卫星载波相位定位原理..
卫星载波相位定位原理
卫星载波相位定位原理GPS系统是由一组在地球轨道上运行的卫星和地面控制站组成的。
这些卫星发射无线信号，接收器通过测量这些信号的到达时间来计算自身与卫星的距离，进而确定其位置。
在卫星载波相位定位中，接收器不仅测量信号的到达时间，还通过测量信号的相位差来获取更加精确的位置信息。
相位差是指两个信号到达接收器的时间差，或者说是两个信号的相位差。
这种相位差是由于信号在传播过程中经历的多径传播、大气延时等因素引起的。
具体来说，卫星载波相位定位原理基于以下几个关键步骤：1.接收器接收到来自多个卫星的信号。
每个卫星都发射由其精确时钟产生的载波信号，该信号包含卫星的位置和时间信息。
2.接收器测量每个卫星信号的到达时间。
通过测量信号的到达时间，并与卫星发射信号的发送时间相减，可以计算出接收器与每个卫星之间的距离。
3.接收器测量每个卫星信号的相位差。
接收器通过测量信号的相位差，来获取不同卫星之间的相对距离差。
这个相对距离差可以用来计算接收器相对于每个卫星的精确位置。
4.使用三角测量方法计算接收器的位置。
根据接收器与至少四个卫星的距离差和相对位置关系，可以使用三角测量方法计算出接收器的精确位置。
这个计算过程使用了卫星的位置和时间信息。
然而，卫星载波相位定位原理也存在一些挑战和限制。
首先，由于信号的相位差非常小，测量过程更加复杂且需要更高的精确度。
其次，大气延时和多径传播等影响因素会引起信号的相位差变化，需要进行相关的校正和误差修正。
最后，要求接收器具备较高的性能和计算能力，以处理复杂的信号处理和数据计算。
总体来说，卫星载波相位定位原理是一种精确度更高的定位技术，可以满足对位置精度要求较高的应用需求。
随着技术的不断发展，相信其在未来会有更广泛的应用。
gnss载波相位差分原理
gnss载波相位差分原理GNSS（全球导航卫星系统）载波相位差分是一种高精度的定位技术，它利用卫星信号的载波相位信息来计算接收机的位置。
下面将详细介绍GNSS载波相位差分的原理。
一、GNSS信号的载波相位GNSS信号是由卫星发射的电磁波组成的，其中包含了载波信号和调制信号。
载波信号是一种高频振荡信号，它的频率非常稳定，一般在1.2GHz左右。
载波信号的相位是一个连续变化的值，它的变化速度与载波频率成正比。
二、载波相位差分的原理GNSS载波相位差分的原理是利用两个接收机接收同一颗卫星发射的信号，并测量它们之间的载波相位差。
由于两个接收机之间的距离非常近，所以它们接收到的信号的相位差几乎只受到大气延迟和接收机硬件误差的影响，而与卫星位置无关。
因此，通过测量两个接收机之间的载波相位差，可以消除大气延迟和接收机硬件误差的影响，从而得到非常高精度的定位结果。
三、载波相位差分的实现为了实现载波相位差分，需要满足以下几个条件：1. 两个接收机必须同时接收同一颗卫星发射的信号。
2. 两个接收机之间的距离必须足够近，一般在几十米到几千米之间。
3. 两个接收机必须能够相互通信，以便将测量结果传输到主控制中心进行计算。
在实际应用中，通常采用基站和移动站的方式来实现载波相位差分。
基站是一个固定的接收机，它的位置已知，并且能够与移动站进行通信。
移动站是一个移动的接收机，它的位置需要测量。
基站和移动站同时接收同一颗卫星发射的信号，并测量它们之间的载波相位差，然后将测量结果传输到主控制中心进行计算，最终得到移动站的位置。
总之，GNSS载波相位差分是一种高精度的定位技术，它利用卫星信号的载波相位信息来计算接收机的位置。
通过消除大气延迟和接收机硬件误差的影响，可以得到非常高精度的定位结果。
载波相位定位的基本原理
载波相位定位的基本原理一、基本原理载波相位定位是一种利用无线信号的相位差来计算位置的定位技术。
在定位系统中，至少需要三个以上的基站或卫星来发送信号，接收器通过测量不同信号之间的相位差来计算自身的位置。
具体来说，载波相位定位利用的是信号传播速度不同导致的相位差。
当信号从基站或卫星发射后，经过一段距离后被接收器接收到。
由于传播速度的差异，接收到的信号相位会有所不同。
通过测量这些相位差，可以计算出接收器与基站或卫星之间的距离差，从而确定接收器的位置。
二、应用载波相位定位在许多领域都有广泛的应用。
1.全球定位系统（GPS）：GPS是最常见的载波相位定位应用之一。
GPS系统中的卫星作为基站，向接收器发送信号，接收器通过测量不同卫星信号的相位差来计算自身的位置。
2.无线通信定位：在无线通信系统中，可以利用载波相位定位来实现移动设备的定位。
通过测量与多个基站之间的相位差，可以计算出移动设备的位置，从而实现无线定位服务。
3.室内定位：在室内环境中，卫星信号可能受到遮挡和多径效应的影响，导致定位精度下降。
此时可以利用载波相位定位来弥补这些不足，提高室内定位的精度和可靠性。
三、局限性尽管载波相位定位在许多应用中表现出色，但仍存在一些局限性。
1.复杂性：载波相位定位的实现较为复杂，需要高精度的时钟同步和信号处理算法。
这增加了系统的复杂性和成本。
2.多径效应：在复杂的环境中，信号可能经历多条路径传播到达接收器，导致信号相位受到干扰和失真。
这会降低定位的精度和可靠性。
3.信号强度：载波相位定位对信号强度要求较高，当信号强度较弱时，定位的精度会受到影响。
4.可见性：载波相位定位需要接收器能够同时接收到多个基站或卫星的信号。
在一些地理环境复杂的区域，如高楼、山区等，可能会导致基站或卫星信号的可见性受到限制。
载波相位定位利用信号的相位差来计算位置，具有广泛的应用前景。
然而，由于其复杂性和局限性，仍需进一步研究和技术改进，以提高定位的精度和可靠性，满足各种应用场景的需求。
卫星载波相位定位原理
卫星载波相位定位原理卫星载波相位定位原理在全球定位系统（GPS）中扮演着重要的角色。
当使用GPS接收器定位时，它通常会同时接收来自多颗卫星的信号。
通过测量这些信号的相位差异，可以计算出接收器的位置。
以下是卫星载波相位定位原理的详细解释。
多颗卫星接收意味着GPS接收器同时接收来自多颗卫星的信号。
GPS系统中有多颗工作卫星，它们沿着不同的轨道绕地球运行。
这些卫星不断地发射射频信号，其中包含有关卫星位置和时间的信息。
当GPS接收器接收到来自至少四颗卫星的信号时，它可以使用三角测量原理来计算出接收器的位置。
通过测量信号从卫星到接收器的时间差，可以计算出接收器与每个卫星之间的距离。
因为每个卫星的位置已知，通过使用至少三颗卫星的信号，可以将接收器的位置定位在三维空间中。
然而，这种方法有一个困难之处，即要测量到信号的时间差异十分困难。
这是因为信号的传输速度非常快，约为光速的299,792,458米/秒。
因此，只有精确测量信号到达接收器的时间差，才能获得准确的定位信息。
这就引出了卫星载波相位测量。
在卫星导航系统中，信号可以分为码片和载波两个部分。
码片信号用于测量时间差异，但精度有限。
而载波信号的波长非常短，可以达到厘米级的精度。
如果能够测量到载波信号的相位差异，就可以获得非常高精度的定位信息。
卫星载波相位测量需要GPS接收器和卫星之间的高精度时间同步。
接收器通过比较接收到的载波信号和本地产生的参考信号的相位差异来测量。
为了实现这个目标，GPS接收器会使用精密的时钟来产生参考信号，并使用接收到的码片信号来同步这个本地时钟。
在进行相位差测量时，一个基本的原则是，在一个波长内要有足够的相位差异。
为了实现这一点，信号需要经过连续的信号积累过程，即将多个信号周期的观测结果平均。
通过这种方式，可以达到测量相位差异的目的。
通过测量载波信号的相位差异，GPS接收器可以计算出接收器与每个卫星之间的距离差异，并进一步计算出接收器的位置。
卫星定位信号载波相位测量技术
卫星定位信号载波相位测量技术摘要:卫星定位系统通过多颗定位卫星与接收机间的距离来计算接收机的真实位置坐标信息，常用的测距方法有伪距测量和载波相位测量。
该文以GPS定位系统为例，介绍了卫星信号的载波相位的含义及其测量技术，并针对载波相位测量技术周期数模糊问题，分析说明了载波相位差分技术的优点及不足。
关键词:全球卫星定位; 载波相位测量技术; 载波相位差分技术TP391 A 1009-3044(2014)09-2081-031 概述全球卫星导航系统(Global Navigation SatelliteSystem，GNSS)融合传统的无线电导航和测绘技术，可以为用户提供全球、全天候的连续实时定位、导航和授时服务，以其定位精确度高、授时精准度好，覆盖范围广等优点，已经广泛地应用于陆地、海洋、航空、航天等多个军用和民用领域[1]。
现有的GNSS系统主要有美国的GPS(Global Positioning System)系统、俄罗斯的GLONASS(GLObal NAvigation Satellite System)系统、欧洲的GALILEO系统、印度的IRNSS系统、日本的QZSS系统和中国的BEIDOU系统[2，3]。
GNSS系统一般由空间星座部分、地面监控部分和用户接收部分三个独立的部分组成[4]。
其中，空间星座部分即为运行在不同地球轨道上的多颗定位卫星，向地面不间断地发射定位信号;地面监控部分主要包括控制站、监测站和注入站，实时监测控制每颗卫星的工作运行状态，并将卫星的轨道信息与观测得到的卫星时钟时延、大气对流层、平流层时延等修正信息发送给卫星，让卫星在其发射信号上添加并转播这些信息;用户接收部分主要包括各种手持、车载、机载、舰载等定位信号接收设备，主动接收各颗可见卫星的定位信号，结合特定算法解算接收设备自身的空间位置信息。
在GPS系统中，用户接收设备通过伪距测量和载波相位测量两种方式估计卫星与接收设备间距离，结合从定位信号中获取的卫星真实空间位置信息，解算接收设备的真实位置坐标信息[5]。
卫星载波相位定位原理
卫星载波相位定位原理GPS系统由至少四颗卫星组成，这些卫星在地球轨道上分布，提供信号用于接收器进行定位。
当接收器接收到卫星的信号时，它会提取载波信号并将其与本地参考信号进行比较。
这种比较产生一个相位差，表示了卫星信号在传送过程中所经历的相位变化。
卫星载波相位定位的原理是基于光速恒定的性质。
电磁波在真空中以光速传播，而GPS信号是电磁波的一种形式。
因此，通过测量载波信号的相位差，我们可以计算出信号在传播过程中所经历的时差。
由于光速是已知的，我们可以将时差转换为距离。
实际上，卫星载波相位定位是一种非常精确的定位技术。
相位差的测量可以精确到纳秒级别，从而使得距离计算的精度非常高。
然而，由于信号在传播过程中可能会受到大气和其他影响因素的影响，因此我们需要进行一些校正以获得更准确的距离测量结果。
为了进行校正，GPS系统引入了一个概念称为“伪距”。
伪距是指从接收器到卫星的实际距离，但未考虑大气和其他因素的影响。
通过比较伪距和载波相位差，我们可以估计出这些影响因素，并将其纳入距离计算中，从而提高测量精度。
卫星载波相位定位的精度还取决于接收器的性能。
现代GPS接收器使用高精度的时钟和复杂的信号处理算法来减小误差，并提供更准确的定位结果。
此外，多颗卫星的使用可以进一步提高定位的精度和可靠性，因为多个信号可以提供更多的信息用于校正。
总的来说，卫星载波相位定位是一种基于测量载波信号的相位差来计算距离的定位技术。
它通过测量相位差和比较伪距来提供高精度的定位结果。
随着接收器和系统的不断改进，卫星载波相位定位在许多领域中得到了广泛应用，包括导航、地质勘探、农业和测绘等。
通俗易懂的载波相位测量方法讲解
通俗易懂的载波相位测量方法讲解
载波相位测量是一种利用GPS信号来确定两个同步观测站之间位置差的技术。
以下是对其通俗易懂的解释：
1. 了解GPS信号：GPS卫星发射的信号包含有特定的载波频率，当这些信号被地面接收机捕获后，接收机可以测量出信号的相位。
2. 测量载波相位：载波相位指的是信号波峰或波谷在特定时间点的位置。
接收机通过精确测定这些波峰或波谷到达的时间，可以计算出信号传播的距离。
3. 确定观测站间距离：通过比较两个观测站接收到同一GPS信号的相位差异，可以精确计算出这两个站点之间的距离差，这个过程通常称为基线向量解算。
4. 使用差分观测值：为了提高测量精度，实际应用中常采用差分GPS技术，即比较两个不同接收机对同一个卫星信号的相位测量值。
这种方法可以有效消除或减小误差，得到更精确的测量结果。
5. 获得坐标差：最终，通过一系列的计算和数据处理，可以获得两个观测站之间的三维坐标差，这就是载波相位测量的直接成果。
总之，载波相位测量方法因其高精度的特点，广泛应用于地质调查、地震监测、精密农业等领域。
通过这种技术，科学家们能够以厘米级甚至毫米级的精度来测量地表的微小变化。
5.3 载波相位测量
《GPS 定位原理及应用》授课教案第五章 GPS 卫星定位基本原理5.3 载波相位测量定义：载波相位观测值：载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。
整周模糊度：可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度。
5.3.1 载波相位测量原理载波信号量测精度优于波长的1/100，载波波长（L1=19cm, L2=24cm ）比C/A 码波长 (C/A=293m)短得多，所以GPS 测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A 码或P 码）定位高得多的成果精度。
5.3.2 载波相位测量的观测方程载波相位基本观测方程： 时刻相位观测值）（（初始相位观测值）it Int JN i t j k i t j k i t j k J N t j k )(0)()()(00)0(ϕϕϕϕ++-=Φ+∆=Φ考虑电离层、对流层、钟差影响有：12()() (5-18)jjjk i k i tj tk k f f f t t f f N cccρδδδρδρΦ=+---+5.3.3 整周跳变修复整周跳变：卫星信号被障碍物挡住而暂时中断，或受无线电信号干扰造成失锁，计数器无法连续计数，当信号重新被跟踪后，使整周计数不正确，但不到一整周的相位观测值仍是正确的。
这种现象称为周跳。
整周跳变的探测与修复常用的方法有下列几种： 1. 屏幕扫描法此种方法是由作业人员在计算机屏幕前依次对每个站、每个时段、每个卫星的相位观测值变化率的图像进行逐段检查，观测其变化率是否连续。
如果出现不规则的突然变化时，就说明在相应的相位观测中出现了整周跳变现象。
然后用手工编辑的方法逐点、逐段修复。
2. 用高次差或多项式拟合法此种方法是根据有周跳现象的发生将会破坏载波相位测量的观测值Int(ψ)+Δψ随时间而有规律变化的特性来探测的。
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( xs xr )2 ( ys yr ) 2 ( zs zr ) 2 ( tr ts )c N
( xs xr )2 ( ys yr )2 ( zs zr )2 ( tr ts )c N
卫星钟
f0 10.23MHz
120 f0
f1 1575.42MHz f2 1227.60MHz
L1 载波 L2 载波
2 24.42cm
GPS:
1）采用两种频率的载波
较完善地消除电离层延迟
2）GPS载波的功能
传送测距码和导航电文 用作测距信号
1.2 进行载波相位测量的原因
测距码: C/A码
缺点
平方过程中同时去掉了测距码和导航电文； 恢复的是半波长载波，其整周模糊度更难确定； 卫星信号（弱）自乘，得到结果的信噪比较差。
1.3 重建载波(IV)
互相关法
方法：
对C/A码仍采用码相关法恢复全波长的L1载波；
利用载波频率不同造成的电离层延迟不同，通过相关性分析得到L1和 L2两信号的伪距差及载波相位差；
l Ax V
最小二乘
xr0 xr X yr0 y r 0 zr z r
四 载波相位定位与伪距定位的比较
比较项
观测值精度 卫星位置 卫星钟差 电离层改正
伪距定位
dm ~ m 广播星历 广播星历 模型改正、无电离组合
( ys y )
0
0 r
xr ( zs z ) y r 0 z r
0 r
0
( xs x )
0
0 r
( ys y )
0
0 r
xr ( z s z ) ( t t )c N y r s r 0 z r
IGS精密星历和钟差
无电离层组合观测值
f12 L1 f 22 L2 L3 f12 f 22
参数估计
模型改正
+
模型改正
3.2 载波相位单点定位(II)
1 a1x a 2 2 x n anx R a1x 1 R2 a2 x anx Rn a1 y a2 y any a1 y a2 y any a1z a2 z anz a1z a2 z anz 1 m1 1 m2 1 mn 1 m1 1 m2 1 mn 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x 0 r v1 yr v 0 z 2 r c tr 1 v zpd + n (n 5) 0 v1R N1 R 0 N v2 2 0 R 0 vn N n
Rogue SNR-x, AOA ICS-4000Z, Trimble 4000, Trimble4700
1.3 重建载波(V)
Z跟踪技术
方法：
将P(Y)码重新分解为P码和W码；
接收机产生复制码，利用码相关法去掉P码，可获得全波长的L1和L2 载波；
特点：
优点
可同时获得双频伪距观测值（C/A、P1、 P2) 、导航电文和全波长的 L1和L2载波； 用复制码（强）去乘卫星信号（弱），得到结果的信噪比较好。
相位差
r (tr ) -- 接收机振荡器产生的基准信号相位
r (tr ) f tr
r (tr ) s (tr )
f tr f (tr t ) f t f
s ( t ) (tr ) r r
(tr ) -- 接收机接收到的卫星信号相位
Z跟踪技术
重建的载波信号
1.3 重建载波(II)
码相关法
接收机产生的复制码对接收到的卫星信号再进行一次二进制相位
方法：
调制，可以将测距码去掉，仅留下载波和导航电文；
由于载波和导航电文的频率相差悬殊，可容易地用滤波器将二者分 离。
特点：
优点
可同时获得伪距观测值（C/A）、导航电文和全波长的载波； 用复制码（强）去乘卫星信号（弱），得到结果的信噪比较好。
s s s (tr ) e (tr t ) f (tr t )
c
2.2 载波相位实际观测值
t0
r (tr ) (tr )
s
t 0 时刻 0 (Fr0 ( ) N )
t1
0
N
t1
鉴 相 器 t1 时刻
卫星载波相位定位原理
主要内容
（一）概 述 （二）载波相位观测量的测量
（三）载波相位定位原理
（四）载波相位定位和伪距定位的比较
一 概 述
1.1 载波的定义 1.2 进行载波相位测量的原因 1.3 重建载波
1.1 载波的定义
载波
-- 可运载调制信号的高频振荡波。
154 f0
1 19.03cm
整 周 模 糊 度
1
N
1 [Fr1 ( ) Int1 ( ) N ]
鉴 相 器 多 普 勒 计 数 器
整 周 模 糊 度
F ( )
0 r
Int1 ( ) Fr1 ( )
i (ti ) Fri ( ) Int i ( ) (ti ) N
线性化
( xs xr )2 ( ys yr ) 2 ( zs zr ) 2
可以将 在测站近似坐标 X 0 ( xr0 , yr0 , zr0 )T处泰勒级数展开至 一阶项： F ( X ) F(X 0) dX (dX )
X
X0
F ( X 0 ) ( xs xr0 ) 2 ( ys yr0 ) 2 ( zs zr0 ) 2 0
特点：
优点
RL2 RL1,C / A (RL2,Y RL1,Y )
L2 L1,C / A (L2 L1 )
无需了解Y码的结构，可同时获得双频伪距观测值（C/A、P'2)、导航电
文和全波长的L1和L2载波；
缺点
卫星信号Y1（弱）与卫星信号Y2（弱）自乘，得到结果的信噪比较差。
P码 0.03 ~ 0.3m 【低精度导航应用】
2 ~ 3mm
0.3 ~ 3m
载波相位: L1载波 (1 19.03cm) L2载波(2 24.42cm )
【高精度定位应用】
1.3 重建载波(I)
接收到的卫星信号
调制波、相位不连续
解调
去掉测距码和导航电文
码相关法
平方法
互相关技术
数m ~ 数十m
cm ~ dm
缺点
需要知道测距码的结构。
1.3 重建载波(III)
平方法
方法：
卫星信号自乘
A cos t
2
A cos t
特点：
优点
A2 A2 A cos t 2 2 cos 2t 2
不需要知道测距码的结构。
F ( X ) F X xr F yr F zr
xr dX X X 0 y r zr
xr0 xr X yr0 y r 0 zr z r
Ashtech Z-12, AOA Benchmark, Leica SR399 Geodetic
二 载波相位观测量的测量
2.1 载波相位测量原理 2.2 载波相位实际观测值
2.1 载波相位测量原理
卫星钟
tr t
接收机钟
tr tr
s e (tr t )
s (tr ) r (tr )
3.1 伪距观测方程线性化(III)
( xs xr )2 ( ys yr )2 ( zs zr ) 2
F(X 0)
F ( X 0 )= 0
F ( X ) X
0 r
F ( X ) X
dX (dX )
X0
X0
( xs x ) dX 0
载波相位定位
mm 精密星历 精密钟差 无电离组合
对流层改正
相对论效应 潮汐改正
模型改正
模型改正 不考虑
模型改正+参数估计
模型改正 模型改正
天线相位缠绕
待求参数 定位精度
不考虑
( xr , yr , zr )T tr
模型改正
( xr , yr , zr )T tr zpd N1 , N2 , , Nn
实际观测值
ti 时刻
整周模糊度 N
单一频率只能测得不足整周部分而无法得到N
变换频率
多级频率
GPS载波相位N值
参数估计
三 载波相位定位原理
3.1 载波相位观测方程 3.2 载波相位单点定位
3.1 载波相位观测方程(I)
真空中且不考虑各项误差
N
考虑所有误差
( tr ts )c N ion trop tide rel
0 r
3.2 载波相位单点定位(I)
( tr tr )c N ion trop tide rel
载波相位测量的观测精度为mm级，此时要获得高 精度的定位结果需对各项误差源进行精确改正。