1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组1GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用2第五章第五章 距离测量与距离测量与GPS定位定位5.1 利用测距码测定卫地距利用测距码测定卫地距GPS原理及其应用原理及其应用3GPS定位的基本原理定位的基本原理距离测量后方交会距离测量后方交会已知点已知点1已知点已知点2未知点未知点前方交会前方交会已知点已知点1已知点已知点2未知点未知点后方交会后方交会已知点已知点1已知点已知点2未知点未知点12方向交会方向交会已知点已知点1已知点已知点2未知点未知点12距离交会距离交会GPS原理及其应用原理及
2、其应用422(,)xy11( ,)x yk12平面距离后方交会平面距离后方交会能否将地面测距推广到空中测距？能否将地面测距推广到空中测距？能否将二维定位推广到三维定位？能否将二维定位推广到三维定位？21GPS原理及其应用原理及其应用5GPS单点定位基本原理单点定位基本原理 以三个卫星为圆心，以各自星地距离为半径，可作三个球，三个球交于两点，用户必然处于两个点的其中一个点上2p1p3p111(,)PPPxyz222(,)PPPxyz333(,)PPPxyz1kp3kp2kpkGPS原理及其应用原理及其应用6GPS定位的基本原理定位的基本原理 需解决的两个关键问题需解决的两个关键问题 如何确定卫星
3、的位置如何确定卫星的位置 如何测量出站星距离如何测量出站星距离GPS原理及其应用原理及其应用7测距方法测距方法 双程测距双程测距用于电磁波测用于电磁波测距仪距仪 单程测距单程测距用于用于GPSGPS原理及其应用原理及其应用8信号传播时间测距码测距原理测距码测距原理 距离测定的基本思路距离测定的基本思路 信号（测距码）传播时间的测定信号（测距码）传播时间的测定1()()TRu ttu tdtT ctc信号传播时间的测定信号传播时间的测定GPS原理及其应用原理及其应用9接收机接收机U(t-t)相关器相关器积分器积分器时钟时钟cp码发生器码发生器U(t)码移位控制码移位控制U(t-)R（）接收机锁定
4、卫星信号接收机锁定卫星信号GPS原理及其应用原理及其应用10T第i等 份第j等 份第j等 份第i等 份Tu(t+ t)u(t+ )u(t+ t)u(t+ )1R 10R ()u tt ()u tt ()u t ()u t -NumbertotalNumberRNumber 相相同同不不同同错开一个码元以上错开一个码元以上GPS原理及其应用原理及其应用1111(1)221nnnRn 错开一个码元以内错开一个码元以内GPS原理及其应用原理及其应用12测距码测距原理测距码测距原理 利用测距码测距的必要条件利用测距码测距的必要条件 必须了解测距码的结构必须了解测距码的结构 利用测距码进行测距的优点利用
5、测距码进行测距的优点 易于捕获微弱的卫星信号易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度可提高测距精度 采用的是采用的是CDMA（码分多址）（码分多址）技术技术 便于对系统进行控制和管理便于对系统进行控制和管理（如（如AS）每颗每颗GPS卫星都采用特定的卫星都采用特定的伪随机噪声码伪随机噪声码微弱信号的捕获微弱信号的捕获GPS原理及其应用原理及其应用13Z跟踪技术跟踪技术 AS P码码+W码码Y码码 W码的码元宽度比码的码元宽度比Y码大二十码大二十倍倍 Z跟踪技术跟踪技术 原理原理 将相关间隔（积分间隔）限将相关间隔（积分间隔）限定在一个定在一个W码码元内码码元内码码码码码元内在一个PPYW 0 1
6、 0 0 1 0 0（1） W 码 0 1 0 0 1 0 P 码 Y 码 + = 0 1 0 0 1 0 1（-1） W 码 1 0 1 1 0 1 P 码 Y 码 + = GPS原理及其应用原理及其应用14测距码测距码P码码GPS原理及其应用原理及其应用15伪距测量的特点伪距测量的特点 优点优点 无模糊度无模糊度 缺点缺点 精度低精度低GPS原理及其应用原理及其应用16GPS测量的基本观测方程测量的基本观测方程GPS原理及其应用原理及其应用17对流层折射延对流层折射延迟改正迟改正电离层折射延电离层折射延迟改正迟改正接收机钟的接收机钟的改正数改正数卫星钟的改卫星钟的改正数正数信号离开信号离开
7、卫星的时卫星的时刻（卫星刻（卫星钟）钟）信号到达接信号到达接收机的时刻收机的时刻（接收机钟）（接收机钟）RSRSsRRStttropiontropionabttabtatbSRtRbtSaSRVcVcVVVVcVcVccVVcttcVtVtttc)()()()()()(故：站星真实距离：则：；设：伪距：测距码测距的观测方程测距码测距的观测方程SRiontropttVVcVcVGPS原理及其应用原理及其应用18222222000000000000()()()()()()()()()()()()SRiiiiiiiiiontropttiiiiiiiiiixXyYzZixXyYzZVVc Vc VXY
8、ZxXyYzZXxdXdYdZ 令真实的站星距离：， 为卫星则观测方程为：非线性观测方程将 用泰勒级数在测站近似坐标（， ， ）处展开，保留一阶项，有0000022200000000000000()()()()()()() ()()()()SRiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiontropttiiiYyZzdXdYdZxXyYzZXXdXYYdYZZdZxXyYzZlmnl dXmdYndZVVc Vc Vl dXmdYn 其中：；令：；则：00()()()()()SRSiRtiiontroptiiiion itropitiiiitidZc VVVc VLc VVVVl dXmdYndZc VL 线性化后的观测方程令：则误差方程为：伪距测量的误差方程伪距测量的误差方程
