Southwest Jiaotong University GPS技术与应用 第五讲GPS观测量、观测方程 袁林果 西南交通大学测量工程系 Email:Igyuan@home.switu.edu.cn 51GPS定位的方法与观测量 A 1定位方法分类 按参考点的不同位置划分为 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。 口相对定位: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: 口静态定位:在定位过程中,接收机位置静止不动,是固定的 口动态定位: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。 2005.10.30 GS技术与应用
1 GPS技术与应用 第五讲 GPS观测量、观测方程 袁林果 西南交通大学测量工程系 Email: lgyuan@home.swjtu.edu.cn 2005-10-30 GPS技术与应用 2 5.1 GPS定位的方法与观测量 1.定位方法分类 按参考点的不同位置划分为： 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。 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： 静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。 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
2.回顾:GPs信号 Frequency Ratio of fundamental fre f Wavelength [cm Fundamental 10.23 quenc 29326 I LI Carrier, 575.42 154f 120f6 LS Carrier 1 15.fo C/A code 1. f/10 29326 W-code 05115 f。20 58651 Navigation 50.10 f/204600 N/A GFS技术与应用 3基本观测量 A ■根据码相位观测得出的伪距 口精码P1,P2:军用 口粗码C/A:民用 根据载波相位观测得出的伪距 口L1,L2载波相位:大地测量、测绘工程 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 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 2005.10.30 GS技术与应用 2
2 2005-10-30 GPS技术与应用 3 2. 回顾：GPS信号 Component Frequency [MHz] Ratio of fundamental frequency fo Wavelength [cm] Fundamental frequency fo 10.23 1 2932.6 L1 Carrier 1,575.42 154⋅fo 19.04 L2 Carrier 1,227.60 120⋅fo 24.45 L5 Carrier 1,176.45 115⋅fo 25.5 P-code 10.23 1 2932.6 C/A code 1.023 fo/10 29326 W-code 0.5115 fo/20 58651 Navigation message 50⋅10-6 fo/204,600 N/A 2005-10-30 GPS技术与应用 4 3. 基本观测量 根据码相位观测得出的伪距 精码 P1, P2 ：军用 粗码 C/A ：民用 根据载波相位观测得出的伪距 L1, L2载波相位：大地测量、测绘工程 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 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
3基本观测量 码相位观测 口测量GPS卫星发射的测距码信号(C/A码或P码)到达用户接收 机天线(观测站)的传播时间。也称时间延迟测量。 载波相位观测 口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。 载波的波长远小于码长,CA码码元宽度293m,P码码元宽度 293m,而L1载波波长为1903cm,L2载波波长为2442cm,在 分辨率相同的情况下,L1载波的观测误差约为20mm,L2载波 的观测误差约为2.5mm。而CA码观测精度为29m,P码为 0.29m。载波相位观测是目前最精确的观测方法。 GFS技术与应用 A ■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 ¤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 ■通过码相位观测或载波相位观测所确定的站星距离都不可避免 地含有卫星钟与接收机钟非同步误差的影响,含钟差影响的距 离通常称为伪距 由码相位观测所确定的伪距简称测码伪距 ¤由载波相位观测所确定的伪距简称为测相伪距 2005.10.30 GS技术与应用
3 2005-10-30 GPS技术与应用 5 3. 基本观测量 码相位观测 测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码）到达用户接收 机天线（观测站）的传播时间。也称时间延迟测量。 载波相位观测 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。 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。 2005-10-30 GPS技术与应用 6 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。 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 通过码相位观测或载波相位观测所确定的站星距离都不可避免 地含有卫星钟与接收机钟非同步误差的影响，含钟差影响的距 离通常称为伪距。 由码相位观测所确定的伪距简称测码伪距 由载波相位观测所确定的伪距简称为测相伪距
52测码伪距观测方程 t=t(GPS)+8t, t=t(GPS)+8t 口t(GPS):卫星s发射信号时的理想GPS时刻 at(GPS):接收机T收到该卫星信号时的理想GPS时刻 卫星s发射信号时的卫星钟时刻 接收机T收到该卫星信号时的接收机钟时刻 △t:卫星信号到达观测站的传播时间 卫星钟相对理想GPS时的钟差 接收机钟相对理想GPS时的钟差 ■信号从卫星传播到观测站的时间为 △t=t+t=t(GPs)-t(GPs)+δt-8 GFS技术与应用 A ■假设卫星至观测站的几何距离为p,在忽略大气影响的情况 可得相应的伪距: p=△1c=c△r+c=p!+cob 当卫星钟与接收机钟严格同步时,上式所确定的伪距即为站星 几何距离。 ■通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的导航电文中获得,经钟差 改正后,各卫星之间的时间同步差可保持在20ns以内。如果忽 略卫星钟差影响,并考虑电离层、对流层折射影响,可得测码 伪距观测方程 p=P+c(t)+△()+△T(t) 2005.10.30 GS技术与应用 4
4 2005-10-30 GPS技术与应用 7 5.2 测码伪距观测方程 t j = tj (GPS)+ δt j ， ti = ti (GPS)+ δti t j (GPS)：卫星sj 发射信号时的理想GPS时刻 ti (GPS)：接收机Ti 收到该卫星信号时的理想GPS时刻 t j ： 卫星sj 发射信号时的卫星钟时刻 ti ： 接收机Ti 收到该卫星信号时的接收机钟时刻 ∆ti j ： 卫星信号到达观测站的传播时间 δt j ： 卫星钟相对理想GPS时的钟差 δti ： 接收机钟相对理想GPS时的钟差 信号从卫星传播到观测站的时间为 ∆ti j =ti -tj = ti (GPS) - tj (GPS)+ δti - δt j 2005-10-30 GPS技术与应用 8 假设卫星至观测站的几何距离为ρi j ，在忽略大气影响的情况下 可得相应的伪距： 当卫星钟与接收机钟严格同步时，上式所确定的伪距即为站星 几何距离。 通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的导航电文中获得，经钟差 改正后，各卫星之间的时间同步差可保持在20ns以内。如果忽 略卫星钟差影响，并考虑电离层、对流层折射影响，可得测码 伪距观测方程 j i j i j i j i j i j i ρ = ∆t c = c∆τ + cδt = ρ + cδt ~ ( ) ( ) ( ) ~ c t t I t T t j g i j i i j i j ρi = ρ + δ + ∆ + ∆
5.3测相伪距观测方程 1.卫星载波信号的相位与传播时间 ap/[t(GPS)]=(p[t(GPS)]-opl[t(GPS)] 对于稳定度良好的震荡器,相位与频率的关系可表示为q(t+△t)= qp(t)+f△t 设f、分别为接收机震荡器的固定参考频率和卫星载波信号频率, 且f=f=f,则 op[t(GPS)](p[t (GPS)]+f [t(GPS)-t(GPS) apI[t(GPS)=o[t(GPS))o[t(GPS)]=f At GFS技术与应用 A △=t(GPS)-t(GPS)是卫星钟与接收机钟同步的情况下,卫 星信号的传播时间,与卫星信号的发射历元及该信号的接收历 元有关。 由于卫星信号的发射历元一般是未知的,为了实际应用,需根 据已知的观测历元来分析信号的传播时间 假设p[t(GPS),tGPS)为站星之间的几何距离,在忽略大气 折射影响后有 △τ=pt(GPS), t(GPS))c 由于tGPS)=t(GPS)-△可,将上式按级数展开得 △=p[(GPS)- eLt(GPS)AT/+[(GPS)△r)2 2005.10.30 GS技术与应用
5 2005-10-30 GPS技术与应用 9 5.3 测相伪距观测方程 1. 卫星载波信号的相位与传播时间 Φi j [t(GPS)]= ϕi [ti (GPS)]- ϕj [tj (GPS)] 对于稳定度良好的震荡器，相位与频率的关系可表示为ϕ(t+ ∆t)= ϕ(t)+f ∆t 设fi 、f j 分别为接收机震荡器的固定参考频率和卫星载波信号频率， 且fi =fj = f，则 ϕi [ti (GPS)]= ϕj [tj (GPS)]+f [ti (GPS) - tj (GPS)] Φi j [t(GPS)]= ϕi [ti (GPS)]- ϕj [tj (GPS)]=f ∆τi j 2005-10-30 GPS技术与应用 10 ¾ ∆τi j =ti (GPS) - tj (GPS)是卫星钟与接收机钟同步的情况下，卫 星信号的传播时间，与卫星信号的发射历元及该信号的接收历 元有关。 ¾ 由于卫星信号的发射历元一般是未知的，为了实际应用，需根 据已知的观测历元来分析信号的传播时间。 ¾ 假设ρi j [ti (GPS) , tj (GPS)]为站星之间的几何距离，在忽略大气 折射影响后有 ∆τi j = ρi j [ti (GPS) , tj (GPS)]/c ¾ 由于t j (GPS) =ti (GPS) - ∆τi j ，将上式按级数展开得 [ ( )]( ) .... 2 1 [ ( )] 1 [ ( )] 1 j 2 i i j i j i i j i i j i j i t GPS c t GPS c t GPS c ∆τ = ρ − ρ ∆τ + ρ ∆τ