《gps测量原》ppt课件

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1、第2章GPS测量原理2.1利用到达时间测量值测距2.2参考坐标系2.3利用伪随机噪声（PRN）码确定位置2.4GPS载波相位测量定位2.1利用到达时间测量值测距2.1.1二维位置确定考虑在海上的船员从雾号角确定其船位的情形。假设船只装备有精确的时钟，并且船员知道船只的大致位置。还假设雾号角准确地在分钟标记时发声，并且船只的时钟与雾号角的时钟是同步的。船员记下从分钟标记到听到雾号角的声音之间所经历的时间。雾号角号音的传播时间便是雾号角的号音离开雾号角并传到船员的耳朵所经历的时间。这个传播时间乘以音速（大约335m/s）便是从雾号角到船员的距离。如

2、果雾号角信号经过5s到达船员的耳朵，那么距雾号角的距离为1675m。将这个距离记为R1。这样，借助于一个测量值，船员便知道船只处于以雾号角为圆心，以R1为半径的圆上的某一个地方，如图2－1所示。此雾号角记为1号雾号角。图2-1从单一源测量距离假设船员用同样的方法还同时测量了距第2个雾号角的距离，那么船只应该距1号雾号角的距离为R1，距2号雾号角的距离为R2，如图2-2所示。这里假定了各雾号角均与公共的时间基准作同步发射，而且船员知道两个雾号角号音的发射时刻。因此，相对于这些雾号角来说，船只位于两个距离的圆周的交点A、B之一上。由于假设船员知道大

3、致的船位，因此可以去掉那个一般不可能的定位点。还可以对第3个雾号角作距离测量，以消除这种多值性，如图2－3所示。图2-2从两个源的测量所产生的多值性图2-3用附加测量消除位置多值性1.公共时钟偏差和补偿上述的推演假设船只的时钟与雾号角的时间基准是精确同步的,然而实际情形有可能并非如此。假定船只的时钟比雾号角的时钟基准早1s。也就是说，船只的时钟的分钟标记提早1s发生。由于这种偏差，由船员测量出的传播时间间隔将大出1s。因为每次测量都使用了相同的不正确的时间基准，对每次测量来说，时间偏差是相同的（即存在公共偏差）。这个时间偏差等效于335m（音速

4、为335m/s）的距离误差，在图2-4中记为ε。交点C、D和E与真船位A的差异是船只时钟偏差的函数。如果这种偏差能被消除或补偿掉，那么这些测距圆便会交于A。图2-4接收机时钟偏移对TOA测量的影响2.独立的测量误差对位置不确定性的影响如果要将上述假设的场景付诸实现，由于大气效应、雾号角始终相对于雾号角时间基准而发生偏移以及号音受到干扰等原因造成的误差，TOA测量值不会是完全理想的。和上述船只时钟偏移的情况不一样，这些误差一般来说是独立的，对所有测量值来说是不相同的。它们将以不同的方式影响测量，从而导致测距计算不精确。图2-5表示独立误差（即ε1

5、、ε2和ε3）对位置确定的影响，但我们仍然假设雾号角时间基准与船员时钟是同步的。此时这三个测距圆不相交于一点，船位在三角误差区域中的某个地方。图2-5独立测量误差对位置确定的影响2.1.2利用卫星测距信号确定位置的原理GPS利用TOA测距以确定用户位置。借助于对多颗卫星的TOA测量，就可以确定用户在三维空间的位置。这种技术与前面雾号角的例子是类似的（作为定位基准点的雾号角静止不动，而作为定位基准点的卫星处于动态运动，并且卫星信号以光速(c)传播，大约为3×108m/s），这样便增加了GPS系统的定位难度：其一，即使很小的时钟偏差也会导致较大的

6、距离误差，降低定位精度；其二，如何准确知道作为定位基准点的卫星的瞬间位置？这里暂且忽略这些因素的影响（这些内容随后讨论）。假定有一颗卫星正在发射测距信号。卫星上的一个时钟控制着测距信号广播的定时。在星座内每一颗卫星上的这一个时钟和其他时钟必须与一个记为GPS系统时（以后简称系统时）的内在系统时间标度同步。用户接收机也包含有一个时钟，我们暂时假定它与系统时同步。定时信息嵌入在卫星的测距信号中，它使接收机能够计算出信号离开卫星的时刻。记下接收到卫星信号的时刻，便可以算出信号从卫星至用户的传播时间。将其乘以光速便可以求得卫星至用户的距离R。这一测量过

7、程的结果如图2-6（a）所示，将把用户定位于以卫星为球心的球面上的某一个地方。如果同时用第二颗卫星的测距信号进行测量，又将用户定位在以第二颗卫星为球心的第二个球面上。因此用户将同时在两个球面上的某一个地方，它有可能在图2-6（b）所示两个球的相交平面即阴影圆的圆周上，或者在两个球相切的单一点上（此时两球相切）。后一种情况只能发生在用户与两颗卫星处于一条线上时，这并不是典型的情形。相交平面与卫星之间的连线相垂直，如图2-6（c）所示。图2-6卫星定位的原理图(a)用户位置在球面上；(b)用户位于阴影圆的圆周上；(c)相交平面；(d)用户位于阴

8、影圆的两点之一上；(e)用户位于圆周的两点之一上2.2参考坐标系2.2.1地心惯性（ECI）坐标系为测量和确定GPS卫星的轨道，利用地心惯性（ECI