卫星定位理论与方法-第13次课-伪随机码测距原理共45页
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
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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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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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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
伪距测距原理GPS接收机若要实现定位，必须解决如下两个问题：一是要知道各颗可见卫星在空间的准确位置，二是要测量从接收机到这些卫星的精确距离。
GPS接收机对每颗卫星产生伪距和载波相位两个基本距离测量值。
伪距测量值：伪距在GPS领域是一个非常重要的概念，它是GPS接收机对卫星信号的一个最基本的距离测量值。
通过测量GPS信号从GPS卫星到接收机的传输时间，再乘以信号的传播速度，可得到GPS卫星与接收机之间大概距离的测量值称为伪距。
核心是测量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的电波传播时间τ。
为了测量上述传播时间，在用户GPS接收机里复制了与卫星发射的测距码（C/A码或P码）结构完全相同的码信号，通过接收机中的时间延迟器，使复制的测距码进行相移，使其在码元上与接收到的卫星发射的测距码对齐，即进行相关处理。
当相关系数为1时，接收到的卫星测距码与本地复制的测距码码元对齐。
为此，所需要的相移量就是卫星发射的码信号到达接收机天线的传播时间τ。
编号为S的卫星按照其自备的卫星时钟在t(s)时刻发射出某一信号，将t(s)时刻称为GPS 信号发射时间。
该信号在t u时刻被用户GPS接收机接收到，将t u时刻称为GPS信号的接收时间。
用户接收机时钟产生的时间通常与GPS时间不同步。
假设对应于信号接收时间t u的GPS 时间实际上等于t，那么我们可将GPS时间为t时的接收机时钟t u记为t u(t)，并将此时的接收机时钟超前GPS时间的量记为δt u(t)，即t u(t)=t+δt u(t)式中，δt u(t)通常称为接收机时钟钟差，其值通常来说是未知的，并且是一个关于GPS 时间t的一个函数。
GPS时间t与卫星时钟t(s)(t)存在以下关系：t(s)(t)=t+δt(s)(t)其中卫星时钟钟差δt(s)(t)可以视为已知的，根据此式GPS时间与卫星时钟在信号发射时刻（t-τ）时的关系可表达成t(s)(t-τ)=t-τ+δt(s)(t-τ)GPS接收机根据接收机时钟在t u(t)时刻对GPS信号进行采样，然后对采样信号进行处理，可得到标记在GPS信号上的发射时间t(s)(t-τ)。
4-1卫星伪随机定位原理(精)
•用于伪距计算的公式
i Z Z cVtR cVt S Vion i Vtrop
2 i i
i
i
i 1,2,3,4…
公式11
这个公式虽然复杂，但每一个量都是可量测或可确定的， 可以直接用于伪距测量！
观测大于4颗卫星时，通过最小二乘法求解 将公式13写成误差方程式的形式 Vu Au dX Lu 其中 Vu v1 v2
l1 m1 l m 2 Au 2 ln mn Lu l1 l2 vn n1 1 n2 1 nn 1 ln
T
根据最小二乘原理有
Vion Vtrop cVt cVt A
S R
公式8
卫星到接收机 的真正距离
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5.观测方程的推导
在由公式1向公式11推导的过程中，主要解决这样一些问题： 3.星历误差、多路径效应、测量噪声
i
多路径 误差
2
X i X Y i Y Z i Z
卫星分布与测码伪距单点定位精度的关系 DOP越小越好
GDOP 1 V
观测到的卫星数越多，卫星 分布越均匀，DOP值就越小， 观测精度就越高。
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9.导航定位精度评估
在实际测量中，如何得到较高的观测精度？
◆ 选点时注意视野开阔 ◆ 通过星历预报，指导观测
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10.小结
重点
难点
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1.伪距测量的基本思想
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
RCVR
GPS定位的基本原理课件
i (Ti ) p (T p ) i (ti ) p (t p ) f ti f t p
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1 基本原理
2 测码伪距 3 载波相位测量 4 卫星坐标
式中：
aip＝－
X
p (T p )－Xi0
p i0
，b p＝－ Y i
p (T p )－Yi0
p i0
，cip＝－ Z
p (T p )－Zi0
p i0
，i
c ti
13
1 基本原理
2 测码伪距 3 载波相位测量 4 卫星坐标
2.3 伪距绝对定位原理（续）
如果一个历元同时观测了n个卫星，可列出n个形如上式的观测方程， 写成矩阵的形式为:
2.3 伪距绝对定位原理
卫星P的 GPS标准时
卫星钟面时间
tp T p tp
卫星P钟误差
接收机钟面时间
ti Ti ti
接收机i的 GPS标准时
接收机i钟误差
/ ti t p (Ti ti ) (T p t p ) (Ti T p ) ( ti t p ) ti t p
/ •c
用测得的传播时间代替 测距码的产生和测量和卫星 钟与接收机钟紧密相关。因 此, 测得的传播时间里含有 卫星钟和接收机钟的误差；
用光速近似 代替
信号在传播 过程中经过电 离层和对流层, 传播速度已不 完全为光速
星站几何 距离, 即 真实距离
/ 1 2 c ti c t p
伪距, 即测 得的距离
协 方 差 矩
DX 02QX
C/A码约为3
GPS 1-卫星伪距定位原理
卫星伪随机噪声码定位原理 （The Principle Position of GPS pseudo-random noise (PRN) code）
12 ( X X 1 )2 (Y Y 1 )2 ( Z Z 1 )2 2 2 ( X X 2 )2 (Y Y 2 )2 ( Z Z 2 )2 2 3 ( X X 3 )2 (Y Y 3 )2 ( Z Z 3 )2
n j 1 n j 4 41 n j 1
j
Gi ( Ai (t )T Ai (t ))1 Ai (t )T Li (t ) 最小二乘解 41
4n j n j 4 4n j n j 1
现假定共观测了 nt 个历元，则可形成 nt 组误差方程组：
vi (t1 ) Ai (t1 ) Li (t1 ) n j 1 n j 1 j vi (t2 ) Ai (t2 ) X i n 1 n j 1 n j 1 Y Li (t2 ) i Zi D i Li (tni ) vi (jtni ) Ai (j tni ) n 1 n 1
线性化以后的伪距观测方程：
Dij (t ) (Dij (t ))0 - ki j (t )Xi - li j (t )Yi - mij (t )Zi ctij (t ) Ii j (t ) Ti j (t )
（-2）
式（1-2）中有三个测站未知数 X i , Yi , Zi 以及一个钟差 未知数 tij (t )，电离层和对流层改正一般通过专门的数学模 型另行处理。这样，接收机至少需要跟踪4颗卫星，才能 求解。
3.8-3.9伪距、载波相位测量原理
平方法
将所接收 到的调制信号 （卫星信号）自 乘。
平方法
技术要点
卫星信号（弱）自乘。
特点
优点：无需了解码的结构
缺点：无法获得导航电文，所获
载波波长为原来波长的一半，信 号质量较差（信噪比低，降低了 30dB）
（3）互相关（交叉相关）
方法
在不同频率的调制
信号（卫星信号） 进行相关处理，获 取两个频率间的伪 距差和相位差
测距码的调制与解调
在数字通讯技术中，为了有效地传播信息， 一般均将低频信号加载到高频的载波上， 这时原低频信号称为调制信号，而加载信 号后的载波就称为已调波。 GPS信号调制，是采用调相技术实现的。
卫星信号的调制
模二和
运算规则
二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二 进制“1”，则
利用测距码进行测距的 优点
易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度 便于对系统进行控制和管 理（如AS）
每颗GPS卫星都采用特定的 伪随机噪声码
码相关伪距测量
特点 定位速度快，实时定位 精度较高 对信号的强度要求不高
3.9 卫星的载波信号及相位测量原理
3.9.1 3.9.2 3.9.3 3.9.4
1
0
1
1
0
1
（4）Z跟踪
技术要点：将卫星信号在一个W码码元内与 接收机复制出的P码进行相关处理。 在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复 制信号（强）进行相关。 特点 优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪 距观测值，可获得导航电文，可获得全波 波长的载波，信号质量较平方法好（信噪 比降低了14dB）
伪距定位原理
伪距定位原理伪距定位是一种常用的定位方法，通过测量接收器与卫星之间的时间差来计算接收器的位置。
伪距定位原理是基于卫星导航系统的工作原理，如GPS系统，该系统通过卫星发射的信号与接收器接收到的信号之间的时间差来计算距离，并进一步确定接收器的位置。
伪距定位的原理基于两个基本假设：首先，卫星的位置是已知的，卫星系统会向接收器发送包含卫星位置和时间信息的信号。
其次，接收器能够准确地测量信号的到达时间差。
接收器会接收到卫星发射的信号，该信号包含有关卫星位置和时间信息的数据。
接收器将测量信号的到达时间差，并将其转换为距离，这个时间差称为伪距。
为了计算接收器的位置，至少需要四个卫星的信号。
通过测量四个卫星的伪距，可以得到四个方程，每个方程代表一个卫星。
这四个方程可以用来计算接收器的位置。
在计算接收器的位置时，需要考虑到误差因素。
例如，信号在传输过程中可能会受到大气条件的影响，导致信号传播速度的变化。
为了消除这些误差，需要使用额外的校正方法，如差分定位和精确伪距定位。
差分定位是通过将接收器与参考接收站进行比较，来减少误差影响。
参考接收站的位置已知，并且与接收器之间的距离可以通过测量得到。
通过将接收器与参考接收站之间的距离差异应用于接收器的伪距测量，可以消除大部分误差。
精确伪距定位是通过使用更先进的算法和技术来减少误差。
例如，通过考虑大气条件的影响，使用不同频率的信号来消除大气延迟误差。
此外，还可以使用其他测量数据，如载波相位测量和多路径误差校正，来提高定位的精度。
伪距定位原理在很多领域都有广泛应用。
除了卫星导航系统，它还可以用于车辆导航、航空导航、地震监测等领域。
通过准确测量接收器与信号源之间的时间差，可以实现精确的定位和导航。
伪距定位原理是一种基于测量接收器与卫星之间的时间差来计算位置的方法。
它通过利用卫星导航系统发射的信号，结合准确的时间测量，可以实现准确的定位和导航。
在实际应用中，还需要考虑误差因素，并采用适当的校正方法来提高定位的精度。
伪卫星定位原理
伪卫星定位原理
伪卫星定位是一种无需真实卫星信号的位置定位技术，其核心原理是通过基站发射的伪卫星信号与接收设备上预先存储的伪卫星信号进行比对，从而确定接收设备的位置。
伪卫星信号是一种特殊的信号，包含着一定的编码信息和时间信息。
接收设备在接收到伪卫星信号后，会自动识别出该信号对应的时间信息，并通过计算该时间信息与基站发射信号的时间差，进而确定接收设备与基站之间的距离。
通过多个基站发射的伪卫星信号与接收设备的距离，可以通过三角定位法计算出接收设备的具体位置。
伪卫星定位技术已广泛应用于车载导航、智能手机等领域，成为人们日常生活中不可或缺的一部分。
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