第五章-GPS卫星定位基本原理1PPT课件
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GPS定位基本原理PPT课件
星站距离 = 光速 × 码元宽度tu × 移位数
第22页/共41页
原理：
利用同步发出的信号达到接收机的时间延迟推算 距离。
星站距离 = 光速 × GPS信号时间延迟量
信号源：GPS卫星，接收机自身同步复制 接收器：接收机自身。
复制信号快速到达(自身复制，无延迟)， GPS信号延迟到达(光速）。
第23页/共41页
一个福尔摩斯探案的故事
本故事纯属虚构， 如有雷同，实属巧合
第1页/共41页
整点报时， 每4秒1响
Big Ben，伦敦， 1859年建立
广播电台同 步向全英国 播报钟声
第2页/共41页
一天，一个富家女孩被一伙 劫匪绑架，送往某处藏匿……
第3页/共41页
木制楼梯吱吱 响，可能是个 旧听楼听。收音机， 该缓到解1一0楼下了紧吧？ 张~~~
第9页/共41页
根据福尔摩斯的推断，警察如 神兵天降，将女孩解你 让救我们出死怎来个么明找！白到！这的？
第10页/共41页
福尔摩斯的破案逻辑
从奇怪的13响出发推断。
广播信号：光速传播，约300,000,000m/s。 钟声：音速传播，约340m/s。
13响的构成：
• 第1响： 来自收音机 • 第2-12响：来自Big Ben和收音机 • 第13响：来自Big Ben
得到了星站距离后 如何定位？
第24页/共41页
如果距Big Ben约1360m的10层以上旧楼很多……
第25页/共41页
如果有两个Big Ben ……
第26页/共41页
如果有三个Big Ben ……
第27页/共41页
没有三个Big Ben，
但有很多
卫星！
第28页/共41页
第22页/共41页
原理：
利用同步发出的信号达到接收机的时间延迟推算 距离。
星站距离 = 光速 × GPS信号时间延迟量
信号源：GPS卫星，接收机自身同步复制 接收器：接收机自身。
复制信号快速到达(自身复制，无延迟)， GPS信号延迟到达(光速）。
第23页/共41页
一个福尔摩斯探案的故事
本故事纯属虚构， 如有雷同，实属巧合
第1页/共41页
整点报时， 每4秒1响
Big Ben，伦敦， 1859年建立
广播电台同 步向全英国 播报钟声
第2页/共41页
一天，一个富家女孩被一伙 劫匪绑架，送往某处藏匿……
第3页/共41页
木制楼梯吱吱 响，可能是个 旧听楼听。收音机， 该缓到解1一0楼下了紧吧？ 张~~~
第9页/共41页
根据福尔摩斯的推断，警察如 神兵天降，将女孩解你 让救我们出死怎来个么明找！白到！这的？
第10页/共41页
福尔摩斯的破案逻辑
从奇怪的13响出发推断。
广播信号：光速传播，约300,000,000m/s。 钟声：音速传播，约340m/s。
13响的构成：
• 第1响： 来自收音机 • 第2-12响：来自Big Ben和收音机 • 第13响：来自Big Ben
得到了星站距离后 如何定位？
第24页/共41页
如果距Big Ben约1360m的10层以上旧楼很多……
第25页/共41页
如果有两个Big Ben ……
第26页/共41页
如果有三个Big Ben ……
第27页/共41页
没有三个Big Ben，
但有很多
卫星！
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第五章 GPS定位基本原理
第五章 GPS定位基本原理
8
2)、相对定位
• 确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对 位臵的方法。可以消除许多相同或相近的误差（如卫星钟、 卫星星历、卫星信号传播误差等），定位精度较高。但其 缺点是外业组织实施较为困难，数据处理更为烦琐。
• 在大地测量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域内 得到广泛的应用。
j为卫星数，j=1,2,3,…
第五章 GPS定位基本原理
27
三、用测距码来测定伪距的特点
• 利用测距码测距的必要条件
– 必须了解测距码的结构
（1）易于将微弱的卫星信号提取出来。
卫星信号的强度一般只有噪声强度的万分之一或更低。 只有依据测距码的独特结构，才能将它从噪声的汪洋大海中 提取出来；
第五章 GPS定位基本原理
接收机钟差
t tk t tk (G) t (G) tk t
j j
j
信号真正传播时 间
第五章 GPS定位基本原理 22
如果不考虑大气折射的影响，则有：
' ct c[tk t ]
j
c tk (G ) t (G ) c(tk t )
j j
ρ = τ*C= △t*C 上式求得的距离ρ并不等于卫星至地面测站的真正距 离，称之为伪距。
第五章 GPS定位基本原理 19
二、伪距测量的观测方程
• 码相关法测量伪距时，有一个基本假设，即卫星钟和接 收机钟是完全同步的。
• 但实际上这两台钟之间总是有差异的。因而在R(t) =max 的情况下求得的时延τ就不严格等于卫星信号的传播时间 Δt，它还包含了两台钟不同步的影响在内。
第五章 GPS定位基本原理 17
GPS概论第五章GPS卫星定位基本原理PPT课件
线性化后：
i
X ( 0 0)x ii dX Y(0 0)yii dY Z (0 0)zii dZ (0)i NctV RctV S (Vio)niVtrop
x(i0X )i0dX y(i 0)Yi0dY z(i0Z )i0dZ (0)iNctV RctV S (Vio)niVtrop
误差方程为：
• 定义
– 单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位 置的方法
• 定位结果－与所用星历同属一坐标系的绝对坐标
– 采用广播星历时属WGS-84
– 采用IGS – International GPS Service精密星历时为 ITRF – International Terrestrial Reference Frames
~ N 0 Int ( ) Fr ( )
• 整周计数 Int
载波相位观测值
• 整周未知数（整周模糊度） N 0
19
载波相位测量的观测方程
原始形式：
(iN i) ictR V ctS V (V i o)in V trop i iN i ictR V ctS V (V i o)in V trop
接收机根据自身 的 钟 在 tR时 刻 所 接 收 到 卫 星 在 tS 时刻所发送信号 的相位
(tS)
tR tS
R
R
理想情况
实际情况
18
载波相位观测值 ti
• 观测值
Fr i Int() i N 0
首次观测：
0 Fr ( ) 0
t0
以后的观测：
Fr 0 N0
i Int ( ) i Fr ( ) i 通常表示为：
载波波长为原来波长的一半，信 号质量较差（信噪比低，降低了 30dB）
第5章卫星定位基本原理PPT课件
q3 1 q3 2 q3 3
1B 2L 3H
它们两个之间的转换关系是 QBRQ XRT
式中
sinBcoLs sinBsinL coBs
R sinL
coLs
0
coBscoLs coBssinL sinB
显然，B、L、H的精度分别是
0 q11 0 q22
0 q33
在GPS中通常采用精度因子DOP来表示精度，有5个DOP，分别是
5.4.1载波相位测量原理
若卫星S发出一载波信号，该信号向各处传播。设某一瞬间，该信号在接 收机R处的相位为R，在卫星S处的相位为S。R 和S为从某一起始点开始 计算的包括整周数在内的载波相位，为方便计，均以周数为单位。若载波的 波长为，则卫星S至接收机R间的距离：
s R
但因无法观测S，因此该方法无法实施。 如果接收机的震荡器能产生一个频率初相和卫星载波信号完全相同的基 准信号，问题即可解决，因为任何一个瞬间在接收机处的基准信号的相位 等于卫星处载波信号的相位。因而，（S - R）等于接收机产生的基准信号 的相位和接收到的来自卫星的载波信号相位之差
差分定位
差分技术很早就被人们所应用。其目的在于消除公共项，包括公共误差 和公共参数。在以前的无线电定位系统中已被广泛地应用。差分定位采用单点 定位的数学模型，具有相对定位的特性（使用多台接收机、基准站与流动站同 步观测）。
§ 5.2 伪距测量
伪距测量的基本方法
卫星
a）卫星依据自己的时钟发
出某一结构的测距码，该测
第五章 GPS卫星定位基本原理
内容提要 • 概述 • 伪距测量 • GPS绝对定位 • 载波相位测量 • 静态相对定位 • 整周跳变的修复 • 整周模糊度的解算 • 美国的GPS • 差分GPS定位原理
1B 2L 3H
它们两个之间的转换关系是 QBRQ XRT
式中
sinBcoLs sinBsinL coBs
R sinL
coLs
0
coBscoLs coBssinL sinB
显然，B、L、H的精度分别是
0 q11 0 q22
0 q33
在GPS中通常采用精度因子DOP来表示精度，有5个DOP，分别是
5.4.1载波相位测量原理
若卫星S发出一载波信号，该信号向各处传播。设某一瞬间，该信号在接 收机R处的相位为R，在卫星S处的相位为S。R 和S为从某一起始点开始 计算的包括整周数在内的载波相位，为方便计，均以周数为单位。若载波的 波长为，则卫星S至接收机R间的距离：
s R
但因无法观测S，因此该方法无法实施。 如果接收机的震荡器能产生一个频率初相和卫星载波信号完全相同的基 准信号，问题即可解决，因为任何一个瞬间在接收机处的基准信号的相位 等于卫星处载波信号的相位。因而，（S - R）等于接收机产生的基准信号 的相位和接收到的来自卫星的载波信号相位之差
差分定位
差分技术很早就被人们所应用。其目的在于消除公共项，包括公共误差 和公共参数。在以前的无线电定位系统中已被广泛地应用。差分定位采用单点 定位的数学模型，具有相对定位的特性（使用多台接收机、基准站与流动站同 步观测）。
§ 5.2 伪距测量
伪距测量的基本方法
卫星
a）卫星依据自己的时钟发
出某一结构的测距码，该测
第五章 GPS卫星定位基本原理
内容提要 • 概述 • 伪距测量 • GPS绝对定位 • 载波相位测量 • 静态相对定位 • 整周跳变的修复 • 整周模糊度的解算 • 美国的GPS • 差分GPS定位原理
GPS卫星定位原理
（2）、伪距测量的观测方程 在前面的讨论中我们假设卫星钟和接收机钟是 完全同步的，但实际上这两台钟之间总是有差 异的。因而在 R(t) max 的条件下求得的时延 就 不严格等于卫星信号的传播时间 t ，它还包含 了两台钟不同步的影响在内。此外，由于信号 并不是完全在真空中传播的，因而观测值中 也包含了大气传播延迟误差。在伪距测量中， (t) max 一般把在R 的条件下求得的时延 和真空 中的光速c的乘积 c 当作观测值，下面我 们将建立卫星与接收机之间的几何距离 与观 测值 之间的关系式。
② 外业观测的组织和实施较为自由方便；
③ 数据处理也较为简单。
单点定位的缺点： 单点定位的结果受卫星星历误差和卫星 信号传播过程中的大气延迟误差的影响比较 显著，所以定位精度较差。 单点定位模式在船舶、飞机的导航、地 质矿产勘探、暗礁定位、建立浮标、海洋捕 鱼及低精度测量等领域中有着广泛的应用前 景，在国防建设中也有重要的作用。
第二节 伪距法定位
伪距法定位是导航及低精度测量中所用 的一种定位方法。它具有速度快、无多值性 问题等优点,其精度已满足部分用户的需要。 在进行载波相位测量时，精确的伪距测量资 料也是极有用的辅助资料。 优越性 ① 速度快、无多值性问题，利用增加观测 时间可以提高定位精度 ② 虽然测量定位精度低，但足以满足部分 用户的需要。
在差分定位中所采用的数学模型仍然是单点 定位的数学模型。但必须使用多台接收机、必须 在基准点和流动站之间进行同步观测并利用误差 的相关性来提高定位精度等方面又具有相对定位 的某些特性，所以是一种介于单点定位和相对定 位之间的定位模式（或者说同时具有上述两种定 位模式的某些特性）。在划分时由于强调的标准 不同（有的强调数学模型，有的强调作业方式和 误差消除削弱的原理），可以得出不同的结论。
GPS的基本知识ppt课件
(f0=10.23Mz)经倍频和分频产生。154和120倍频后，分别 形成L波段的两个载波频率信号 (L1=1575.42Mz,L2=12227.60Mz), 波 长 分 别 为 19.03cm 和 24.42cm。
• 调制在L载波上的信号包括的C/A码，P码和D码,其中：
• C/A码 (粗码，对应的波长为293.1m)。
(1)选取网中一点的坐标值并加以固定，或给以适当的权； (2)网中的点均不固定，通过自由网伪逆平差或拟稳平差，确 定网的位置基准；
(3)在网中选若干点的坐标值并加以固定； (4)选网中若干点(直至全部点)的坐标值并给以适当的权。
二、外业观测方法
1、外业观测计划设计
(1)编制GPS卫星可见性预报图：利用卫星预报软件，输入测区 中心点概略坐标、作业时间、卫星截止高度角≥15°等，利用不 超过20天的星历文件即可编制卫星预报图。
(2)编制作业调度表：应根据仪器数量、交通工具状况、测区 交通环境及卫星预报状况制定作业调度表。作业表应包括：
• 观测时段(测站上开始接收卫星信号到停止观测，连续工 作的时间段)，注明开、关机时间；
• 测站号、测站名；接收机号、作业员；
二、外业观测方法
1、外业观测计划设计
2、野外观测
野外观测应严格按照GPS测量规范的技术设计要求进行。
3 GPS卫星定位的基本原理
GPS卫星定位原理是测量学中的空间距离交会方法。
S1
SS22：
• 按观测值的不同，分为伪距观测定位 和载波相位测量定位；
• 按使用同步观测的接收机数和定位解算方法来分，有单点定位 (绝对定位)和差分定位(相对定位)； • 根据接收机的运动状态可分为静态定位 和动态定位。
网的图形设计
• 调制在L载波上的信号包括的C/A码，P码和D码,其中：
• C/A码 (粗码，对应的波长为293.1m)。
(1)选取网中一点的坐标值并加以固定，或给以适当的权； (2)网中的点均不固定，通过自由网伪逆平差或拟稳平差，确 定网的位置基准；
(3)在网中选若干点的坐标值并加以固定； (4)选网中若干点(直至全部点)的坐标值并给以适当的权。
二、外业观测方法
1、外业观测计划设计
(1)编制GPS卫星可见性预报图：利用卫星预报软件，输入测区 中心点概略坐标、作业时间、卫星截止高度角≥15°等，利用不 超过20天的星历文件即可编制卫星预报图。
(2)编制作业调度表：应根据仪器数量、交通工具状况、测区 交通环境及卫星预报状况制定作业调度表。作业表应包括：
• 观测时段(测站上开始接收卫星信号到停止观测，连续工 作的时间段)，注明开、关机时间；
• 测站号、测站名；接收机号、作业员；
二、外业观测方法
1、外业观测计划设计
2、野外观测
野外观测应严格按照GPS测量规范的技术设计要求进行。
3 GPS卫星定位的基本原理
GPS卫星定位原理是测量学中的空间距离交会方法。
S1
SS22：
• 按观测值的不同，分为伪距观测定位 和载波相位测量定位；
• 按使用同步观测的接收机数和定位解算方法来分，有单点定位 (绝对定位)和差分定位(相对定位)； • 根据接收机的运动状态可分为静态定位 和动态定位。
网的图形设计
《GPS卫星定位原理》PPT课件
静态定位与动态定位的不同点
静态定位
动态定位
可靠性强，定位精度 高，在大地测量、工 程测量中得到了广泛 的应用，是精密定位 中的基本模式。
可测定一个动点 的实时位置、运 动载体的状态参 数。如速度、时 间和方位等。
二、单点定位与相对定位
1. 单点定位(绝对定位) 独立确定待定点在坐标系中的绝对位置的方法称为单点定位或绝对定位。由
均为已知值。待定点P即为需要确定的船舶位置。用户用专用的无线电接收机按被
动式测距方式测定了至A点的距离RA和至B点的距离RB。于是我们就能根据以A为 圆心，以RA为半径的定位圆和以B为圆心以RB为半径的定位圆交出待定点P的位置.
A （圆心）
B（圆心）
当然两圆相交一般有两个交点，但根据待定点的概略位置通常是不难加以判断 和取舍的。而且为了提高解的精度和可靠性，实际上使用的已知信号发射台也往 往不止两个。也就是说实际上我们往往是从三个或三个以上已知点来交会P点的。 在这种情况下便不再存在多值性问题。
后到达接收机，接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码（复制 码），并通过时延器使其延迟时间 。将这两组测距码进行相关处理，若自相关系
数已和接收，到则的继来续自调卫整星延的迟测时距间码对，齐直，到复自制相t码关的系延数迟时间或趋就近等于于1卫为星止信。号此的时传复播制时码
间 。 将 乘 上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。
播时间 ，它还包含了两台钟不同步的影响在内。此外，由于信号并不是完全在真
空中传播的，因而观测值 中也包含了大气传播延迟误差。在伪距测量中，一般把
在
的条件下求得的时延 和真空中的光速c的乘积 当作观测值，下面我
们将建立卫星与接收机之间R(的t) 几 m何a距x 离 与观测值 之间的关系式。
精品课程《GPS原理及应用》课件第5章 GPS卫星导航
利用（2）式解算运动载体的实时点位时，后续点位 的初始坐标值可以依据前一个点位坐标来假定，因 此，关键是要确定第一个点位坐标的初始值，才能 精确求得第一个点位的三维坐标。
5.2.2 伪距差分动态定位
所谓差分动态定位（DGPS）就是用两台 接收机在两个测站上同时测量来自相同GPS 卫星的导航定位信号，用以联合测得动态用户 的精确位置，其中一个测站是位于已知坐标点， 设在该已知点（又称基准点）的GPS信号接 收机，叫做基准接收机。它和安设在运动载体 上的GPS信号接收机（简称动态接收机）同 时测量来自相同GPS卫星的导航定位信号。
基准接收机所测得的三维位置与该点已知值进 行比较，便可获得GPS定位数据的改正值。 如果及时将GPS改正值发送给若干台共视卫 星用户的动态接收机，而改正后者所测得的实 时位置，便叫做实时差分动态定位。
由式（1）可知，基准站R测得至GPS卫星j的 伪距为
5.2.3 动态载波相位差分测量
GPS载波相位测量方位不仅适用于静态 定位，同样也适用于动态定位，并且已取得厘 米级的三维位置精度。 由载波相位观测方程得出动态差分方程：
不仅如此，GPS卫星的入轨运行，还为 大地测量学、地球动力学、地球物理学、天体 力学、载人航天学、全球海洋学和全球气象学 提供了一种高精度和全天候的测量新技术。 GPS在导航领域的应用，有着比GPS静 态定位更广阔的前景，两者相比较，GPS导 航具有：用户多样、速度多变、定位实时、数 据和精度多变等特点。因此，应该依据GPS 动态测量的这些特点，选购适宜的接收机，采 用适当的数据处理方法，以便获得所要求的运 动载体的状态参数的测量精度。
定时有着广泛的应用。从日常生活到航天 发射，从出外步行到航空航海，都离不开定时。 随着使用目的的不同，人们对时间准确度的要 求也不一样。 GPS卫星都安装有4台原子时钟，GPS 时间受美国海军天文台经常性监测。GPS系 统的地面主控站能够以优于±5ns的精度，使 GPS时间和世界协调时之差保持在 以 内。此外，GPS卫星还向用户播发自己的钟 差、钟速和钟漂等时钟参数，加之利用GPS 信号可以测得站址的精确位置，因此，GPS 卫星可以成为一种全球性的用户无限的时间信 号源，用以进行精确的时间比对。
第五章GPS卫星定位基本原理PPT课件
4.1)接收机 k 对卫星 j 的载波相位测量的观测方程：
kj k kj N0j In( t )Nkj cf ftaftbcf 1cf 2
• f：接收机产生的固定参考频率
• c: 光速
• ρ：卫星至接收机之间的距离 （未知数）
•δρ1：电离层影响 •δρ2：对流层影响 •δta ：卫星钟差 •δtb ：接收机钟差（未知数）
编辑版pppt
2
测角交会法
B
P
P
A
C
A
B
前方交会
A
B
侧方交会
P
后方交会
A、B和C点坐标已知，P点坐标未知
编辑版pppt
3
测边（距）交会法
3. 无线电接收机或卫星
▪ 无线电导航定位 ▪ 卫星激光测距定位
P
1)ABC为三个无线电信号发射台,坐标已
知
d1
d3
2)P为用户接收机
d2 A
C 3)采用无线电测距方法测得PA PB PC
整周数为
N
j 0
，则此时的相位观测值为：
kj(t0)0N0j k(t0)kj(t0)N0j
编辑版pppt
23
▪ 任一时刻ti卫星Sj 到k接收机的相位差：
k j(ti)k(ti)k j(ti) N 0 j I( n )t
整周模糊度（常数） 整周数变化量
编辑版pppt
三差法
24
5.3.2 载波相位测量的观测方程(1)
4.特点 1)适用于导航和低精度测量
2) 定位速度快；
3)可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模
糊度）的辅助资料。
编辑版pppt
8
5.2 伪距测量 5.2.1伪距测量
kj k kj N0j In( t )Nkj cf ftaftbcf 1cf 2
• f：接收机产生的固定参考频率
• c: 光速
• ρ：卫星至接收机之间的距离 （未知数）
•δρ1：电离层影响 •δρ2：对流层影响 •δta ：卫星钟差 •δtb ：接收机钟差（未知数）
编辑版pppt
2
测角交会法
B
P
P
A
C
A
B
前方交会
A
B
侧方交会
P
后方交会
A、B和C点坐标已知，P点坐标未知
编辑版pppt
3
测边（距）交会法
3. 无线电接收机或卫星
▪ 无线电导航定位 ▪ 卫星激光测距定位
P
1)ABC为三个无线电信号发射台,坐标已
知
d1
d3
2)P为用户接收机
d2 A
C 3)采用无线电测距方法测得PA PB PC
整周数为
N
j 0
，则此时的相位观测值为：
kj(t0)0N0j k(t0)kj(t0)N0j
编辑版pppt
23
▪ 任一时刻ti卫星Sj 到k接收机的相位差：
k j(ti)k(ti)k j(ti) N 0 j I( n )t
整周模糊度（常数） 整周数变化量
编辑版pppt
三差法
24
5.3.2 载波相位测量的观测方程(1)
4.特点 1)适用于导航和低精度测量
2) 定位速度快；
3)可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模
糊度）的辅助资料。
编辑版pppt
8
5.2 伪距测量 5.2.1伪距测量
GPS卫星定位基本原理
一、伪距测量
❖ 基本过程:
❖
GPS卫星依据自己的时钟发出某一结构的测
距码，该码通过一定时间τ到达接收机。同时接
收机依据本身的时钟也产生一组结构完全相同的
测距码（复制码），并通过时延器使其延迟一定
时间，将延迟后的测距码与接收到的测距码进行
相关运算处理，通过测量相关函数的最大值位置
来测定卫星信号的传播延迟，从而计算出卫星到
一、伪距测量 ❖ 接收机位置坐标: WGS-84坐标系下的坐标（根据大地坐标的
正反算公式可将其转化为大地经纬度坐标）。
❖伪距单点定位的精度: 约30米左右
❖伪距单点定位既可用于静态定位, 也可用于动态定位。
一、伪距测量
4 .伪距单点定位的精度估算
❖定位的精度除了与观测量的精度有关外, 与所观测的卫星的 ❖几何位置有关, 因此说GPS定位的精度与卫星的分布有关,在 GPS观测处理时应对观测卫星进行选择。
二、载波相位测量
以周计，则为:
~kj
(i)
k
(tki
)
kj
(tki
)
k
(tki
)
j
(t
i j
)
~kj (i) = kj (i) +
j k
(i
)
当接收机跟踪到卫星信号后，称为初始历元，i=1，则有:
~kj (1) =
j k
(1)
+
j k
(1)
令第一个历元的相位观测值为:
~kj (1) =
~
j k
c
1 k
c
2 k
c
3 k
c
4 k
1X k
1
Yk
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tu：钟脉冲的时间间隔 码值1 码状态 -1 . 码值0 码状态 +1 8
GPS测距码
• C/A码（Coarse/Acquisition Code） 10级
1周期含码元数N：1023； 码率：1.023MHz；
码元宽度tu：0.98us(293.05m)；精度：2.9m
周期：Tu=Ntu=1ms；
.
2
S2 S1
ρ2 ρ1
GPS定位基本原理
S3
运用空间距离前方交会的方
法求出卫星的位置。
运用空间距离后方交会的方 ρ3 法求测站点的位置。
观测值：距离
P
1 2 ( X X 1 ) 2 ( Y Y 1 ) 2 ( Z Z 1 ) 2
2 2 ( X X 2 ) 2 ( Y Y 2 ) 2 ( Z Z 2 ) 2
• 绝对定位与相对定位： 绝对定位——求测站点相对于地心的坐标；（静态） 相对定位——求测站点相对于某已知点的坐标增量；
.
4
§5.2 伪距测量
• GPS测距码 • 5.2.1 伪距:卫星发射的测距码信号到达
GPS接收机的传播时间乘以光速。 • 5.2.2 伪距定位观测方程
.
5
GPS测距码 码：表达信息的二进制数及其组合
t j t j(GPS)t j
ti
ti (GPS)ti
tj a 0 a 1 ( t t0 ) a 2 ( t t0 )2
信号传播时间
tij ti tj ti( G) P tj( G S ) P ti S tj
伪距
ijc tijc(ti(G)P tjS (G)P )cS (tjti)
c(tjti) .
粗码/捕获码；
仅被调制在L1上
• P（Y）码（Precise Code）
1周期含码元数：6.19×1012；
码率：10.23MHz；
周期：7天；
码元宽度：0.098us(29.30m)； 精度:0.29m
精码；
被调制在L1和L2上
.
9
测距码（续）
.
10
5.2.1 码相关伪距测量原理
（1）卫星依据自己时钟（钟脉冲） 发出某一结构的测距码，经过△t时 的传播到达GPS接收机。
3 2 (X X 3 )2 ( Y Y 3 )2 . ( Z Z 3 )2
3
GPS定位方法及分类
• 依据测距的原理划分： 伪距法定位（测码） 载波相位测量定位（测相） 差分定位
• 依据（接收机）待定点运动状态划分 动态定位——认为接收机相对于地面是运动的 静态定位——认为接收机相对于地面静止不动
14
RINEX 2 格式的广播电文含义
PRN号
年月日时分秒
a0
AODE
Crs
Cuc
e
t0
Cic
i0
Crs
i
cflgl2
卫星精度 卫星健康
信息传输时间
a1 △n Cus Ω0 ω GPD Tgd
a2 M0
a
Cis
pflgl2
AODC
.
15
地球大气结构
.
16
大气折射效应
色散介质与非色散介质
– 色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射 效应也不同
– 非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折 射效应相同
– 对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层 是非色散介质
.
17
电离层对C/A码影响
C/A码
在电离层中以群速Vg 传播 （级数展开）
ng 140 .28 N f2
Vg
c
ng
c(140.28Nf2)
其速度与频率有关 tVgdtc4f0.22 8 RNedR
电离层改正的大小主 ion
要取决于电子总量和
信号频率
ionc4f0.22 8RNedR
.
18
电离层对载波影响
•载波是正弦波
•在电离层中以相速度传播
ng 140.28N f2
ionc4f0.22 8 RNdR
电离层影响与太阳黑子活动有关
与卫星到接收机方向有关，天顶方向最大50m延迟 高度角20°时150m延迟
11
5.2.2 伪距定位观测方程
由卫星钟驱动下产生的GPS信号，离 开卫星发射天线，在地球引力场中穿越大 气层，进入接收机内部，与接收机自身产 生的参考信号相比较，得到GPS观测值。
观测方程要反映该过程
.
12
5.2.2 伪距定位观测方程
三种时间系统
.
13
5.2.2 伪距定位观测方程
卫星发出信号时间（以卫星钟面时间标准） 接收机接收的时间（以接收机钟面时间标准）
模二相加运算规则
1 1 0;
1 0 1;
0 1 1;
0 00
脉冲：在短时间内突变，随后又迅速返回到其初始值的 物理量；
脉冲信号：像脉搏跳动一样的信号，相对于直流，断续
的信号。
.
6
状态
各存储器单元
模二相加 输出
编号
1 2 3
④ ③ ②①
1 1 11 1 1 10 1 1 00
④③
0 0 0
第五章 GPS卫星定位基本原理
§5.1 概 述 §5.2 伪距测量 §5.3 载波相位测量 §5.4 整周跳变的修复 §5.5 GPS绝对定位与相对定位 §5.6 美国的GPS政策 §5.7 差分GPS定位原理
.
1
§5.1 概 述
• 测角交会 前方交会 后方交会
• 测边（距）交会法 两条边可确定P点坐标 无线电导航定位 卫星激光测距定位
• 伪距测量的特点：无模糊度，精度低。
.
21
（2）接收机在自己钟脉冲驱动下， 产生一组结构完全相同的复制码。
（3）通过时延器使之延迟时间τ，对 两码进相关比较。
（4）直至两码完全对齐，相关系数
R（t）=max=1，则该时间延迟τ即 为传播时间△t（τ=△t）。
（5）距离ρ=c·△t=c·τ。
复制码 １１１１０００１００１１０１０１１１
接收码
１１１１０.００１００１１０１０
码元
1 1 1
四 级 反 馈 移
4
1 0 00
1
1
位
5
0 0 01
0Байду номын сангаас
0
寄
6
0 0 10
0
0
存
7
0 1 00
1
0
器
8
1 0 01
1
1
的
9
0 0 11
0
0
状
10
0 1 10
1
0
态
11 1 1 0 1
1
0
1
序
12
0 10
1
1
列
13
0 1 01
1
0
14
1 0 11
1
1
15
0 1 11
.
1
0
7
四级反馈移位寄存器
.
19
对流层影响
从地面到高空40KM大 气层为对流层；
电磁波经过对流层会产 生延迟，和温度、湿度、 气压有关；
天顶方向可达2—3m， 高度角10o，可达13m。
.
20
5.2.2 伪距定位观测方程
• 考虑大气影响，伪距测量方程为
io n dr o cp ti ctj
1
[(Xj Xi)2(Yj Yi)2(Zj Zi)2]2cti ion d ro pctj
GPS测距码
• C/A码（Coarse/Acquisition Code） 10级
1周期含码元数N：1023； 码率：1.023MHz；
码元宽度tu：0.98us(293.05m)；精度：2.9m
周期：Tu=Ntu=1ms；
.
2
S2 S1
ρ2 ρ1
GPS定位基本原理
S3
运用空间距离前方交会的方
法求出卫星的位置。
运用空间距离后方交会的方 ρ3 法求测站点的位置。
观测值：距离
P
1 2 ( X X 1 ) 2 ( Y Y 1 ) 2 ( Z Z 1 ) 2
2 2 ( X X 2 ) 2 ( Y Y 2 ) 2 ( Z Z 2 ) 2
• 绝对定位与相对定位： 绝对定位——求测站点相对于地心的坐标；（静态） 相对定位——求测站点相对于某已知点的坐标增量；
.
4
§5.2 伪距测量
• GPS测距码 • 5.2.1 伪距:卫星发射的测距码信号到达
GPS接收机的传播时间乘以光速。 • 5.2.2 伪距定位观测方程
.
5
GPS测距码 码：表达信息的二进制数及其组合
t j t j(GPS)t j
ti
ti (GPS)ti
tj a 0 a 1 ( t t0 ) a 2 ( t t0 )2
信号传播时间
tij ti tj ti( G) P tj( G S ) P ti S tj
伪距
ijc tijc(ti(G)P tjS (G)P )cS (tjti)
c(tjti) .
粗码/捕获码；
仅被调制在L1上
• P（Y）码（Precise Code）
1周期含码元数：6.19×1012；
码率：10.23MHz；
周期：7天；
码元宽度：0.098us(29.30m)； 精度:0.29m
精码；
被调制在L1和L2上
.
9
测距码（续）
.
10
5.2.1 码相关伪距测量原理
（1）卫星依据自己时钟（钟脉冲） 发出某一结构的测距码，经过△t时 的传播到达GPS接收机。
3 2 (X X 3 )2 ( Y Y 3 )2 . ( Z Z 3 )2
3
GPS定位方法及分类
• 依据测距的原理划分： 伪距法定位（测码） 载波相位测量定位（测相） 差分定位
• 依据（接收机）待定点运动状态划分 动态定位——认为接收机相对于地面是运动的 静态定位——认为接收机相对于地面静止不动
14
RINEX 2 格式的广播电文含义
PRN号
年月日时分秒
a0
AODE
Crs
Cuc
e
t0
Cic
i0
Crs
i
cflgl2
卫星精度 卫星健康
信息传输时间
a1 △n Cus Ω0 ω GPD Tgd
a2 M0
a
Cis
pflgl2
AODC
.
15
地球大气结构
.
16
大气折射效应
色散介质与非色散介质
– 色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射 效应也不同
– 非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折 射效应相同
– 对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层 是非色散介质
.
17
电离层对C/A码影响
C/A码
在电离层中以群速Vg 传播 （级数展开）
ng 140 .28 N f2
Vg
c
ng
c(140.28Nf2)
其速度与频率有关 tVgdtc4f0.22 8 RNedR
电离层改正的大小主 ion
要取决于电子总量和
信号频率
ionc4f0.22 8RNedR
.
18
电离层对载波影响
•载波是正弦波
•在电离层中以相速度传播
ng 140.28N f2
ionc4f0.22 8 RNdR
电离层影响与太阳黑子活动有关
与卫星到接收机方向有关，天顶方向最大50m延迟 高度角20°时150m延迟
11
5.2.2 伪距定位观测方程
由卫星钟驱动下产生的GPS信号，离 开卫星发射天线，在地球引力场中穿越大 气层，进入接收机内部，与接收机自身产 生的参考信号相比较，得到GPS观测值。
观测方程要反映该过程
.
12
5.2.2 伪距定位观测方程
三种时间系统
.
13
5.2.2 伪距定位观测方程
卫星发出信号时间（以卫星钟面时间标准） 接收机接收的时间（以接收机钟面时间标准）
模二相加运算规则
1 1 0;
1 0 1;
0 1 1;
0 00
脉冲：在短时间内突变，随后又迅速返回到其初始值的 物理量；
脉冲信号：像脉搏跳动一样的信号，相对于直流，断续
的信号。
.
6
状态
各存储器单元
模二相加 输出
编号
1 2 3
④ ③ ②①
1 1 11 1 1 10 1 1 00
④③
0 0 0
第五章 GPS卫星定位基本原理
§5.1 概 述 §5.2 伪距测量 §5.3 载波相位测量 §5.4 整周跳变的修复 §5.5 GPS绝对定位与相对定位 §5.6 美国的GPS政策 §5.7 差分GPS定位原理
.
1
§5.1 概 述
• 测角交会 前方交会 后方交会
• 测边（距）交会法 两条边可确定P点坐标 无线电导航定位 卫星激光测距定位
• 伪距测量的特点：无模糊度，精度低。
.
21
（2）接收机在自己钟脉冲驱动下， 产生一组结构完全相同的复制码。
（3）通过时延器使之延迟时间τ，对 两码进相关比较。
（4）直至两码完全对齐，相关系数
R（t）=max=1，则该时间延迟τ即 为传播时间△t（τ=△t）。
（5）距离ρ=c·△t=c·τ。
复制码 １１１１０００１００１１０１０１１１
接收码
１１１１０.００１００１１０１０
码元
1 1 1
四 级 反 馈 移
4
1 0 00
1
1
位
5
0 0 01
0Байду номын сангаас
0
寄
6
0 0 10
0
0
存
7
0 1 00
1
0
器
8
1 0 01
1
1
的
9
0 0 11
0
0
状
10
0 1 10
1
0
态
11 1 1 0 1
1
0
1
序
12
0 10
1
1
列
13
0 1 01
1
0
14
1 0 11
1
1
15
0 1 11
.
1
0
7
四级反馈移位寄存器
.
19
对流层影响
从地面到高空40KM大 气层为对流层；
电磁波经过对流层会产 生延迟，和温度、湿度、 气压有关；
天顶方向可达2—3m， 高度角10o，可达13m。
.
20
5.2.2 伪距定位观测方程
• 考虑大气影响，伪距测量方程为
io n dr o cp ti ctj
1
[(Xj Xi)2(Yj Yi)2(Zj Zi)2]2cti ion d ro pctj