第三个卫星导航项目. ppt

第3章卫星导航原理3.10载波相位测距原理（相位测量伪距观测）1.载波相位测量载波相位测量的观测是指接收机接收到的卫星载波信号的相位与本地参考信号之差. 本地参考信号的频率接近卫星广播的标称载波频率. 但是，由于多普勒效应，接收到的载波频率与本地参考信号的频率不同. 我们所谓的相位观测就是这两个信号之间的相位差. 3.相位定位伪距静态定位原理方法: 增加观测周期静态观测站Tk，观测卫星数为1，观测周期数为1，相位测量伪距观测值为1. 待寻找的未知数包括: 观测站Tk的三个坐标分量，时钟误差参数以及整周的歧义数等于所测量的卫星数. 为了解决未知数，观测方程的总数必须满足以下公式: 也就是说，当使用相位检测伪距方法进行静态绝对定位时，由于整个周期的不确定性问题，至少有4颗卫星必须在同一情况下进行观测在三个不同的时期中，对同一组卫星的观测可以找到观测站的位置. 当定位精度不高且观测时间短时，可以将GPS接收机的时钟差视为一个常数，因此求解条件成为通过在观测站Tk的时期内观测卫星而获得的误差. 公式. 3.12 GPS定位的主要误差来源分析GPS定位的主要误差来自以下三个方面: （1）空间卫星误差.

主要是卫星星历误差，卫星时钟误差误差和卫星设备延迟误差； （2）错误. 主要有测量误差，计算误差和设备延迟误差. （3）外部条件错误. 主要是由卫星信号传播中的错误引起的. 对流层传播延迟，电离层传播延迟和多径效应等误差. 卫星星历误差卫星星历和卫星时钟误差都是定位中的已知值. 然而，它们都是由地面控制部分测量的，并且存在误差，特别是广播星历具有较大的误差. 卫星位置误差通常由径向，切向和法线方向的三个分量误差表示. 由于GPS卫星轨道较高，切线和法向误差基本上没有影响，主要是径向误差. 也就是说，卫星位置误差的径向分量可以近似等于伪距误差dP. 在使用卫星导航消息的情况下，通常估计广播星历的相应轨道误差为5-10m. 在测量了精确的星历后，跟踪精度可以优于5m. 卫星时钟误差卫星时钟误差Δts定义为卫星时钟时间与GPS时间之间的差. GPS地面控制站连续预测该误差，并通过导航消息广播时钟差多项式系数a0，a1和a2的估计值. 用户按下以校正时钟差. 式中，t为GPS时，toc为与卫星时钟差系数对应的基准时间. 时钟差Δt可以达到1ms（导致距离误差cΔt= 300 000m），但是时钟差校正公式的精度可以达到8ns，相当于2.4m.

时钟误差时钟误差Δtr是指时钟面和GPS时间之间的偏差，并且该误差取决于时钟漂移的大小. 时钟漂移表示时钟差的漂移率，其大小取决于所用时钟的质量. 对于定位，时钟漂移相对稳定. 时钟差的大小通常约为微秒. 由于时钟差与接收机有关，因此同一接收机观测到的所有卫星都对应于同一时钟差参数，因此在求解位置参数时可以一起估算此误差. 测量误差观测噪声ε与组件，跟踪环路带宽，载波操纵条件，信噪比等有关. 对于C / A码伪距，此误差约为1-3m；对于C / A码伪距，此误差约为1-3m. 对于P码，此误差约为10-30厘米. 对于相位观察，此误差约为3-5mm. 多径效应εmulti是指由天线周围其他表面反射的卫星信号叠加到接收信号中引起的误差效应. 相位观测的多径误差通常小于载波波长的25％. 例如，对于L1载波，此误差约为5cm，并且码观察的多径效应通常小于293m（C / A码）或29.3米（P码）. 此错误在静态定位中是系统性的，但很难用模型进行模拟. 由于载体在动态应用下的运动，该误差通常表示为随机误差. 使用接地射频吸收器和调整天线位置可以减少此错误的影响. 多径效应误差电离层延迟误差电离层是指距地面50-1000 km的大气.

在信号传播期间，由于电离层折射的影响，会产生额外的信号传播延迟，从而导致测得的信号传播时间出现误差，从而导致观测结果出现误差. 此错误对代码观测和相位观测的影响是非常不同的，也就是说: 电离层效应会导致代码观测的延迟，而载波相位观测的符号却相反. 这是一个值得注意的重要功能. 电离层引起的误差主要与从卫星到沿视线的电子密度有关，其影响取决于信号频率，观测方向的仰角和观测时间的电离层状况. . 严重时，此错误的影响可能长达150m；不仅如此，当电离层活动剧烈时，由于总电子含量的快速变化，还会引起多普勒频移的变化，从而可能导致频繁的锁相丢失. 电离层附加延迟随视线方向的变化是仰角越大，撞击越小；反之亦然. 仰角越小，影响越大；当仰角E = 90度（天顶方向）时，影响最小. 如果天顶方向效果为1，则当E = 20度时，电离层效果为2，而当E = 10度时，电离层效果为3. 电离层的附加延迟也随观察时间（电离层特性）而变化. 通常，电离层的附加延迟在晚上较小，而在白天较大. 对于L波段，当L = 90度时，夜间的平均电离层延迟约为10微秒. 白天的平均时间约为50微秒. 另外，信号频率越高，电离层的附加延迟越小，反之亦然. 在公式中，dion是电离层信号的附加延迟（m）； b为常数，其值为1.6×10-3； f是信号载波频率（Hz）； Iv是电子密度的垂直分布（电子数/ m2），E是仰角.

描述附加的电离层延迟误差有两种方法可以减少电离层误差的影响: 第一种方法: 双频观测的应用可以有效地减少其影响. 当使用两个频率L1和L2进行观测时，相应的电离层延迟可以按照公式进行缩写，其中f1和f2是两个载波的频率. 因此，可以从上式中两个伪距观测值之间的差异获得K值. 将L1 = 1575.42MHz和L2 = 1227.60MHz代入上式，以获得由两个载波的代码信号测得的伪距观测值. 方法: 使用导航消息中给出的数学模型来减少电离层误差的影响. 对流层传播延迟误差当电磁波信号通过对流层时，其传播速度与真空中的光速c不同，从而导致延迟. 其大小取决于对流层本身和卫星的高度角. 通常，对流层误差是使用数学模型和地面观测值根据气象数据（例如大气压，温度和湿度）估算和纠正的. 考虑到上述各种误差源的共同影响，可以将GPS伪距观测值P和载波相位观测值表示为以下伪距相位伪距公式，N为初始模糊度参数（周）；载波相位伪距观测噪声；用于伪距观测噪声；用于多径效果；的符号对于伪距观测是正的，对于相位观测是负的，因为电离层仅具有伪距和相位测量的效果. 相反，c是光速，dT是时钟误差（s），dt是卫星时钟误差（s），载波波长（m /周期），星历误差（m）和对流层校正（m）.

3.13差分GPS和相对定位GPS系统的实时定位功能，其精度根据所使用的而有所不同，或者所使用的伪随机噪声代码为P代码或C / A代码. 非美国军事或授权用户无法使用P代码，并且使用C / A代码的定位精度较低，无法满足大多数用户的要求. 许多技术人员正在寻找提高C / A代码实时导航（定位）准确性以满足不同用户需求的方法；差分定位就是这样一种技术. 在原子子午线系统的差分定位的基础上，差分定位得到了发展和改进. 差分测量的使用可以减弱系统偏差并提高准确性，但是作用范围有限. * *§3.10载波相位测距原理和定位原理§3.12多普勒测量§3.13GPS定位的主要误差源分析§3.14GPS差分定位和相对定位背景: 鉴于美国政府对全球定位系统的技术政策，民用用户不太可能使用精确代码（P代码）进行精确观察. 精确观测的获得是高精度定位的先决条件. 因此，使用GPS进行精确定位必须首先寻求一种无需知道P代码结构即可获得精确观测值的技术方法. 实际上，除了代码观察之外，GPS卫星信号还包含其他有用信息. 经过适当的信号处理后，可以提取其他一些高精度观测值. 载波相位测量和多普勒频率测量是两种广泛使用的有效观测技术.

测量接收到的载波信号和本地参考信号之间的相位差的方法是在接收机中将接收到的高频信号与本地信号混合以获得中频信号. 那么，该中频信号的相位值是接收信号与本地信号之间的相位差. 也就是说，通过测量中频信号的相位值来获得接收机所接收的卫星发送的信号与本地参考信号之间的相位差. 通常，GPS是多通道的，可以同时接收多个卫星广播的信号并进行相位测量. 常规相位（或相位差）测量仅给出一周内的相位值. 如果单位是星期，则是星期的小数. 实际上，如果对整个星期进行计数（例如，计数超过零），则可以在某个初始采样时间之后获得连续的相位测量值. 图3.10.1是连续相位测量的. 图3.10.1连续相位测量的中频信号，在初始时间t0和随后的t1，t2的相位测量值为: t0 t1 t2其中，N是初始时间的全相数t0. 通过计数器获得每个相位测量的周期总数，通过正常相位测量获得一周以下的分数. 通常，相位测量涉及多个卫星和多个. 为了弄清楚每个符号的含义并促进公式的推导，我们使用上标指示卫星序列号，并使用下标指示序列号. 这样，第k个接收机在接收机时钟时间tk观测第j颗卫星得到的相位观测值可写为: 其中，代表k个接收机在时间tk的本地参考信号的相位值；表示在时间tk处第k个的相位值，即接收到的第j个卫星载波信号的相位值.

因为无法在第一次采样时提供相位的整个相位数N（也就是说，给出的观察结果不包括整个周期的数字N），所以上式应该重写为初始观测日历. 元素相差的整周数通常称为整周模糊度参数. 用周期性事件进行测量时，大多数都包含此类歧义参数. 连续测量在载波相位测量中观察到的相位差. 也就是说，从第一次观察到随后的观察，观察不仅包括相位差的小数部分（以周为单位），还包括累积的整周. 显然，模糊参数对于不同的接收机和不同的卫星是不同的. 另外，一旦观测中断（例如，卫星不可见或信号中断）gps接收机工作原理 ppt，由于无法执行连续的全周期计数，即使同一接收机观测同一颗卫星，也无法使用相同的歧义参数. 这意味着同一接收机在同一卫星上进行的不同批次的观测不能使用相同的歧义参数. 因为载波频率高且波长短，所以载波相位测量精度高. 如果相位测量精度为1％f，则对于L1载波，波长为19.03cm，测距精度为0.19cm；对于L2载波，波长为24cm，测距精度为0.24cm. 载波相位测量的精度比伪随机码测距测量的精度高几个数量级. 2.载波相位测量的数学模型载波相位观测与其他形式的观测相同，并且是接收机和卫星位置（速度）的函数. 只有通过获得它们之间的功能关系，才能通过观察，导航和定位来确定的位置.

根据该图，在传播延迟之后，接收机在时间t接收到由卫星广播的相位事件. 换句话说，在接收机处于时钟面上时接收到的相位事件是GPS时间系统的时间t处卫星的相位事件. 而接收机在相位时间的传播延迟中的数字3.10.2为: 从卫星j到接收机机器k的传播延迟. 在地球静止坐标系中，传播延迟取决于接收机和卫星的位置，它们是时间的函数. 假设卫星和的几何位置为，则传播时间为: 根据泰勒级数，采用上述方程式并在tk（GPS）处扩展上述方程式. 高阶项可以忽略，因为tk（GPS）是未知的. 上面的公式需要在的时钟面上以tk的形式表示. 考虑到时钟误差，将其中一些引入上述公式，并根据tk处的泰勒级数进行扩展，并省略了高阶项. 可以看出gps接收机工作原理 ppt，上面的公式是一个迭代公式，执行了一次迭代，并且忽略了高阶. 上面可以讨论的项目是没有时钟错误的情况. 在考虑时钟误差时，相位和时间之间存在关系，并且可以写出相位观测值的表达式，以便将观测时间t0之后获得的相位观测值纳入上述公式，如果忽略，则必须考虑载波相位观测方程的影响. 载波相位测量伪距观测方程的观测相位包含在载波相位测量的观测中的卫星位置和接收机位置的信息. 这恰好是对接收机使用载波相位观测. 定位或卫星轨道确定的理论基础.

实际上，通过某种方法，可以预先确定每颗卫星的模糊度参数N，并且可以利用多颗卫星的相位观测来确定接收机的位置坐标和时钟差. 上式是相位测量的数学模型. 等式的右侧包括从卫星到的距离及其时间误差. 它们是卫星和位置的函数，左侧是相位观测. 阶段性伪距观测方程式在方程式中，等号的左侧是观测值，这是已知的，并且等号右侧的星钟的误差可以通过导航消息获得，这被认为是众所周知. 假设接收机同时观测到的卫星数为1，则方程中的未知数为4+，观测方程的总数仅为1，因此无法求解. 在同时观测4颗卫星的情况下，必须同时观测至少2个纪元. 定位求解过程: 首先，选择测站的粗略位置坐标（x0，y0，z0），并在此时忽略相位的伪距观测方程，对泰勒展开进行泰勒展开，而忽略高阶项，得到: 测得的伪距观测方程: 让最小二乘解为3.11多普勒测量（1）多普勒频率测量多普勒频移=多普勒效应是卫星到的距离的变化率，即卫星的径向速度. 如果可以测量多普勒频移，则可以获得距离变异性观测值: 测量载波多普勒频移的基本方法是利用接收机参考频率与卫星信号频率之间的差来确定. 假设的本地振荡频率为，卫星发射信号的载波频率为，接收的卫星信号的频率为，则将的本地振荡信号与接收到的卫星信号混合，得到差值. 因为已知，可以通过测量本地参考频率与接收信号频率之间的差来获得载波多普勒频移，然后可以进行距离变化观测.

考虑到接收机时钟差等的影响，实际测量的是伪距速率. 因此，根据距离变异性与台站接收机的运动速度分量之间的函数关系，当同时测量四颗卫星的距离变异性时，可以解决接收机的运动速度. 这就是多普勒速度测量的原理. 在公式中，它是时间段t2〜t1中的差频周期，称为多普勒计数，可以通过一个计数器来测量，通常用n表示，即2. 积分多普勒测量积分多普勒在时间段多普勒频移在t1〜t2之间. 该公式包含诸如用户的位置（x，y，z）和频率偏移之类的信息. 如果知道初始时间的坐标，则将连续观察四颗卫星的多普勒计数. 然后可以列出四个观测方程式来求解用户的位置. 这是多普勒定位的基本原理. 对于卫星j的多普勒计数，fs是卫星发射信号的载波频率，可以视为固定值；考虑到本地振荡频率与标称值f0的频率偏差，f0是本地振荡的参考频率，应改用上式中的f0. +

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