GPS测量导航定位原理培训PPT图文讲义

内容摘要：

GPS导航定位原理：
伪距测量
载波相位测量
绝对定位和相对定位
导航原理与方法
GPS测量误差来源
GPS定位方法分类：
定位方法分类
按参考点的不同位置划分为：
（1）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。
（2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。
按用户接收机作业时所处的状态划分：
（1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。
（2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。
在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。
GPS观测量的基本概念：
无论采取何种GPS定位方法，都是通过观测GPS卫星而获得某种观测量来实现的。GPS卫星信号含有多种定位信息，根据不同的要求，可以从中获得不同的观测量，主要包括：
•根据码相位观测得出的伪距。
•根据载波相位观测得出的伪距。
•由积分多普勒计数得出的伪距。
•由干涉法测量得出的时间延迟。
采用积分多普勒计数法进行定位时，所需观测时间较长，一般数小时，同时观测过程中，要求接收机的震荡器保持高度稳定。干涉法测量时，所需设备较昂贵，数据处理复杂。
这两种方法在GPS定位中，尚难以获得广泛应用。
目前广泛应用的基本观测量主要有码相位观测量和载波相位观测量。
GPS伪距测量：
伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测出的到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法（原理与观测方程将随后介绍）求定接收机天线所在点的三维坐标。

什么叫伪距？
所测伪距就是由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所得出的量测距离。由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称量测出的距离为伪距。
用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距，用P码测量的伪距为P码伪距。
伪距法定位特点：
伪距法定位虽然一次定位精度不高，P码定位误差约为10m，C/A码定位误差为20-30m，但因其具有定位速度快，且无多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统进行导航的最基本方法。同时，所测伪距又可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（整周模糊度）的辅助资料。
GPS载波相位测量：
载波相位测量是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，通过相位差来求解接收机位置。
由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度293m，P 码码元宽度29.3m，而L1载波波长为19.03cm， L2载波波长为24.42cm，在分辨率相同的情况下， L1载波的观测误差约为2.0mm， L2载波的观测误差约为2.5mm。而C/A码观测精度为2.9m，P码为0.29m。
载波相位观测是目前最精确的观测方法。
载波相位测量的主要问题：
载波相位观测的主要问题：无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题。此外，在接收机跟踪GPS卫星进行观测过程中，常常由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整周跳变现象。有关整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理而解决，但将使数据处理复杂化。
整周未知数和整周跳变：
确定整周未知数N0是载波相位测量的一项重要工作，常用的方法有下列几种：
1、伪距法
2、经典方法－将整周未知数作为待定参数求解
3、多普勒法（三差法）
4、快速确定整周未知数法
1、伪距法
伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值（化为以距离为单位）后即可得到λ×N0。但由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的观测值取平均值后才能获得正确的整波段数。
2、经典方法
把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定。分两种方法：
（1）整数解
由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一个整数，然后将其固定为整数，并重新进行平差计算。也称为固定解（fixed solution）
（2）实数解
当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估计很准确，此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解（floating solution）
3、多普勒法（三差法）
由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含有相同的整周未知数，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就将该未知数消去，从而直接接触坐标参数，这就是多普勒法。
由于三差法可以消除许多误差，所以使用较广泛。
4、快速确定整周位置数法
1990年E.Frei和G.Beutler提出了快速模糊度（即整周未知数）解算法进行快速定位的方法。采用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟便能成功的确定整周未知数。
如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，受无线电信号干扰造成失锁，这样计数器无法连续计数，因此，当信号重新被跟踪后，整周计数就不正确，但是不到一个整周的相位观测值仍是正确的，这种现象称为周跳。

投稿会员：芳华