1、 武漢大學武漢大學 測繪學院測繪學院 GPSGPS原理及其應用課程組原理及其應用課程組GPS原理及其應用原理及其應用 ( (八八) )GPS原理及其應用原理及其應用第四章第四章 距離測量與距離測量與GPS定位定位4.1 利用測距碼測定衛地距利用測距碼測定衛地距GPS原理及其應用原理及其應用4.1 利用測距碼測定衛地距利用測距碼測定衛地距GPS原理及其應用原理及其應用GPS定位的基本原理定位的基本原理 需解決的兩個關鍵問題需解決的兩個關鍵問題 如何確定衛星的位置如何確定衛星的位置 如何測量出站星距離如何測量出站星距離GPS原理及其應用原理及其應用測距方法測距方法 雙程測距雙程測距用于電磁波測用于

2、電磁波測距儀距儀 單程測距單程測距用于用于GPS距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛地距利用測距碼測定衛地距 測距方法測距方法GPS原理及其應用原理及其應用測距碼測距碼C/A碼（測距時有模糊度）碼（測距時有模糊度）P碼碼距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛地距利用測距碼測定衛地距 測距碼測距碼GPS原理及其應用原理及其應用信號傳播時間測距碼測距原理測距碼測距原理 距離測定的基本思路距離測定的基本思路 信號（測距碼）傳播時間的測定信號（測距碼）傳播時間的測定dtTutTuTRT)()(1相關系數：ctc信號傳播時間的測定信號傳播時間的測定距離測量與距離測量與GPS

3、定位定位 利用測距碼測定衛地距利用測距碼測定衛地距 測距碼測距原理測距碼測距原理GPS原理及其應用原理及其應用測距碼測距原理測距碼測距原理 利用測距碼測距的必要條件利用測距碼測距的必要條件 必須了解測距碼的結構必須了解測距碼的結構 利用測距碼進行測距的優點利用測距碼進行測距的優點 采用的是采用的是CDMA（碼分多址）（碼分多址）技術技術 易于捕獲微弱的衛星信號易于捕獲微弱的衛星信號 可提高測距精度可提高測距精度 便于對系統進行控制和管理便于對系統進行控制和管理（如（如AS）每顆每顆GPS衛星都采用特定的衛星都采用特定的偽隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼微弱信號的捕獲微弱信號的捕獲距離測量與距離測量與GP

4、S定位定位 利用測距碼測定衛地距利用測距碼測定衛地距 測距碼測距原理測距碼測距原理GPS原理及其應用原理及其應用Z跟蹤技術跟蹤技術 AS P碼碼+W碼碼Y碼碼 W碼的碼元寬度比碼的碼元寬度比Y碼大幾十碼大幾十倍倍 Z跟蹤技術跟蹤技術 原理原理 將相關間隔（積分間隔）限將相關間隔（積分間隔）限定在一個定在一個W碼碼元內碼碼元內碼碼碼碼碼元內在一個PPYW 0 1 0 0 1 0 0（1） W 碼 0 1 0 0 1 0 P 碼 Y 碼 + = 0 1 0 0 1 0 1（-1） W 碼 1 0 1 1 0 1 P 碼 Y 碼 + = 距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛地距利用測

5、距碼測定衛地距 Z跟蹤技術跟蹤技術GPS原理及其應用原理及其應用偽距測量的特點偽距測量的特點 優點優點 無模糊度無模糊度 缺點缺點 精度低精度低距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛地距利用測距碼測定衛地距 偽距測量的特點偽距測量的特點GPS原理及其應用原理及其應用GPS測量的基本觀測方程測量的基本觀測方程距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛地距利用測距碼測定衛地距 GPS測量的基本觀測方程測量的基本觀測方程SR( )tR( )tS接收機根據自身的鐘在 時刻復制信號的相位tR接收機根據自身的鐘在 時刻所接收到衛星在時刻所發送信號的相位tRtS tR tSGPS原理

6、及其應用原理及其應用對流層折射延對流層折射延遲改正遲改正電離層折射延電離層折射延遲改正遲改正接收機鐘的接收機鐘的改正數改正數衛星鐘的改衛星鐘的改正數正數信號離開信號離開衛星的時衛星的時刻（由衛刻（由衛星鐘測定）星鐘測定）信號到達接信號到達接收機的時刻收機的時刻（由接收機（由接收機鐘測定）鐘測定）RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc)()()()()()(故：站星真實距離：則：；設：偽距：測距碼測距的觀測方程測距碼測距的觀測方程距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛地距利用測距

7、碼測定衛地距 測距碼測距的觀測方程測距碼測距的觀測方程GPS原理及其應用原理及其應用222222000000000000()()()()()()()()()()()()()SRiiiiiiiiiontropttiiiiiiiiiiiiiiixXyYzZixXyYzZVVc Vc VxXyYzZxXyYzdXdYdZdXdY 令真實的站星距離：， 為衛星則站星距離的觀測值：將 用泰勒級數展開，保留一階項，有0022200000000000000()()()()()()()()()()()SiRiiiiiiiiiiiiiiiiiionitropitiiiitiZdZxXyYzZXXdXYYdYZZ

8、dZxXyYzZlmnLc VVVVl dXmdYndZc VL 其中：；令：；則誤差方程為：偽距測量的誤差方程偽距測量的誤差方程距離測量與距離測量與GPS定位定位 利用測距碼測定衛地距利用測距碼測定衛地距 測距碼測距的誤差方程測距碼測距的誤差方程GPS原理及其應用原理及其應用4.2 載波相位測量載波相位測量GPS原理及其應用原理及其應用 載波相位測量載波相位測量距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量itjtitijttR(c )2002, 黃勁松GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的關鍵技術重建載波載波相位測量的關鍵技術重建載波 重建載波重建載波 將非連續的載波信

9、號恢復成連續的載波信號。將非連續的載波信號恢復成連續的載波信號。載波調制了電文之后載波調制了電文之后變成了非連續的波變成了非連續的波偽距測量與載波相位測量偽距測量與載波相位測量距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的關鍵技術重建載波載波相位測量的關鍵技術重建載波GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的關鍵技術重建載波載波相位測量的關鍵技術重建載波 碼相關法碼相關法 方法方法 將所接收到的調制信號（衛星信號）將所接收到的調制信號（衛星信號）與接收機產生的復制碼相乘。與接收機產生的復制碼相乘。 技術要點技術要點 衛星信號（弱）與接收機信號（強）衛星信號（弱）

10、與接收機信號（強）相乘。相乘。 特點特點 限制：需要了解碼的結構。限制：需要了解碼的結構。 優點：可獲得導航電文，可獲得全優點：可獲得導航電文，可獲得全波長的載波，信號質量好（信噪比波長的載波，信號質量好（信噪比高）高）衛星信號的生成接收機重建載波(c )2002, 黃勁松碼相關法碼相關法距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的關鍵技術重建載波載波相位測量的關鍵技術重建載波GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的關鍵技術重建載波載波相位測量的關鍵技術重建載波 平方法平方法 方法方法 將所接收到的調制信號（衛星信號）將所接收到的調制信號（衛星信號）自乘。自

11、乘。 技術要點技術要點 衛星信號（弱）自乘。衛星信號（弱）自乘。 特點特點 優點：無需了解碼的結構優點：無需了解碼的結構 缺點：無法獲得導航電文，所獲載缺點：無法獲得導航電文，所獲載波波長為原來波長的一半，信號質波波長為原來波長的一半，信號質量較差（信噪比低，降低了量較差（信噪比低，降低了30dB）平方法平方法距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的關鍵技術重建載波載波相位測量的關鍵技術重建載波GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的關鍵技術重建載波載波相位測量的關鍵技術重建載波 互相關（交叉相關）互相關（交叉相關） 方法方法 在不同頻率的調制信號（衛星

12、信號）進行相關處理，獲取兩個在不同頻率的調制信號（衛星信號）進行相關處理，獲取兩個頻率間的偽距差和相位差頻率間的偽距差和相位差 技術要點技術要點 不同頻率的衛星信號（弱）進行相關。不同頻率的衛星信號（弱）進行相關。 特點特點 優點：無需了優點：無需了Y解碼的結構，可獲得導航電文，可獲得全波波解碼的結構，可獲得導航電文，可獲得全波波長的載波，信號質量較平方法好（信噪比降低了長的載波，信號質量較平方法好（信噪比降低了27dB）)()(12/, 12, 1, 2/, 12LLACLLYLYLACLLRRRR距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的關鍵技術重建載波載

13、波相位測量的關鍵技術重建載波GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的關鍵技術重建載波載波相位測量的關鍵技術重建載波 Z跟蹤跟蹤 方法：將衛星信號在一個方法：將衛星信號在一個W碼碼元內與接收機碼碼元內與接收機復制出的復制出的P碼進行相關處理。碼進行相關處理。 在一個在一個W碼碼元內進行衛星信號（弱）與復制碼碼元內進行衛星信號（弱）與復制信號（強）進行相關。信號（強）進行相關。 特點特點 優點：無需了解優點：無需了解Y碼結構，可測定雙頻偽距觀測值，碼結構，可測定雙頻偽距觀測值，可獲得導航電文，可獲得全波波長的載波，信號質量可獲得導航電文，可獲得全波波長的載波，信號質量較平方法好（信噪比降低了較

14、平方法好（信噪比降低了14dB）距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的關鍵技術重建載波載波相位測量的關鍵技術重建載波GPS原理及其應用原理及其應用載波測距載波測距itjtitijttR(c )2002, 黃勁松距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波測距載波測距GPS原理及其應用原理及其應用GPS載波相位測量的基本原理載波相位測量的基本原理距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 GPS載波相位測量的基本原理載波相位測量的基本原理SR SR)SR( )tR( )tS接收機根據自身的鐘在 時刻復制信號的相位tR接

15、收機根據自身的鐘在 時刻所接收到衛星在時刻所發送信號的相位tRtS tR tS理想情況理想情況實際情況實際情況GPS原理及其應用原理及其應用載波相位觀測值載波相位觀測值 觀測值觀測值 整周計數整周計數 整周未知數（整周模糊度）整周未知數（整周模糊度）載波相位觀測值載波相位觀測值)()()()()(000FrIntNFrIntFriii通常表示為：以后的觀測：首次觀測： Int0NN0Fr0N0Int( )iFrit0ti距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位觀測值載波相位觀測值GPS原理及其應用原理及其應用載波相位測量的特點載波相位測量的特點 優點優點 精度高，測距精度可達精度高，測距精度可達0.1mm量級量級 難點難點 整周未知數問題整周未知數問題 整周跳變問題整周跳變問題距離測量與距離測量與GPS定位定位 載波相位測量載波相位測量 載波相位測量的特點載波相位測量的特點GPS原理及其應用原理及其應用tropiioniiiittiiiiiVVLLcVcVNdZndYmdXlvSR)()(其中：0載波相位測量的觀測方程載波相位測量的觀測方程t