GPS第五章修改課件

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第五章

GPS定位基本原理本章提示2.測(cè)碼偽距觀測(cè)方程（重點(diǎn)）3.測(cè)相偽距觀測(cè)方程（重點(diǎn)）4.觀測(cè)方程的解算1.GPS定位方式、觀測(cè)量

5.1GPS定位方式、觀測(cè)量和觀測(cè)方程

一、

GPS定位方式及其分類

根據(jù)定位所采用的觀測(cè)值

偽距定位

觀測(cè)值：C/A碼偽距、P碼偽距優(yōu)點(diǎn):數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，對(duì)定位條件的要求低，不存在整周模糊度的問(wèn)題，容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位；缺點(diǎn):觀測(cè)值精度低，C/A碼偽距觀測(cè)值精度一般為3米，P碼偽距觀測(cè)值精度一般為30個(gè)厘米。載波相位定位

觀測(cè)值：載波相位觀測(cè)值，（L1、L2或線性組合）定位的優(yōu)點(diǎn)：觀測(cè)值的精度高，一般優(yōu)于2個(gè)毫米；缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)處理過(guò)程復(fù)雜，存在整周模糊度。

GPS定位方式及其分類根據(jù)獲取定位結(jié)果的時(shí)間

實(shí)時(shí)定位

實(shí)時(shí)定位：根據(jù)接收機(jī)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)解算出接收機(jī)天線所在的位置。非實(shí)時(shí)定位

非實(shí)時(shí)定位（后處理定位）：通過(guò)對(duì)接收機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理以進(jìn)行定位。根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

動(dòng)態(tài)定位：在進(jìn)行GPS定位時(shí)，接收機(jī)的天線在整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中的位置變化。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將接收機(jī)天線的位置作為一個(gè)隨時(shí)間的改變而改變的量。GPS定位方式及其分類靜態(tài)定位：在進(jìn)行GPS定位時(shí)，接收機(jī)的天線在整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中的位置保持不變。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將接收機(jī)天線的位置作為一個(gè)不隨時(shí)間的改變而改變的量。GPS定位共有四種基本的觀測(cè)方式：動(dòng)態(tài)絕對(duì)定位、靜態(tài)絕對(duì)定位、動(dòng)態(tài)相對(duì)定位和靜態(tài)相對(duì)定位。除此之外，還有準(zhǔn)動(dòng)態(tài)相對(duì)定位、快速靜態(tài)相對(duì)定位等新觀測(cè)方法。需解決兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題如何確定衛(wèi)星的位置如何測(cè)量出站星距離GPS定位的基本原理衛(wèi)星作為“動(dòng)態(tài)”已知控制點(diǎn)，測(cè)量出測(cè)站點(diǎn)至三顆以上GPS衛(wèi)星的距離，利用空間距離后方交會(huì)法解算出測(cè)站P的位置。測(cè)距方法雙程測(cè)距

用于電磁波測(cè)距儀

GPS偽距測(cè)量測(cè)距碼C/A碼（測(cè)距時(shí)有模糊度）P碼5.1GPS定位方式、觀測(cè)量和觀測(cè)方程載波相位測(cè)量（CarrierBeatPhaseMeasurements）：比較接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)與接收到的來(lái)自衛(wèi)星的載波信號(hào)之間的相位差GPS定位的常用觀測(cè)量

調(diào)制在L1上的C/A碼偽距調(diào)制在L1上的P碼偽距調(diào)制在L2上的P碼偽距L1載波相位觀測(cè)值L2載波相位觀測(cè)值L1上的多普勒頻移L2上的多普勒頻移

5.1GPS定位方式、觀測(cè)量和觀測(cè)方程

衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射瞬間（歷元）與接收瞬間（歷元）分別由衛(wèi)星時(shí)鐘和接收機(jī)時(shí)鐘給出。當(dāng)這兩個(gè)時(shí)鐘與GPS時(shí)間保持嚴(yán)格同步，所獲得的距離延遲接近于真實(shí)的站星之間幾何距離。

但實(shí)際上偽距測(cè)量（載波相位測(cè)量），所獲得的距離都不可避免地包含接收機(jī)鐘和衛(wèi)星鐘不同步的誤差，偽距：含有鐘差影響的距離值測(cè)碼偽距：偽距測(cè)量所獲得的偽距觀測(cè)量測(cè)相偽距：載波相位測(cè)量所獲得的偽距觀測(cè)量

5.2GPS觀測(cè)方程的列立

5.2.1偽距測(cè)量觀測(cè)方程

偽距測(cè)量觀測(cè)方程（偽距觀測(cè)方程）（pseudorangeobservationequation)：把測(cè)距碼信號(hào)（C/A碼和P碼）距離延遲作為觀測(cè)量的觀測(cè)方程。

假設(shè)衛(wèi)星j發(fā)射信號(hào)時(shí)的衛(wèi)星鐘時(shí)刻和接收機(jī)i收到信號(hào)時(shí)的接收機(jī)鐘時(shí)刻分別為

則信號(hào)傳播時(shí)間為

考慮到大氣折射影響衛(wèi)星鐘的改正數(shù)接收機(jī)鐘的改正數(shù)電離層折射延遲改正對(duì)流層折射延遲改正偽距幾何距離5.2.2載波相位觀測(cè)方程一、信號(hào)傳播時(shí)間衛(wèi)星發(fā)射的載波信號(hào)相位理想的GPS時(shí)間為接收機(jī)接收的信號(hào)相位為相位差為如果用f0、fj和

fi分別表示載波標(biāo)準(zhǔn)頻率、衛(wèi)星信號(hào)頻率和接收機(jī)振蕩器頻率，理想狀況下則有5.2.2載波相位觀測(cè)方程根據(jù)電磁波的有關(guān)理論，任意時(shí)刻衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)相位與接收機(jī)接收信號(hào)相位可以寫成可得

其中是理想的衛(wèi)星信號(hào)傳播時(shí)間，如果設(shè)為站星間幾何距離，不考慮到大氣折射的影響，則有5.2.2載波相位觀測(cè)方程忽略二階及以上微分項(xiàng)，結(jié)合考慮加入接收機(jī)鐘差影響，在ti時(shí)刻繼續(xù)進(jìn)行泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)，并取至一階項(xiàng)采用迭代算法，由于

所以上式收斂很快，取一次迭代并略去高階項(xiàng)

5.2.2載波相位觀測(cè)方程則有由此，可以進(jìn)一步得出觀測(cè)得到的載波信號(hào)相位差展開(kāi)并考慮大氣折射影響因?yàn)?.2.2載波相位觀測(cè)方程

載波相位觀測(cè)量與整周未知數(shù)

上式所給出的不是載波相位的“觀測(cè)量”。因?yàn)镚PS載波信號(hào)相位差的整周部分不能直接測(cè)定假設(shè)t0為起始觀測(cè)歷元，載波信號(hào)相位差分為小數(shù)部分和整數(shù)部分，則相對(duì)于起始?xì)v元t0有

當(dāng)衛(wèi)星在t0歷元被跟蹤（信號(hào)鎖定）以后，在任意觀測(cè)歷元t，載波信號(hào)相位差可以分為三個(gè)部分。

5.2.2載波相位觀測(cè)方程

載波相位觀測(cè)方程的構(gòu)成結(jié)合以上推導(dǎo)，載波相位觀測(cè)方程可以表示為

將一階導(dǎo)數(shù)項(xiàng)忽略，則載波相位觀測(cè)方程進(jìn)一步簡(jiǎn)化為

或者可以表達(dá)為5.3GPS觀測(cè)方程的解算

觀測(cè)方程的解算與一般平差計(jì)算類似。也是從觀測(cè)方程到誤差方程，再到法方程。GPS測(cè)量的主要目的之一就是確定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。偽距觀測(cè)方程和載波相位觀測(cè)方程都含有測(cè)站點(diǎn)三維坐標(biāo)（Xi、Yi、Zi），即站星之間幾何距離

下面以偽距觀測(cè)方程的解算為例。將上式帶入偽距觀測(cè)方程可得為了構(gòu)成誤差方程。需要將觀測(cè)值與觀測(cè)值改正數(shù)、未知參數(shù)近似值與未知參數(shù)改正數(shù)相分離，并對(duì)將未知參數(shù)系數(shù)項(xiàng)線性化。5.3