卫星定位理论与方法-第13次课-伪随机码测距原理概要
卫星伪随机定位原理(决赛)分解
i
X
i
X Y Y Z Z B
2 i 2 i 2
公式12
设测站的初始坐标向量及其改正数向量分别为 T X 0 X 0 Y0 Z 0 B0
dX dX dY dZ dB
Z r
T
同时考虑测站至卫星的方向余弦
Sj
2018/10/26
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5
三、卫星伪距导航的基本原理
要利用伪距测量实现导航这样一个目标，最重要的是 确定运动载体的即时位臵，这样才能判断出载体现在在哪 里，再结合载体瞬时速度、运动姿态等状态参数，引导运 动载体向何处去。 ( xi , yi , zi ), vi ,Ti
( x0 , y0 , z0 ), v0 ,T0
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3
二、伪随机码的测距原理
卫星产 生的码 t1 在t1时刻由卫星产生的 码相位，在Δt后到达 t2 接收机产生 的复制码
RCVR
从卫星传到 接收机的码
RCVR
t1
1 T R(t ) U (t t )U (t t )dt T 0
RCVR
将接收机产生的 复制码移动Δt
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1
本节课主要知识点
1.GNSS伪随机码的特征
重点 重点 难点
2.伪随机码的测距原理
3.卫星伪距导航的基本原理 4.伪距导航的观测方程 5.导航定位精度的评估方法 6.本水利职业技术学院
2
一、GNSS伪随机码的特征
几个概念
码 随机噪声码
tR VtR b
将公式4、5代入公式3，有：
伪距测距原理
背景——GPS 系统定位原理
已知卫星的位置（通过广播描述卫星运动的星历参数和历书参数），测量得到卫星和用户之间的相对位置（伪距PRN ），用导航算法（最小二乘法或卡尔曼滤波法）解算得到用户的最可信赖位置。
图1
获得伪距后，按照下式解算定位结果：
11223344
(1)(2)(3)(4)(,i B Corr PR B Corr PR B Corr PR B Corr PR SVx SVy +=+=+=+=其中，,)(,,)i i i i SVz B Corr i PR i Rx Ry Rz 为卫星位置，为接收机钟差等效距离，
为第颗卫星的已知修正量，为对第颗卫星的观测伪距，为接收机位置
伪距测量原理
GPS 定位的基础就是测距，即通过测量信号从卫星传播到接收机所用的时间获得卫星和接收机之间的距离（i PR c t =⨯∆）。
图2
利用伪随机码的自相关特性如图3，令本地码片以一定速度移动如图4，当本地复现码与从卫星传到的码相关值达到最大时，本地码移动了的时间即为所求
t ∆。
图3 自相关函数
Δt
t 1
t 2
卫星t 1时刻产生的码相位，
Δt 后到达
从卫星传到的码
接收机产生的复现码
卫星产生的码
将接收机产生的码移动Δt
图4信号捕获过程。
卫星测伪距
一、静态定位与动态定位（一）定义1．静态定位2．动态定位（二）动态定位和静态定位1．静态定位：由于接受机的位置固定不动，就可以进行大量的重复观测，所以静态定位可靠性强，定位精度高，在大地测量、工程测量中得到了广泛的应用，是精密定位中的基本模式。
2．动态定位：其特点是测定一个动点的实时位置，多余观测量少、定位精度低。
目前，导航型的GPS接受机可以说是一种广义的动态定位，它除了要求测定动点的实时位置外，一般还要求测定运动载体的状态参数，如速度、时间和方位等。
二、单点定位和相对定位1．定义GPS单点定位也叫绝对定位，就是采用一台接受机进行定位的模式，它所确定的是接受机天线在WGS-84世界大地坐标系统中的绝对位置，所以单点定位的结果也属于该坐标系统。
2．单点定位的优缺点：优点是只需一台接受机即可独立定位，外业观测的组织及实施较为方便，数据处理也较为简单。
缺点是定位精度较低，受卫星轨道误差，钟同步误差及信号传播误差等因素的影响，精度只能达到米级。
所以该定位模式不能满足大地测量精密定位的要求。
但它在地质矿产勘察等低精度的测量领域，仍有着广泛的应用前景。
3．相对定位定义：4．单点定位、相对定位与动、静态的关系在单点定位和相对定位中，又都可能包括静态定位和动态定位两种方式。
其中静态相对定位一般均采用载波相位观测值为基本观测量。
这种定位方法是当前GPS测量定位中精度最高的一种方法，在大地测量、精密工程测量、地球动力学研究和精密导航等精度要求较高的测量工作中被普遍采用。
三、主动式测距和被动式测距1．主动式测距用电磁波测距仪发射测距信号，通过另一端的反射器回来，再由测距仪接受。
如图4-2所示：根据测距信号的往、返传播时间求解出往、返距离2ρ 。
由于电磁波测距仪需在测站点上主动发出测距信号，故称这种测距方式为主动式测距。
主动式测距只需要求一起钟自身能在信号往、返时间段中保持稳定，就不会影响测距精度。
其缺点是用户必须发射信号，因而难以隐蔽自己，这对军事用户十分不利。
伪距测量
(4)要保证测试结果的普适性并获取高可信度的设备时延值,伪距和钟差测量必须尽可能遍历各种技术状态, 如开关机、静态、低动态、高动态及多种信号接收强度等。
提高精度
(1)伪距、钟差、设备时延等基本物理量是密切相关的,而且都是时间的函数,因此其定义必须严格自洽。从 广义上讲,设备时延并不一定是真正意义上的时延,他们取决于时间参考点的选择。在一般情况下其取值可以为正, 也可以为负。
(2)在选择设备1pps输出端口为本地时间参考点的情况下,收发组合时延可以采用直接测量钟差的方法测定。 两台发射(或接收)设备的发射时延(或接收时延)的相对差值,可以通过与某一台参考接收(或发射)设备进行组合 时延测量得到。
谢谢观看
基本概念
测得的距离含有时钟误差和大气层折射延迟，而非“真实距离”,故称伪距。它是为实现伪距定位，利用测定 的伪距组成以接收机天线相位中心的三维坐标和卫星钟差为未知数的方程组，经最小二乘法解算以获得接收机天 线相位中心三维坐标,并将其归化为测站点的三维坐标。由于方程组含有4个未知数，必须有4个以上经伪距测量 而获得的伪距。此法既能用于接收机固定在地面测站上的静态定位，又适于接收机置于运动载体上的动态定位。 但后者的绝对定位精度较低，只能用于精度要求不高的导航。
真距
在无线电测量中,信号通过发射天线发射,经空间传播后由接收天线接收。所谓的信号空间传播时延是指信号 在空间传播过程中所花费的时间。信号空间传播时延反映了信号所走过的真实路程,可将其简单地称为真距。
GPS伪距测量定位概述GPS的观测量GPS
( ) , ( ) , ct ---测量误差改正数
k trop 1 k ion 1 k a
3、列出测码伪距方程的误差方程 k 在式（3）中，令观测值 ( 1 ) 的改正数为vk 将接收机钟差项用其等效距离代替，即令
ct1b
则式（3）的未知项变为：
X , Y , Z ,
k 1 2 2
2
1
2
xk X 0 yk Y0 zk Z 0
2 2
2
1
2
X 0 xk Y0 yk Z 0 zk X k Y k Z k 0 0 0
引入符号简化上式
l X m Y n Z
2）载波相位测量精度
与测距码比，可将载波视作码元宽度 （波长）更小的测距码，因载波L1、 L2波长分别为19.03cm和24.42cm， 对齐误差仍为码元宽度的1/10，则最 大观测误差分别为2.0mm和2.5mm。 载波相位观测值测定的星地伪距精度 要比用测码伪距法高。
二、GPS定位方法分类
j a
ctb ct
j a
（6）
式（6）给出的伪距关系式在定位中具 有重要意义。
第二节 测距码伪距法单点定位 一、单点定位（绝对定位）概念 单点定位是指一次定位只确定一台接收 机在WGS-84地心坐标系中的坐标，接收 机可以是动态的，也可以是静态的。根据 伪距测量方法的不同，又分为测码伪距绝 对定位和载波相位法绝对定位。 以GPS提供的测距码P码或C/A码为基 础信号进行伪距测量，进而建立测码伪距 观测方程，以此为基础数学模型进行的定 位称作测距码伪距法单点定位。
k 1 k 0 k k k
GPS伪距测量定位PPT教案
摄站 263527.298 -2207773.569 4449316.624 4000175.637 0.108 3.38
GPS 263528.064 -2207864.644 4449241.169 4000227.385 0.115 3.38
GPS 263529.088 -2207980.555 4449130.077 4000293.189 0.086 3.38
根据矩阵平差原理
GuT Gu X (t) GuT Au S (t) P(t)
求得用户在时元t的位置矩阵
X (t) (GuT Gu )1GuT Au S (t) P(t) （5.1.13）
式（5.1.13）为GPS伪距单点被动式定位的三维位 置方程。依此可以解算出用户在时元t的三维坐标 和用户时钟偏差。
对L1而言，可达160m，对L2而言，则达270m； dtrop——对流层引起的距离偏差，它随着用户高程
及其气象要素的不同而变化。
第8页/共50页
P j X j (t) Xu (t) 2 Y j (t) Yu (t) 2 Z j (t) Zu (t) 2 1/2
C(dt
j
dT )
e j1X u (t) e j2Yu (t) e j3Zu (t) Bu （5.1.11） e j1X j (t) ej2Yj (t) e j3Z j (t) Bj Pj (t)
式（5.1.11）为被动式定位的基本方程。
第15页/共50页
当j=1,2,3,4时，则有如（5.1.11）式的4个线性方程， 其矩阵形式如下：
dj ion
dj trop
Xj(t), Yj(t), Zj(t)——第j颗GPS卫星在时元t的三维坐标， 它们可依导航电文提供的GPS星历算得，即为已知 数；
GPS理论与应用--伪随机码测距原理 ppt课件
GPS理论与应用
5.伪随机码测距原理
The first is by varying (modulating) the amplitude, or how “high” and “low” the sine “humps” go. If you’ve ever listened to AM radio, you’ve heard Amplitude Modulation.
Superimposed on these radio carrier wave signals are pseudo-random, binary, bi-phase modulation codes called PRN (Pseudo Random Noise) codes that are unique to each individual satellite.
As a result, the complete sequence for the Pcode takes 267 days to complete, rather than the one one-thousandth of a second for the C/Acode. One-week segments of the 267-day string are assigned to each satellite and are changed weekly.
GPS理论与应用
（5.伪随机码测距原理）
GPS理论与应用 5.伪随机码测距原理
授课内容 1.GPS卫星的测距码信号 2.GPS测距原理 3.伪随机码基础 4.GPS中的伪码扩频 5.伪随机码测距原理
全球定位系统的伪距定位原理
全球定位系统的伪距定位原理
全球定位系统（GPS）是一种卫星导航系统，它可以提供全球范围内的准确定位服务。
GPS的定位原理基于伪距定位技术。
伪距定位技术的基本思想是，接收器接收到来自卫星发射的信号后，测量出信号的传播时间，然后通过将传播时间乘以光速得到信号的传播距离。
通过同时测量多颗卫星的传播距离，可以得到接收器与卫星之间的距离，从而确定接收器的位置。
为了测量出信号的传播时间，GPS接收器需要同时接收到至少4颗卫星的信号。
当接收器接收到卫星信号后，它会将信号的时间戳与本地时钟进行比较，从而计算出信号传播时间。
由于信号传播速度几乎等于光速，因此信号传播时间可以被转换为信号传播距离。
另外，由于GPS卫星的位置是已知的，因此接收器可以通过与多颗卫星的距离计算出自身的位置。
这种计算是通过三角形定位原理来实现的，即利用三个点的距离可以唯一确定一个点的位置。
总之，伪距定位技术是GPS定位的核心原理，它利用卫星信号传播时间来确定接收器与卫星之间的距离，从而确定接收器的位置。
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2 Satellite Ranging
Measuring the distance to a satellite Done by measuring travel time of radio signals
Speed-of-Light Measurement
Measure how long it takes the GPS signal to get to us Multiply that time by 186,000 miles/sec
Intersection of two spheres is a circle
Trilateration
Third measurement narrows to just two points
Intersection of three spheres is only two points.
Trilateration
4 5
Once GPS knows distance, it needs to know satellite's position Then correct for ionospheric and trospheric delays.
1
Trilateration from satellites is basis of system.
你的位置是: 37o 23.323’ N k?
5 Steps to GPS
2
GPS measures distance from the satellites using speed of light.
3
To measure the distance GPS needs good clocks and a fourth SV
How Does GPS Work?
5 Steps to GPS
2
GPS measures distance from the satellites using speed of light.
3
To measure the distance GPS needs good clocks and a fourth SV
11,000 miles
We're somewhere on the surface of this sphere.
Trilateration
Second measurement narrows it down to intersection of two spheres
11,000 Miles
12,000 Miles
4 5
Once GPS knows distance, it needs to know satellite's position Then correct for ionospheric and trospheric delays.
1
Trilateration from satellites is basis of system.
measure time difference between same part of code from satellite from ground receiver
1 Trilateration from satellites
By measuring distance from several satellites you can calculate your position
Trilateration
One measurement narrows down our position to the surface of a sphere
Trilateration
In practice 3 measurements are enough We can discard one point One point will be a ridiculous answer
We still need the 4th measurement because there are four dimensions to solve for (X,Y,Z and Time)
Time (sec) x 186,000 = miles
If you've got good clocks, all you need to know is exactly when signal left satellite
How do we know when the signal left the satellite?
第12次课 伪随机码测距原理 测量与导航工程系 导航与定位教研室
陈明剑
GPS Positioning
te li l te Sa
Sat ell ite
e it ll te Sa
Sa te ll it e
1. Known position of satellites 2. Range measurements from satellites Calculate position&time
Fourth measurement will decide between two points.
Fourth measurement will only go through one of the two points.
4 Ranges to resolve for Latitude, Longitude, Height & Time
One of the Clever Ideas of GPS:
Use same code at receiver and satellite Synchronize satellites and receivers so they're generating same code at same time Then we look at the incoming code from the satellite and see how long ago our receiver generated the same code