伪距、载波相位测量原理
载波相位与伪距组合测量
载波相位与伪距组合测量
利用载波相位和伪距进行进行组合测量，主要有两种方法：
∙用伪距估算载波整周模糊度
算法思想：
伪距与载波相位的近似关系式：
因此，一种简单估算整周模糊度值的方法为：
其中，“[]”代表四舍五入的取整运算，即上式得到一个整周模糊度的整数型估算值。
分析：
这种估算方法只是用伪距对相位整周模糊度进行粗略的估计。
而载波相位的测量精度是波长的1/100，在2G频段上对应的精度为1.5mm，远小于码片宽度，调节范围小，只可做细校准，使数据的误差抖动较小，但是无法改变原有定位误差的基本量级。
（除非能够连续记录载波的变化）。
∙载波相位平滑伪距的方法
算法思想：
利用精度更高但存在模糊度的载波相位观测值来平滑粗糙的伪距观测值。
采用以下Hatch滤波的形式对观测值进行实时处理：
分析：
载波相位平滑伪距是一种滤波的形式，其本质是多次测量取均值，且利用载波相位进行局部调整。
其可以减小高斯噪声的影响，但是对于室内定位没有相对移动的情况下，无法减少多径引起的固有误差。
载波相位的调节能力有限：载波相位的数据相对伪距很小，单次测量对结果影响较小，卫星中通过长时间跟踪的总体累计产生影响。
而在地面定位系统数据为突发数据，无法维持长时间的累计，无法改变测量精度。
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)。
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、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：
【转】GPS定位原理
【转】GPS定位原理⼀、距离测定原理1、伪距测量伪距测量是利⽤全球卫星定位系统进⾏导航定位的最基本的⽅法，其基本原理是：在某⼀瞬间利⽤GPS接收机同时测定⾄少四颗卫星的伪距，根据已知的卫星位置和伪距观测值，采⽤距离交会法求出接收机的三维坐标和时钟改正数。
伪距定位法定⼀次位的精度并不⾼，但定位速度快，经⼏⼩时的定位也可达⽶级的若再增加观测时间，精度还可以提⾼。
每⼀卫星播发⼀个伪随机测距码信号，该信号⼤约每1毫秒播发⼀次，接收仪同时复制出⼀个同样结构的信号并与接收到的卫星信号进⾏⽐较，由信号的延迟时间(dT)推算出卫星⾄接收仪的距离。
2、载波相位测距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。
整周未知数N的确定是载波相位测量中特有的问题，也是进⼀步提⾼GPS定位精度、提⾼作业速度的关键所在。
⽬前，确定整周未知数的⽅法主要有三种：伪距法、N作为未知数参与平差法和三差法。
考虑到GPS定位时的误差来源，当前普遍采⽤的观测量线性组合⽅法称之为差分法，其具体形式有三种，即所谓的单差法、双差法和三差法。
⼆、点位测定原理当只有⼀颗卫星时，我们只能确定以 R1为半径的圆上的某个点上。
当有两颗卫星时，2个球⾯相交成⼀个圆弧点位被限制在⼀曲线上。
当只有三颗卫星时，3个球⾯相交成⼀个点,3个距离段可以确定纬度，经度，和⾼程,点的空间位置被确定。
当只有四颗卫星时，4段或更多的距离就解决了纬度，经度，⾼程和时间四个未知数,这就类似于测边交会问题的解决原理。
多颗卫星不间断地发送⾃⾝的星历参数和时间信息，⽤户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维⽅向以及运动速度和时间信息。
从以上原理我们可以知道，在GPS测量时，⾄少需要四颗卫星即可进⾏测量，但由于卫星信号的误差源⽐较多，想要得到更⾼精度的点位精度或在进⾏RTK测量时，必须要在五⾥颗以上才能保证测量的精度。
伪距和载波相位观测方程异同点
伪距和载波相位观测方程异同点伪距观测和载波相位观测是卫星导航系统中常用的两种测量方式。
它们分别基于卫星信号的传播时间和相位变化来确定接收机与卫星之间的距离和位置。
虽然伪距观测和载波相位观测在原理和应用上存在一些异同点，但它们都是通过测量卫星信号的特征来实现导航定位的重要手段。
伪距观测和载波相位观测都是通过测量接收机接收到的卫星信号来计算距离的。
伪距观测是利用卫星信号的传播时间差来确定距离，而载波相位观测则是通过测量卫星信号的相位变化来计算距离。
不同的是，伪距观测是直接测量卫星信号的传播时间差，而载波相位观测则需要通过对信号的相位进行解算来得到距离。
伪距观测和载波相位观测在测量精度上存在一定的差异。
伪距观测由于只测量了信号的传播时间差，受到误差的影响较大，一般精度在几米至十几米左右。
而载波相位观测由于测量的是信号的相位变化，精度较高，可以达到亚米甚至厘米级别。
因此，在高精度定位和导航应用中，更常采用载波相位观测来实现更精确的定位。
伪距观测和载波相位观测在数据处理上也存在一些差异。
伪距观测直接从接收机接收到的卫星信号中提取出伪距信息，处理简单快速，但由于信号传播过程中存在大气延迟等误差，需要进行差分改正和误差校正才能得到较准确的定位结果。
而载波相位观测需要对信号进行解算，需要更复杂的算法和计算过程，但由于测量精度高，可以获得更准确的定位结果。
不仅如此，伪距观测和载波相位观测在应用上也有一些差异。
伪距观测由于测量简单、处理快速，更适用于实时定位和导航应用，如车载导航、船舶定位等。
而载波相位观测由于精度高，更适用于精密测量和科学研究领域，如大地测量、精密农业等。
总结起来，伪距观测和载波相位观测是卫星导航系统中常用的两种测量方式，它们分别基于卫星信号的传播时间和相位变化来确定接收机与卫星之间的距离和位置。
虽然两者在原理、精度、数据处理和应用上存在一些差异，但都是实现导航定位的重要手段。
伪距观测适用于实时定位和导航应用，而载波相位观测适用于精密测量和科学研究。
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。
第四章GPS卫星定位的基本原理 第三节载波相位测量
GPS测量定位技术
一、载波相位测量原理
如右图，ti 时刻载波相位测量的量测 值为
ni F r () Inti () F ir ()
上式表明，载波相位测量的实际观 测值 由两部分组成：其一是差频信 号的整周数变化部分 Int，() 其二是差频 信号的不足一整周部分 。Fr其() 中在初 Int() 始观测时为零，而后由多普勒计数 器 从 时 刻t0 连 续 计 数 累 积 得 出 。 而 则是Fr(根) 据 时的基ti 准信号相位和接收 i(R) 的载波信号相位 直接量测i(S。)
dX
Y
0
dY
Z
0
dZ
0
X0 0
x
dX
Y0 0
y
dY
Z0 0
z
dZ
（4-23） （4-24）
GPS测量定位技术
二、载波相位测量观测方程
将上式代入式（4-20），可以得到线性化的载波相位测量
基本观测方程：
f c
x X 0 dX 0
f c
y Y0 dY 0
f c
z
Z0 0
GPS测量定位技术
三、载波相位测量差分法
在载波相位测量基本方程中，包含着两类不同的未知数：一 类是必要参数，如测站的坐标；另一类是多余参数，如卫星钟 和接收机的钟差、电离层和对流层延迟等。并且多余参数在观 测期间随时间变化，给平差计算带来麻烦。
解决这个问题有两种办法：一种是找出多余参数与时空关系 的数学模型，给载波相位测量方程一个约束条件，使多余参数 大幅度减少；另一种更有效、精度更高的办法是，按一定规律 对载波相位测量值进行线性组合，通过求差达到消除多余参数 的目的。
例如，对某一观测瞬间n颗卫星进行了载波相位测量，就可以 列出n个观测方程，方程中都含有相同的接收机钟差未知数。若 选择一颗卫星作为基准，将其余n－1颗卫星的观测方程与基准 卫星对应的观测方程相减，就可以在n－1个方程中消去钟差未 知数 。vtb它可以大大减少计算工作量。目前GPS接收机的软件， 基本上都采用了这种差分法的模型。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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）
3.9 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
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：
R(t)1 TU(tt)U/(t)dt
T0
信号传播时间的测定
测距码测距原理②
利用测距码测距的必要 条件
必须了解测距码的结构
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
小结
载波重建 码相关法 平方法 互相关（交叉相关）技术 载波相位测量
3.8 伪距测量原理
测距方法
双程测距
用于电磁 波测距仪
单程测距
用于GPS
测距码
C/A码 P码
码相关伪距测量原理
码相关法伪距测量是通过调整自相 关函数R(t)的值，测定测距码信号由卫星到 达测站的传播时间实现的。
（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。
3.9.1 GPS卫星的载波信号
GPS卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频 信号
其中C/A码和P码的数码率分别为1.023 Mbit/s与 10.23 Mbit/s，而D码(导航电文，又称为数据码) 的数码率仅为50 bit/s。GPS卫星离地面远达 2×104km，其电能又非常紧张，因此很难将上述数 码率很低的信号传输到地面。
Z跟踪技术
AS
010010 P码
P码+W码Y码
+
W码的码元宽度为Y码的 W 码
0（ 1）
二十倍
= 010010
Z跟踪技术
Y码
原理
在一个 W码码元内
Y码
P码 P码
P码 + W码
010010
1（ -1）
将卫星信号在一个W码码 = 元内与接收机复制出的P Y 码 码进行相关处理
101101
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。
重建载波
问题的产生
调制了测距码和 导航电文后，载 波将不连续
要测定载波相位， 必须设法使不连 续的载波信号恢 复为连续的载波 信号
重建载波
定义：将非连续载波信号恢复成连续载波 信号的过程
方法： (1)-码相关法 (2)-平方法 (3)-互相关（交叉相关）技术(补) (4)-Z跟踪技术（补）
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
GPS卫星信号的组成部分
载波（Carrier）
L1 L2
测距码（Ranging Code）
C/A码（目前只被调制在L1上） P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）
解决这一难题的办法，就是另外发射一种高频信号， 并将低频的测距码信号和导航电文信号加载到这一 高频信号上，构成一高频的已调波发射给地面。
GPS卫星的基准频率 f0
由卫星上的原子钟直接产生 原子钟的基准频率为10.23MHz 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍
频或分频
3.9 卫星的载波信号及相位测量原理
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
伪距测量原理
当卫星发射的测距码信号经过t秒传播后到达 接收机时，接收机产生一个结构完全相同的复 制码序列，并在延时器的控制下不断调整值， 直到R(t)=1为止。
此时，t = ，也就是说t可被测定。 传输时间t乘以光速c可以获得卫星到测量站的
距离。 t包含卫星钟和接收机钟的不同步误差，因此
测量出来的距离叫做伪距。
卫星（导航）电文（Message）
载波
作用
搭载其它调制信号 测距 测定多普勒频移
类型
目前 L1 – 频率： 154f0 = 1575.43MHz；波长：19.03cm L2 – 频率： 120f0 = 1227.60MHz；波长：24.42cm
现代化后 增加L5 – 频率：115f0 = 1176.45MHz；波长： 25.48cm
（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
RL2RL1,C/A(RL2,YRL1,Y) L2L1,C/A(L2L1)
互相关（交叉相关）
技术要点 不同频率的卫星信（弱）进 行相关。
特点 优点：无需了解Y码的结构， 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27dB）