《GPS偽距定位原理》課件

GPS偽距定位原理投稿人：GPS系統(tǒng)組成空間段由31顆運行在地球軌道上的衛(wèi)星組成，它們向地面發(fā)射信號。控制段地面控制站負責(zé)監(jiān)測衛(wèi)星運行狀態(tài)，并對衛(wèi)星進行控制和維護。用戶段用戶通過接收器接收衛(wèi)星信號，并進行定位計算，獲取自身的位置信息。GPS衛(wèi)星概述GPS衛(wèi)星是構(gòu)成GPS系統(tǒng)的核心，它們在太空運行并發(fā)射導(dǎo)航信號。目前，GPS系統(tǒng)擁有31顆運行衛(wèi)星，均勻分布在6個軌道面上，每軌道面4-6顆衛(wèi)星，每個軌道面傾角55°，衛(wèi)星軌道高度約20200公里。GPS衛(wèi)星的主要功能是發(fā)射包含時間信息、軌道參數(shù)、衛(wèi)星時鐘誤差等信息的導(dǎo)航信號，以及接收地面站的信號并進行數(shù)據(jù)傳輸。衛(wèi)星軌道特點近圓形軌道GPS衛(wèi)星的軌道接近圓形，這有助于保證信號強度和覆蓋范圍。中地球軌道GPS衛(wèi)星位于中地球軌道，高度約為20,200公里，這保證了全球覆蓋。GPS信號結(jié)構(gòu)1導(dǎo)航電文包含衛(wèi)星的軌道信息、時間信息、衛(wèi)星狀態(tài)等。2載波信號頻率為1.57542GHz（L1）或1.2276GHz（L2），用于精確測量距離。3碼信號用于粗略測量距離，并提供同步和導(dǎo)航信息。碼相偽距測距原理1衛(wèi)星信號衛(wèi)星發(fā)射的信號包含偽隨機碼2接收器接收器同步生成相同的偽隨機碼3時間差比較接收到的信號與本地碼的時間差4距離計算時間差乘以光速得到衛(wèi)星與接收器之間的距離載波相位偽距測距原理1衛(wèi)星信號載波相位和碼相2接收機接收衛(wèi)星信號3測量載波相位變化4計算偽距和位置偽距修正因子衛(wèi)星鐘差衛(wèi)星內(nèi)部計時誤差，會造成偽距偏差。電離層延遲電離層對信號傳播速度的影響，會導(dǎo)致偽距偏差。對流層延遲對流層對信號傳播速度的影響，也會導(dǎo)致偽距偏差。接收機鐘差接收機本身的計時誤差，也會造成偽距偏差。幾何因子GDOPGDOP幾何精度衰減因子定義反映衛(wèi)星幾何分布對定位精度的影響影響因素衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星分布、衛(wèi)星高度角數(shù)值越小越好，表示衛(wèi)星幾何分布越好定位計算步驟獲取衛(wèi)星信號接收機接收來自多顆衛(wèi)星的信號。測量偽距根據(jù)信號的到達時間，計算衛(wèi)星到接收機的距離（偽距）。解算位置通過最小二乘法或其他算法，利用多個偽距方程解算接收機的位置坐標(biāo)。輸出結(jié)果將計算得到的經(jīng)緯度、高度等信息輸出。偽距非線性方程組GPS定位的核心是通過測量衛(wèi)星信號到達接收機的傳播時間，計算衛(wèi)星與接收機之間的距離，即偽距。由于衛(wèi)星和接收機的運動以及大氣層、電離層等的影響，偽距測量存在誤差。通過建立偽距方程組，可以利用多顆衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，進行定位解算。偽距方程組是一個非線性方程組，需要進行線性化處理。通常采用泰勒展開式，將非線性方程組近似為線性方程組。然后，利用最小二乘法等方法求解未知參數(shù)，包括接收機的坐標(biāo)和鐘差等。由于偽距方程組中存在誤差，因此解算得到的定位結(jié)果也存在誤差。誤差的來源包括衛(wèi)星鐘差、大氣層延遲、電離層延遲、多路徑效應(yīng)等。最小二乘法解算法1建立方程組利用偽距觀測值建立非線性方程組，包含未知參數(shù)和誤差項.2線性化處理將非線性方程組線性化，通過泰勒展開將非線性方程組轉(zhuǎn)換為線性方程組.3最小二乘估計運用最小二乘法原理，求解線性方程組的解，得到最佳估計值.單點定位計算1坐標(biāo)計算根據(jù)偽距和幾何因子，計算接收機坐標(biāo)2偽距測量接收機接收衛(wèi)星信號，測量衛(wèi)星信號到達時間3衛(wèi)星信息衛(wèi)星軌道參數(shù)，時間信息，衛(wèi)星信號強度定位精度影響因素接收機噪聲接收機內(nèi)部噪聲會影響信號接收質(zhì)量，降低定位精度。多路徑效應(yīng)信號反射造成誤差，影響偽距測量。衛(wèi)星幾何配置衛(wèi)星數(shù)量和分布影響定位精度，衛(wèi)星幾何配置越好，精度越高。大氣影響電離層和對流層會對信號傳播產(chǎn)生影響，導(dǎo)致定位誤差。多星聯(lián)合定位優(yōu)勢提高定位精度，減少誤差。提升定位可靠性，增強定位抗干擾能力。原理利用多個衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)，建立多方程組，求解出用戶位置坐標(biāo)。差分GPS技術(shù)參考站已知精確位置的參考站接收衛(wèi)星信號，并計算出誤差修正值。用戶接收機用戶接收機接收衛(wèi)星信號，并使用參考站提供的修正值提高定位精度。實時動態(tài)定位1連續(xù)更新實時接收衛(wèi)星信號并計算位置2動態(tài)追蹤跟蹤移動目標(biāo)位置變化3應(yīng)用廣泛導(dǎo)航、測繪、無人機等領(lǐng)域后處理精密定位數(shù)據(jù)采集獲取GPS數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)，如氣象數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)處理對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，例如去噪、濾波、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等。定位計算利用精密軌道和大氣模型進行定位計算，獲得高精度坐標(biāo)。結(jié)果分析對定位結(jié)果進行誤差分析和精度評估，并進行相關(guān)修正。相對定位模型基線矢量相對定位測量的是兩個接收機之間的距離和方位角，即基線矢量。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換通過已知點坐標(biāo)，將相對定位測量的基線矢量轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)系。誤差源分析與修正1衛(wèi)星鐘差GPS衛(wèi)星的原子鐘會有微小的偏差，會造成時間誤差。2衛(wèi)星軌道誤差衛(wèi)星軌道并非完全精確，會造成距離誤差。3電離層延遲信號穿過電離層會發(fā)生延遲，需要進行校正。4對流層延遲信號穿過對流層也會發(fā)生延遲，需要進行校正。定位算法原理分析最小二乘法通過最小化觀測值與模型預(yù)測值之間的誤差平方和來估計未知參數(shù)，例如衛(wèi)星位置和接收機時鐘誤差?？柭鼮V波利用系統(tǒng)狀態(tài)方程和觀測方程，結(jié)合噪聲信息，對系統(tǒng)狀態(tài)進行估計和預(yù)測，以提高定位精度。迭代算法由于偽距方程是非線性的，需要使用迭代算法，例如牛頓-拉夫森法，來求解未知參數(shù)。基線場合解算1觀測方程建立觀測值與未知參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型。2參數(shù)估計利用最小二乘法或其他估計方法求解未知參數(shù)。3解算結(jié)果計算出基線向量，并進行誤差分析?；€雙差解算消除大氣誤差雙差解算可以消除大氣誤差的影響，提高定位精度。消除衛(wèi)星鐘差雙差解算可以消除衛(wèi)星鐘差的影響，提高定位精度。消除接收機鐘差雙差解算可以消除接收機鐘差的影響，提高定位精度。固定解與浮點解固定解當(dāng)整周模糊度解算成功后，得到的解稱為固定解。此時，解算結(jié)果精度顯著提高，可達到厘米級。浮點解當(dāng)整周模糊度無法解算或解算不成功時，得到的解稱為浮點解。浮點解的精度會受到模糊度誤差的影響，一般在米級或分米級。載波相位整周模糊度模糊度載波相位測量存在整周模糊度，因為測量得到的相位是相位差的整數(shù)倍。解模糊解決整周模糊度需要使用其他技術(shù)，例如雙差解算或浮點解算。影響精度整周模糊度是影響載波相位定位精度的關(guān)鍵因素。相對定位精度分析1厘米級靜態(tài)定位10米級動態(tài)定位100分米級實時動態(tài)定位RTK全局定位原理1基站數(shù)據(jù)接收來自參考站的差分校正數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)處理實時計算差分校正信息，消除誤差3位置計算將校正后的數(shù)據(jù)應(yīng)用于接收機的定位計算組網(wǎng)RTK技術(shù)提高精度通過多個基站建立網(wǎng)絡(luò)，提高定位精度和可靠性。擴展覆蓋范圍基站網(wǎng)絡(luò)可以覆蓋更廣的區(qū)域，滿足更多用戶需求。降低成本共享基站資源，降低用戶使用成本。