèn)為第31頁(yè)，共49頁(yè)。有式中第j顆GPS衛(wèi)星在時(shí)元t的在軌位置動(dòng)態(tài)用戶的GPS信號(hào)接收天線在時(shí)元t的三維位置當(dāng)觀測(cè)到4顆共視的GPS衛(wèi)星即可列出4個(gè)方程，對(duì)其求解即可解除動(dòng)態(tài)用戶在時(shí)元t的三維位置DGPS測(cè)量能夠顯著地提高動(dòng)態(tài)用戶的定位精度，原因如下：（1）消除了GPS衛(wèi)星時(shí)鐘偏差的精度損失（2）顯著地減小甚至消除電離層/對(duì)流層效應(yīng)和星歷誤差的精度損失第32頁(yè)，共49頁(yè)。C/A碼偽距DGPS測(cè)量解算的多時(shí)元的用戶二維位置精度偽距DGPS測(cè)量的主要優(yōu)越性：

基準(zhǔn)接收機(jī)所發(fā)送的DGPS數(shù)據(jù)，是所有在視GPS衛(wèi)星的偽距校正值。第33頁(yè)，共49頁(yè)。單基準(zhǔn)站載波相位DGPS測(cè)量單基準(zhǔn)站載波相位DGPS測(cè)量（RTK測(cè)量）與單基準(zhǔn)站偽距DGPS測(cè)量的主要差別是，前者的DGPS數(shù)據(jù)為載波相位校正值，基準(zhǔn)接收機(jī)所測(cè)得的載波滯后相位為——基準(zhǔn)接收機(jī)對(duì)第j顆GPS衛(wèi)星作載波相位測(cè)量的波束——基準(zhǔn)接收機(jī)對(duì)第j顆GPS衛(wèi)星作載波相位測(cè)量時(shí)在時(shí)元t的多普勒計(jì)數(shù)——基準(zhǔn)接收機(jī)對(duì)第j顆GPS衛(wèi)星作載波相位測(cè)量時(shí)在時(shí)元t的小于一個(gè)周期的觀測(cè)值（以米為單位）——基準(zhǔn)接收機(jī)對(duì)第j顆GPS衛(wèi)星在時(shí)元t的真實(shí)距離——基準(zhǔn)接收機(jī)對(duì)第j顆GPS衛(wèi)星作載波相位測(cè)量的電離層效應(yīng)影響系數(shù)——以米為單位的GPS載波波長(zhǎng)第34頁(yè)，共49頁(yè)。——以Hz為單位的載波頻率——基準(zhǔn)接收機(jī)時(shí)鐘在時(shí)元t相對(duì)于GPS時(shí)系的偏差（基準(zhǔn)接收機(jī)鐘差）——第j顆GPS衛(wèi)星時(shí)鐘在時(shí)元t相對(duì)于GPS時(shí)系的偏差（衛(wèi)星鐘差）——電磁波的傳播速度載波相位的校正值為動(dòng)態(tài)接收機(jī)所測(cè)得的載波滯后相位為第35頁(yè)，共49頁(yè)。動(dòng)態(tài)接收機(jī)還接收基準(zhǔn)接收機(jī)發(fā)來(lái)的GPS載波相位測(cè)量校正值而改正它所測(cè)得的載波滯后相位，即有也可寫為式中第36頁(yè)，共49頁(yè)。按GPS載波相位測(cè)量的常用解算方法，即可解算出唯一的未知量波束差因此，只要?jiǎng)討B(tài)接收機(jī)和基準(zhǔn)接收均觀測(cè)了4顆以上的在視GPS衛(wèi)星，就可以解算用戶三維位置。第37頁(yè)，共49頁(yè)。5.3DGPS數(shù)據(jù)鏈GPS信號(hào)接收機(jī)RS-232-C接口調(diào)制解調(diào)器無(wú)線電發(fā)射機(jī)當(dāng)作實(shí)時(shí)DGPS測(cè)量時(shí)，需要配備DGPS數(shù)據(jù)鏈。它是由調(diào)制解調(diào)器和無(wú)線電電臺(tái)組成的。DGPS數(shù)據(jù)鏈通過(guò)RS-232-C接口與GPS信號(hào)接收機(jī)相連接?；鶞?zhǔn)站上的DGPS數(shù)據(jù)發(fā)送第38頁(yè)，共49頁(yè)。DGPS數(shù)據(jù)鏈的構(gòu)件功能1RS-232-C接口它是數(shù)據(jù)終端設(shè)備和數(shù)據(jù)通信設(shè)備之間的串行二進(jìn)制數(shù)據(jù)交換的接口。

在基準(zhǔn)站上：在動(dòng)態(tài)站上：2調(diào)制解調(diào)器在基準(zhǔn)站上，調(diào)制解調(diào)器是將DGPS數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，進(jìn)而將它調(diào)制在載波上，送到無(wú)線電發(fā)射機(jī)。在動(dòng)態(tài)站上，調(diào)制解調(diào)器從已調(diào)波中解調(diào)出DGPS數(shù)據(jù)，通過(guò)RS-232-C接口送到GPS信號(hào)接收機(jī)。

調(diào)制，就是用DGPS編碼信號(hào)改變載波某一參數(shù)的結(jié)果。第39頁(yè)，共49頁(yè)。用數(shù)字信號(hào)調(diào)制載波時(shí)，分成數(shù)字調(diào)幅、數(shù)字調(diào)頻和數(shù)字調(diào)相3種調(diào)制方式。三者的細(xì)分如下：數(shù)字調(diào)制數(shù)字調(diào)幅數(shù)字調(diào)相數(shù)字調(diào)頻單邊帶（SSB）調(diào)幅正交雙邊帶調(diào)幅（QAM）殘余邊帶（VSB）調(diào)幅二進(jìn)制頻移鍵控（PSK）最小頻移鍵控（MSK）正弦頻移鍵控（SFSK）平滑調(diào)頻（TFM）高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK）二相相移鍵控（2PSK）四相相移鍵控（QPSK）交錯(cuò)正交相移鍵控（OQPSK）采用上述哪一種調(diào)制方式發(fā)送DGPS數(shù)據(jù)，取決于所用的調(diào)制速率。第40頁(yè)，共49頁(yè)。3無(wú)線電收發(fā)機(jī)在基準(zhǔn)站上，無(wú)線電發(fā)射機(jī)，是以電磁波的形式，將DGPS數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶。其載波頻率及其發(fā)射功率的選用，取決于DGPS數(shù)據(jù)的傳輸遠(yuǎn)近。發(fā)送DGPS數(shù)據(jù)可采用下述方式之一：（1）高頻（HF）、甚高頻（VHF）、超高頻（UHF）無(wú)線電發(fā)送設(shè)備；（2）無(wú)線電信標(biāo)臺(tái)；（3）調(diào)頻（FM）電臺(tái)副載波；（4）衛(wèi)星通信設(shè)備。第41頁(yè)，共49頁(yè)。RBN-DGPS公用數(shù)據(jù)源國(guó)際上建立最早的公用DGPS數(shù)據(jù)源，是無(wú)線電信標(biāo)臺(tái)發(fā)送的DGPS數(shù)據(jù)。無(wú)線電信標(biāo)工作于285k~325kHz頻段，利用全方位發(fā)射天線，提供導(dǎo)航信息，用于船舶和飛機(jī)的無(wú)線電導(dǎo)航。為飛機(jī)飛行服務(wù)的航空信標(biāo)，可達(dá)到3°~10°（2σ）的方位測(cè)量精度；用于船舶導(dǎo)航的無(wú)線電信標(biāo)，可達(dá)到3°以內(nèi)的方位測(cè)量精度。第42頁(yè)，共49頁(yè)。中國(guó)沿海RBN-DGPS系統(tǒng)的用戶定位精度及其置信度DGPS距離/km用戶定位精度/m123456精度置信度10035.4279.1790.6295.831000.00100~20013.5955.3475.7389.3295.154.85200~30000.0041.1876.4794.1294.125.88300覆蓋范圍內(nèi)19.2061.6081.6092.8096.803.20第43頁(yè)，共49頁(yè)。靜地衛(wèi)星發(fā)送DGPS數(shù)據(jù)從1996~1998年的3年間，共有5顆INMARSAT-3衛(wèi)星先后入軌運(yùn)行。這5顆靜地衛(wèi)星都附設(shè)了導(dǎo)航專用轉(zhuǎn)發(fā)器，從而成為WAAS和EGNOS的一個(gè)組成部分，用于增強(qiáng)北美和歐洲地區(qū)GPS/GLONASS信號(hào)的可用性、完好性和導(dǎo)航定位精度。INMARSAT-3衛(wèi)星，用一根L1專用導(dǎo)航定位信號(hào)發(fā)送天線，向用戶發(fā)送