载波相位测量
《GPS载波相位测量》课件
GPS接收机中的载 波相位测量模块设计 原则
• 高精度和高稳定性 • 低功耗和小尺寸 • 可靠性和抗干扰性
GPS接收机中的载 波相位测量误差预处 理方法
1. 低通滤波 2. 多路径干扰消除 3. 时钟偏差校正
GPS载波相位测量在导航中的应用
1 GPS信号的载波相位特点
研究GPS信号的载波相位特征以及其在测量中的重要性。
2 GPS信号的载波相位测量原理
探索GPS信号的载波相位测量原理和测量方法。
3 GPS载波相位测量误差的来源及其影响因素
详细解析GPS载波相位测量误差的来源和影响因素。
GPS接收机中的载波相位测量模块
GPS接收机硬件框图
与同学们分享个人对GPS 载波相位测量的学习心得 和感悟。
3 问题答疑交流
为同学们提供机会，解答 他们在学习过程中遇到的 问题。
1
ห้องสมุดไป่ตู้
GPS在导航中的定位原理
介绍GPS导航定位原理和基本的GPS定
GPS载波相位测量在导航中的应
2
位算法。
用
研究GPS载波相位测量在导航精度提升
和位置解算中的应用。
3
GPS载波相位测量在导航中的限 制
讨论GPS载波相位测量在复杂环境中的 限制和局限性。
总结
1 课程回顾
2 学习心得分享
对整个课程进行简要回顾， 强调重点和核心知识。
《GPS载波相位测量》 PPT课件
课程目标
GPS载波相位测量基础知识
深入了解GPS载波相位测量的基本概念和原理。
GPS接收机中的载波相位测量模块
探索GPS接收机中使用的载波相位测量模块的设计和功能。
载波相位测量名词解释
载波相位测量在卫星通信中的应用
载波相位测量是卫星通信中常用的一种技术，它可以通过测量卫星信号的相位差来检测信号的质量和定位接收机的位置。
在卫星通信中，载波相位测量常用于信号的质量检测和信道估计。
信号的质量检测可以通过载波相位测量来实现。
在卫星通信中，由于卫星信号的传播路径不同，信号的强度和质量也会发生变化。
通过载波相位测量，可以检测信号的质量，包括信号的失真度、噪声系数和信号的完整性等。
此外，载波相位测量还可以用于信号的时延测量，以便确定信号的传播延迟和确定接收机的位置。
信道估计也是载波相位测量在卫星通信中的重要应用之一。
在卫星通信中，由于信号的传播路径不同，信号的相位也会发生变化。
通过载波相位测量，可以测量信号的相位差，从而估计信道参数，包括信道的幅度、相位和频率等。
这些信道参数可以帮助卫星通信系统进行信号的调制和解调，提高信号的可靠性和稳定性。
此外，载波相位测量还可以用于卫星通信中的定位和导航。
在卫星通信中，载波相位测量可以用来测量接收机的位置和方向，以便进行卫星通信系统的导航和定位。
通过载波相位测量，可以确定接收机的位置和方向，从而帮助卫星通信系统进行精确的导航和定位。
综上所述，载波相位测量在卫星通信中的应用非常广泛。
它可以用于信号的质量检测和信道估计，也可以用于卫星通信中的定位和导航。
在未来的卫星通信技术中，载波相位测量技术将会发挥更大的作用，为卫星通信系统的正常运行提供有力的保障。
伪距、载波相位测量原理
重建载波
将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。
伪距测量与载波相位测量
载波调制了电文之后 变成了非连续的波
码相关法
将所接收到的调制信号（卫星 信号）与接收机产生的复制码 相乘。
卫 星 信 号 的 生 成
接 收 机 重 建 载 波
(c )2 0 0 2 , 黄 劲 松
码相关法
码相关法
技术要点 卫星信号（弱）与接收机信号（强） 相乘。
3.9 卫星的载波信号及相位测量原理
3.9.1 GPS卫星的载波信号 3.9.2 GPS卫星信号的调制 3.9.3 GPS卫星信号的解调 3.9.4 载波相位测量原理
载波相位测量的特点
优点：测距精度高，可达0.1mm量级 难点： 重建载波 存在整周数不确定问题 存在整周跳变问题
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
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 GPS卫星的载波信号 3.9.2 GPS卫星信号的调制 3.9.3 GPS卫星信号的解调 3.9.4 载波相位测量原理
6
测距码测距原理①
距离测定的基本思路
ctc
信号传 播时间
信号（测距码）传播时间的测定
相关系数：
卫星载波相位定位原理
线性化
( xs xr )2 ( ys yr )2 ( z s 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
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
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
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)
a1x 1 a 2 2 x n anx R a1x 1 a2 x R 2 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 x 1 0 0 r v1 yr v 0 1 0 z 2 r c tr 0 0 0 1 v zpd + n (n 5) 0 0 0 v1R N1 R 0 0 0 N v2 2 0 R 0 0 0 0 vn N n
载波相位测量
数N0 ，为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整
周未知数，取得总观测值 kj (ti ) k (ti ) kj (ti ) N0j Int()
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6
5.3.2 载波相位测量的观测方程
j k
f c
f ta
f tb
f c
1
f c
2
N
j k式5-3-1201/4/15另一原因是强电磁干扰。
因各项误差影响，整周未知 数往往不为整数。
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载波相位观测应注意：
[示例]设卫星与接收机的相对运动速度为 1km/s，L1载波波长为19cm，信号间断1秒 钟，产生1000/0.19=5263周的周跳。
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本节内容结束，谢谢大家的观看和聆听！
5.3 载波相位测量
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1
为什么采用载波相位测量
载波相位测量是利用GPS卫星发射的载波为测距信号。 由于载波的波长(λL1＝19cm，λL2＝24cm) 比测距码 波长(λC/A=293m,λp=29.3m)要短得多，因此对载波 进行相位测量，就可能得到较高的测量定位精度。
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2
重建载波
码相关法
• 采用码相关法恢复载波信号时用户还可同时提取 测距信号和卫星电文。
• 但采用这种方法时用户必须知道测距码的结构( 即接收机必须能产生结构完全相同的测距码)。
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3
重建载波
平方法
• 采用平方法，用户无需掌握测距码的码结构，但 在自乘的过程中只能获得载波信号(严格地说是 载波的二次谐波，其频率比原载波频率增加了一 倍)，而无法获得测距码和卫星电文。
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。
载波相位测量
载波相位测量作者：周晓林利用测距码进行伪距测量是全球定位系统的基本测距方法。
然而由于测距码的码元长度较大，对于一些高精度应用来讲其测距精度还显得过低无法满足需要。
如果观测精度均取至测距码波长的百分之一，则伪距测量对P码而言量测精度为30cm，对C/A码而言为3cm左右。
而如果把载波作为量测信号，由于载波的波长短所以就可达到很高的精度。
目前的大地型接收机的载波相位测量精度一般为1~2mm，有的精度更高。
但载波信号是一种周期性的正弦信号，而相位测量又只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数不确定性的问题，使解算过程变得比较复杂。
在GPS信号中由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波的相位已不再连续，所以在进行载波相位测量以前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载波。
重建载波一般可采用两种方法，一种是码相关法，另一种是平方法。
采用前者，用户可同时提取测距信号和卫星电文，但用户必须知道测距码的结构；采用后者，用户无须掌握测踉码的结构，但只能获得载波信号而无法获得测距码和卫星电文。
一、载波相位测量原理载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。
以表示k接收机在接收机钟面时刻时所接收到的卫星载波信号的相位值，表示k接收机在钟面时刻时所产生的本地参考信号的相位值，观k接收机在接收机钟面时刻时观测卫星所取得的相位观测量可写为图7-3通常的相位或相位差测量只是测出一周以内的相位值。
实际测量中，如果对整周进行计数，则自某一初始取样时刻以后就可以取得连续的相位测量值。
如图7-3在初始时刻，测得小于一周的相位差为，其整周数为，此时包含整周数的相位观测值应为接收机继续跟踪卫星信号，不断测定小于一周的相位差，并利用整波计数器记录从到时间内的整周数变化量，只要卫星从到之间卫星信号没有中断，则初始时刻整周模糊度就为一常数，这样，任一时刻卫星到# 接收机的相位差为上武说明，从第一次开始，在以后的观测中，其观测量包括了相位差的小数部分和累计的整周数。
GPS原理及其应用_17_第5章
GPS原理及其应用
第五章
§5.6
距离测量与GPS定位
整周模糊度的确定
28
GPS原理及其应用
距离测量与GPS定位 > 整周未知数N0的确定 > 整周未知数
整周未知数（整周模糊度 － Ambiguity）
Fr (φ ) + Int (φ ) + N = 1
ti
λ
ρ
t0
(ϕ) i
N
Fr
0
Fr
0
δΔ ∇ 为 三 差 算 子
在双差的基础上，通过在历元间求双差，可以消掉双差模 糊度，同时进一步消弱了对流层延迟、电离层延迟误差， 但是进一步增大了观测噪声。
25
GPS原理及其应用
周跳的探测、修复方法
• • • • • 多普勒辅助法 小波分析法 Kalman滤波法 。。。。 。。。。
26
GPS原理及其应用
25
三差法
km km km km jm Δ∇ϕ km ji Lm (ti ) ⋅ λ = Δ∇ρ ji (ti ) − Δ∇N ji Lm ⋅ λ + Δ∇VIono ji Lm (ti ) + Δ∇VTrop ji (ti ) + Δ∇ε ji Lm (ti )
km km km km jm Δ∇ϕ km ji Lm (ti +1 ) ⋅ λ = Δ∇ρ ji (ti +1 ) − Δ∇N ji Lm ⋅ λ + Δ∇VIono ji Lm (ti +1 ) + Δ∇VTrop ji (ti +1 ) + Δ∇ε ji Lm (ti +1 )
–由于卫星和接收机间的距离在不断变化，因而载 波相位测量的观测值也随时间在不断变化。但这 种变化应是有规律的，平滑的。周跳将破坏这种 规律性。 –将非差载波相位、双差载波相位时间序列或残差 组成一阶、二阶甚至高阶差分，凡在差分中出现 剧烈跳变者，表明该处数据含有周跳。 –组成阶数越高，周跳的放大倍数越明显，但同时 噪声也被放大
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( R ) ( S ) N F r ( ) 0
易产生的问题
整周跳变（周跳） 整周模糊度（整周未知数）
整周计数 整周模糊度
29
3
载波相位测量的原理
3.1 重建载波
3.2 测定相位差
3.3 距离求解
11
载波相位测量
复习：伪距定位法
1 3
2
载波相位测量的概念
3
载波相位测量的原理
12
2
载波相位测量的概念
载波相位测量
载波
相位
测量
测量对象
13
测量内容
测量原理
2
载波相位测量的概念
★ 使用载波测量伪距的优点 载波相位测量使用载波信号，不受测距 码控制，测距精度远高于伪距法。 测距信号 码元宽度 C/A 293m P 29.3m L1 19cm L2 24cm
3.1 重建载波
3.2 测定相位差
3.3 距离求解
19
3
载波相位测量的原理
3.1 重建载波
重建载波的原因
用二进制相位调制的
方法在载波上调制了测距 码和导航电文后，调制波 的相位已不再连续。要将 非连续的载波信号恢复成
连续的载波信号。
20
3
载波相位测量的原理
重建载波的技术方法
码相关法 平方法 互相关法
0 Int Fr N0
整周计数 整周模糊度
26
3
载波相位测量的原理
整周跳变的产生
整周计数由于丢失了在失锁期间载波相位变 化的整周数，使其后的相位观测值均含有同样的 整周误差，这种现象称为整周跳变（周跳）
信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪 仪器故障，导致差频信号无法产生
24
3
载波相位测量的原理
3.2 测定相位差
25
3
载波相位测量的原理
3.2 测定相位差
t0: 首次进行载波相位测量时刻 ti: 后续各次观测时刻
首次观测
~ Fr0
其余各次观测
~ 0 Int Fr
完整的载波相位通常表示为
35
3
载波相位测量的原理
数据利用率低
采用差分观测值的特点
只有同步数据才能进行差分
引入基线矢量替代了位置矢量 差分观测值间具有了相关性，使处理问题复杂化 参数估计时，观测值的权阵非满秩。 某些参数无法求出 某些信息在差分观测值中被消除
36
3
载波相位测量的原理
伪距法定位与载波相位定位的对比
3.3.2 在接收机和卫星间求二次差
I J
求差方式
同步观测值在卫星间求差
数学形式
I ,J J I A (t ) A (t ) A (t )
特点
消除了接收机钟差的影响
A
星 间 差分 ：A J-A I J为 参考 星
GPS数据处理软件采用了双差观测值模型
34
3
载波相位测量
主讲人：高 琼
二○○九年七月
1
载波相位测量
复习：伪距定位法
1 3
2
载波相位测量的概念
3
载波相位测量的原理
2
1
复习：伪距定位法
1.1 测定伪距
将测距码和导航电文调制到载波上 由卫星发射器将调制信号发出 接收机解调出测距码 测距码和复制码作相关处理
3
接 收 机 产 生 复 制 码
1
2 2 2 ~ ( x X ) ( y Y ) ( z Z ) cvtb cv t
a
伪 距
卫 星 位 置
测 站 位 置
接 收 机 钟 差
卫 星 钟 差
√
7
√
？
？
√
1
复习：伪距定位法
实际应用中将接收机的钟差vtb也视作未知 数，建立数学模型。
2 2 2 ( x X ) ( y Y ) ( z Z ) i i i cvtb 1 2
载波相位测量的原理
3.3.3 在接收机、卫星和观测历元间求三次差
差分方式 观测值在间历元求差
I(t) i
I(ti+ 1)
数学形式
I I I A (ti , ti 1 ) A (ti 1 ) A (ti )
特点 消去了整周未知数参数
A
历 元 间差 分 ：A I(ti+ 1)-A I(t) i
（x、y、z） —— 卫星坐标
（X、Y、Z） —— 接收机坐标
2 2 2 ( x X ) ( y Y ) ( z Z ) i i i cvtb 1 2
i ( i )ion ( i ) trop cvt
6
ai
1
复习：伪距定位法
1.4 求解定位参数
30
3
载波相位测量的原理
3.3 距离求解
f x X0 f y Y0 f z Z0 dX dY dZ fvta fvtb N 0 c 0 c 0 c 0
f ( 0 ion trop ) c
上式更多地用于相对定位。由于作为已知量的卫星位 置，其误差远比相位观测值误差大，加之大气延迟改正的
接 收 机 产 生 (R) 基 准 信 号
23
3
载波相位测量的原理
3.2 测定相位差
( R ) ( S ) N F ( R ) ( S ) N F ( ) r ( ) 0 r 0
求差方式
同步观测值在接收机间求差
I
数学形式 I I I A ( t ) ( t ) ,B B A (t ) 特点
33
站 间 差分 ：B I-A I
消除了卫星钟差影响 削弱了电离层折射影响 削弱了对流层折射影响 削弱了卫星轨道误差的影响
A
B
3
载波相位测量的原理
复习：伪距定位法
由时延器测定出两信号间的时间延迟τ.
1 R (t ) T U (t t )U (T )dt 1 T
4
1
0 0
p
1
复习：伪距定位法
1.2 将观测时得到的伪距改正为卫星至接收机之间
的实际距离ρ。
ion trop cvt cvt
测距精度 2.93m 0.293m 1.9mm 2.4mm
14
2
载波相位测量的概念
载波相位测量
载波
相位
测量
测量对象
15
测量内容
测量原理
2
载波相位测量的概念
定义—— 接收机接收的卫星 载波信号和接收机产生的参考 载波信号的相位差
(tR )
S
接 收机 根 据 自身 的 钟在tR 时 刻所 S 接 收到 卫 星 在t 时 刻所 发 送 信号 的 相位
a
b
ion
trop
vta vtb
5
—— 伪距
—— 电离层折射改正
—— 对流层折射改正
—— 卫星的钟差 —— 接收机的钟差
1
复习：伪距定位法
1.3 列出实际距离与卫星坐标和接收机坐标的关系
2 2 2 ( x X ) ( y Y ) ( z Z ) 1 2
接 收机 根 据 自身 的 钟在tR 时 刻复 制 信号பைடு நூலகம்的 相 位
(tS)
S
tR t
R
16
2
载波相位测量的概念
载波相位测量
载波
相位
测量
测量对象
17
测量内容
测量原理
载波相位测量
复习：伪距定位法
1 3
2
载波相位测量的概念
3
载波相位测量的原理
18
3
载波相位测量的原理
（2）与测距码的码元宽度有关
接收机复制码与测距码的对齐精度约为码元宽度的1%
测距信号 码元宽度 测距精度
10
C/A 293m 2.93m
P 29.3m 0.293m
1
复习：伪距定位法
伪距定位法是导航定位的最基本方法
优越性
速度快、无多值性问题，利用增加观测时间可
以提高定位精度
局限性
测量定位精度低，只能满足部分用户的需要
接收机复制 C/A 码信号（强），与接收到的调制信号 （弱）相乘。解调效果最好，但需了解测距码结构 将接收到的调制信号（弱）自乘。无需了解测距码结 构，信号质量比码相关法差 30 dB L1载波调制信号（弱）与L2载波调制信号（弱）互乘。 无需了解测距码结构，信号质量比码相关法差 27 dB 接收机复制解密后的 P 码（强），与接收到的调制信 号（弱）在一个W码元内相乘。信号质量比码相关法 差 14 dB
i (i )ion (i )trop cvt
ai
当方程式的个数大于4时，可用最小二乘 法求解（ X ， Y ， Z ）和接收机时钟改正数的 最或是值。
8
1
复习：伪距定位法
1.5 伪距测量精度分析
（1）与对齐精度有关
对齐精度
9
1
复习：伪距定位法
1.5 伪距测量精度分析
3
载波相位测量的原理
载波相位测量的前景
精密单点定位（Precise Point Positioning ）
利用载波相位观测值以及由IGS等组织提供的精 密卫星星历和卫星钟差来进行高精度单点定位的 方法