第六章载波相位测量定位

null第6章 GPS载波相位测量定位第6章 GPS载波相位测量定位6.1 GPS观测量及其测量 6.2 GPS载波相位测量的单点定位问题 6.3 GPS载波相位测量的DGPS模型 6.4 GPS载波相位测量与伪距测量的组合解算 6.5 GPS载波相位测量的姿态测定应用6.1 GPS观测量及其测量6.1 GPS观测量及其测量 如果忽略某些附加滞后相位，GPS信号接收机所接收到的GPS信号可 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 述为null——分别为1575042MHz载波L1和1227.60MHz载波L2的振幅；——GPS信号从第j颗GPS卫星到达GPS接收天线的传播时间，它 正比于站星瞬时距离；——第j颗GPS卫星的P码；——第j颗GPS卫星的C/A码；——第j颗GPS卫星的D码,亦即卫星导航电文；——第一载波L1的角频率；——第二载波L2的角频率；——第j颗GPS卫星载波L1的初相；——第j颗GPS卫星载波L2的初相；——第j颗GPS卫星载波L1的多普勒角频率；——第j颗GPS卫星载波L2的多普勒角频率；多普勒频移测量多普勒频移测量fs——GPS卫星发射的载波频率（简称为发射载频）； fR——到达GPS信号接收天线的GPS卫星的载波频率（简称为接收载频）； Vs——GPS卫星的切向（顺轨）速度； C——GPS信号传播速度； α——用户至GPS卫星的矢径与其切向速矢的夹角。null考虑到 ，以及则故知多普勒频移为式中：fG——GPS信号接收机所产生的载波频率； fR——GPS信号接收机所接收到的载波频率。 考虑到 ，多普勒计数可以改写为式中：fG——GPS信号接收机所产生的载波频率； fR——GPS信号接收机所接收到的载波频率。 考虑到 ，多普勒计数可以改写为 为了提高多普勒频移的测量精度，一般不是直接测量某一时元的多普勒频移，而是测量在某一时间间隔（t1,t2）内的多普勒频移之积累数值，称之为多普勒计数（Cd），亦即式中： ——GPS信号接收机所接收到的载波相位； ——GPS信号接收机所产生的载波相位。波数和整周跳变波数和整周跳变 载波相位测量值，是基准载波相位和被测载波相位之差。式中： ——第j颗GPS卫星在时元ts发射的载 波相位； ——GPS信号接收机在时元tR所产生的基准载波相位。（6.1.7）null将发射时元表述为接收时元的函数，亦即式中： ——第j颗GPS卫星在时元ts发射的载波信 号，而于时元tR到达GPS信号接收天线所经过的距离，即站星距离； C——GPS信号的传播速度。（6.1.8）null考虑到式（6.1.8），则式（6.1.7）可写作为式（6.1.10）中的 是第j颗GPS卫星的载波频率(f)，考虑到 和式（6.1.10），则依式（6.1.9）可知，以周为单位的载波相位测量值是从GPS卫星至用户的距离可知，△t≈0.067s；故有式（6.1.11）是归化为GPS信号接收机时系的载波相位测量值。（6.1.9）（6.1.10）（6.1.11）null 实际上，GPS测量数据处理，均采用GPS时间系统。而归化到GPS时系的载波相位测量值为式中：Nj ——第j颗GPS卫星发射载波至GPS信号接收机的滞后相位波数，亦称之为整周模糊度或整周待定值； dt ——第j颗GPS卫星时钟相对于GPS时系的偏差； dT ——GPS信号接收机时钟相对于GPS时系的偏差； △TR ——站星距离变率的时间间隔； ρj（tS，tG）——站星距离变化率。（6.1.12）nullGPS动态载波相位测量NjNjGPS卫星Sj(t0)GPS卫星Sj(t)在时元t0的载波相位测量值在时元t的多普勒计数在时元t的载波相位测量值波数解算之例波数解算之例null 若考虑到波长λ=C/f，由式（6.1.12）可知，以米为单位而在时元t测得的载波相位是式中： ——多普勒计数，且知 此处，C(t)R是在时元t的计数器读数，C(t0)为在 初始时元t0的计数器读数； ——电离层效应在时元t的距离偏差系数； f ——GPS信号的载波频率。（6.1.13）null 式（6.1.13）中的波数Nj，是基于下述实事而成立的：从初始时元t0到观测时元t，计数器始终处于连续不断的计数状态，以致在[t t0]时域内多普勒计数是连续的，以此确保观测时元t的波数等于初始时元t0的波数；亦即在[t0 t]时域内只有一个波数Nj。 但是，用于测量载波滞后相位的锁相环路，在强干扰信号的作用下，它的稳定平衡状态受到了破坏，以致环路鉴相器的工作点跳过2π，甚至若干个2π。随着干扰信号减弱到阈值一下，致使锁相环路趋向新的稳定平衡状态，而恢复正常的测相作业。跳越2π的数目，既取决于干扰信号的强度，又取决于干扰信号的持续时间。GPS信号接收机锁相环路稳定平衡状态的破坏，导致了多普勒计数的记录中断，这种丢失多普勒计数的现象，叫做整周跳变（cycle slip），简称为周跳。6.2 GPS载波相位测量的单点定位问题6.2 GPS载波相位测量的单点定位问题 GPS载波相位测量的观测方程（不考虑电离层效应等引起的距离偏差）： （6.2.1）null对（6.2.1）进行线性化，则有式中：（6.2.2）null用户在时元t的三维位置为null 若按GPS伪距测量的单点定位方法，也观测4颗GPS卫星，依式（6.2.2）可得如下观测矩阵：式中： 依式（6.2.2）用户位置的改正值为null（1）在GPS载波相位测量单点定位的情况下，同样观测4颗GPS卫星，却要解求8个未知数，因此，不能够仅仅依靠观测4颗GPS卫星的载波相位，来解算出用户位置； （2）每增加观测一颗GPS卫星的载波相位，又要增加一个新的未知数（波数N），因此，也不能够用增加观测GPS卫星数的方法，来解算出用户位置； （3）在GPS卫星的一次通过中，如果GPS信号接收机能够始终保持不中断多普勒计数，亦即，不发生周跳，而能够保持波数Nj固定不变化，则用多时元的GPS载波相位测量值，能够解算出用户位置。null 在GPS动态载波相位测量时，一般进行“初始化测量”，亦即，在动态用户航行之前，需要进行20min左右的静态测量，而精确地解算出波数Nj。当动态用户航行后，将该解算出的波数视为已知值，而可按观测4颗GPS卫星的方法，解算出动态用户在每一个时元的实时位置。6.3 GPS载波相位测量的DGPS模型6.3 GPS载波相位测量的DGPS模型 假定两台GPS信号接收机，分别安设在两个不同的测站R和K上，而于两个不同的时元t1和t2，各观测了两颗GPS卫星（j和n，实际上至少要观测4颗GPS卫星），则可测得下列8个L1载波相位观测值null4个单差分测量值4个单差分测量值站际单差分测量示意图 测站之间进行求差解算RKnull 依据上列8个L1载波相位测量观测值，可以求得如下所述的单差分测量值。 单差法，是两台分别安设在两个测站上的GPS信号接收机（K，R），于同一时元对同一颗GPS卫星的载波相位测量进行求差。null 在两台接收机之间进行载波相位测量求差解算，简称为“站际单差”。 在两颗GPS卫星之间进行载波相位测量求差解算，称之为“星际单差”。 站际单差的优点：消除了星钟误差和星历误差。两个双差分测量值两个双差分测量值双差分测量示意图 测站和卫星之间进行求差解算RKnnull 双差法，是两台分别安设在两个测站上的GPS信号接收机（K，R），于同一时元对两颗不同的GPS卫星的载波相位测量进行求差，亦即，双差法，是同一时元的两个单差测量值之差。 优点：除了消除了星钟误差和星历误差以外，还消除了两台GPS信号接收机的收钟误差。因此，双差法能够显著地提高GPS卫星导航定位精度，而被广泛应用之。一个三差分测量值一个三差分测量值三差分测量示意图 测站、卫星和时元之间进行求差解算RKnnull 三差法，是两台分别安设在两个测站上的GPS信号接收机（K，R），于不同的时元（t1，t2）对两颗不同的GPS卫星（j，n）的载波相位测量进行求差，亦即，三差法，是不同时元、不同卫星的两个双差测量值之差。 优点：不仅消除了星钟误差、星历误差和GPS信号接收机钟差，而且消除了波数（整周模糊度）。DGPS测量的优越性DGPS测量的优越性GPS载波相位测量的三差法，还可用于周跳的修除。null 若在观测GPS卫星j和n时，对GPS卫星j作载波相位测量时，测站K上发生了周跳（CS），而获得了如表6.3.2所示的载波相位测量观测值。仅以这组载波相位测量观测值就可以求的如表6.3.3所示的单差、双差和三差等三种差分测量值。 表6.3.2 两颗卫星（j，n）的载波相位测量观测值表6.3.3 单差、双差和三差差分测量值表6.3.3 单差、双差和三差差分测量值 在求差解算时，一般选用一颗高度角较大的GPS卫星作为求差的参考卫星，进而用其他3颗以上GPS卫星的载波相位测量观测值，与参考卫星的载波相位测量观测值进行求差，而获得所需要的差分测量值。null 不管是GPS静态定位，还是GPS动态测量，载波相位测量观测值的求差解算，均能够获得较高的导航定位精度。表6.3.4 DGPS动态定位精度null 着陆，是飞机安全飞行的关口阶段，它包括起始进场、下滑和拉平3个过程。每一个过程要求不同的二维位置/垂直精度。根据国际民用航空组织（ICAO）于1998年8月对GNSS用于进近着陆的建议标准为： （1）Ⅰ类精密进近的二维位置/垂直精度是16.0m/4.0m； （2）Ⅱ类精密进近的二维位置/垂直精度是6.5m/1.7m； （3）Ⅲ类精密进近的二维位置/垂直精度是3.9m/0.8m；航空导航/定位的要求精度航空导航/定位的要求精度6.4 GPS载波相位测量与伪距测量的组合解算6.4 GPS载波相位测量与伪距测量的组合解算GPS载波相位测量的简易方程 若暂且忽略一些附加时延，仅考虑电离层效应对站星距离的测量影响，以及载波的相速传播特性，则知第j颗GPS卫星载波相位测量的距离方程为 null 式中：Φi——以周为单位的第i个载波的滞后相位观测值（此 处，i=1，2） Ni——第i个载波的整周模糊度（波数）； λi——第i个载波的波长，且知λ1 =19cm，λ2=24cm； ρ——以米为单位的站星真实距离； A——电离层效应引起的距离偏差系数； fi——第i个载波的频率。（6.4.1）null若 ，则式（6.4.1）为若令则有（6.4.2）（6.4.3）宽巷载波相位测量方程式宽巷载波相位测量方程式将式（6.4.3）的两式相减，则得若令则有 式（6.4.4）称为宽巷载波相位测量方程式， λd称为宽巷载波相位测量波长。且知（6.4.4）窄巷载波相位测量方程式窄巷载波相位测量方程式如果将式（6.4.3）的两式相加，则有若令则有 式（6.4.5）称为窄巷载波相位测量方程式， λa称为窄巷载波相位测量波长，且知 式（6.4.5）中的Na称为窄巷载波相位测量波数，它是波数N1N2的平均值。（6.4.5）L1-P/L2-P码伪距测量的简易方程L1-P/L2-P码伪距测量的简易方程以群速传播的L1-P码和L2-P码伪距测量方程分别为式中：Pi——Li-P码的伪距观测值（i=1，2）； ρ——以米为单位的站星真实距离； A——电离层效应引起的距离偏差系数； fi——第i个载波的频率。（6.4.6）null若对式（6.4.6）作下列变换则有上两式相加可得或写成（6.4.7）（6.4.8）null上式左边写作将式（6.4.9）代入式（6.4.8）可得（6.4.9）将式（6.4.7）两式相减，则可得或写成依据式（6.4.10）的推导方法可得（6.4.10）（6.4.11）（6.4.12）宽窄巷载波相位与伪距测量的组合解算宽窄巷载波相位与伪距测量的组合解算由式（6.4.4）和式（6.4.10）解得由式（6.4.5）和式（6.4.12）解得依式（6.4.4）和式（6.4.5）可知（6.4.13）（6.4.14）（6.4.15）null从式（6.4.15）可见： （1）用按上述公式算得的宽窄巷载波相位测量值 ，以及它们的波长 和波数 ，可以精确地求得站星距离 ； （2）由于采用GPS载波相位/伪距测量值进行组合解算，而消除了电离层效应I12的影响； （3）用无电离层效应影响的站星距离 解算的用户位置，不仅精度较高，而且能够确保用户位置的置信度。三个民用信号的作用非凡三个民用信号的作用非凡 第二、三载波（L2 L5）的相位观测值，亦能获得宽巷和窄巷观测方程 式中：（6.4.16）null ——以周为单位的第三载波（L5）的相位观测值 ——第三载波的整周模糊度仿效式（6.4.13）和式（6.4.14）的推导方法，则有 依式（6.4.16）则有 式（6.4.18）和式（6.4.15）具有相同的作用，即能消除电离层效应的影响，而取得较高而稳定的定位精度。null 此外，因 ，而能更准确地求得波数 ，有益于用OTF解算实时在航点位。OTF算法的首要问题是，求定载波相位测量整周模糊度的初始值。当用调制在上列3个载波上的一个伪噪声码测得三个伪距（PL1、PL2和PL5）时，则可按下列算式求得载波相位测量整周模糊度的初始值 ：null（6.4.19a）（6.4.19b）（6.4.19c）6.5 GPS载波相位测量的姿态测定应用6.5 GPS载波相位测量的姿态测定应用GPS测姿的三种坐标系 三维姿态参数 是运动载体在专用坐标系——载体坐标系中相对于全球或 者当地水平坐标系的三维定向参数，即为，运动载体的偏航角、 横滚角和俯仰角。横滚角 ，是运动载体绕体轴线的转动角。 俯仰角 ，是运动载体绕侧轴线的转动角。 偏航角 ，是运动载体绕垂直轴的转动角。 如果这3个转动角均为零，则表明在载体正好处于水平而向 北的运动状态。null GPS测姿，是在一个运动载体的几个不同位置上分别安设GPS信号接收天线，而用GPS载波相位测量求解出运动载体的三维姿态参数。GPS测姿平台的平面，只能由3点或两个非重叠或平行的矢量来确定，因此，最少需要在运动载体上安设三根GPS信号接收天线，才能形成两条独立的基线，而实施GPS姿态测量。null1.载体坐标系 载体坐标系（body frame system，BFS）的原点，定义 在GPS天线阵列中的主天线相位中心，Xb轴与载体运动方向 的中心线（主轴）重合，正向指向载体的运动方向，Yb轴垂 直Xb轴指向载体右侧，Zb轴与Xb 、 Yb轴垂直正交，而构成右 手坐标系。载体坐标系及天线配置null2.当地水平坐标系 当地水平坐标系（local level system，LLS），亦称NED坐标系、地理坐标系或惯性直角坐标系，是一种站心直角坐标系，它的原点与载体坐标系的原点重合，以此消除坐标系原点偏移，Xn轴指向当地被子午线（North），Yn轴于Xn轴垂直而指向东（East），Zn轴（Down）与Xn 、 Yn轴正交，而构成右手坐标系。 在一种特殊的情况下，当载体沿子午方向向北平稳运动时，其右向将恰好指向东，此时当地水平坐标系与载体坐标系便相重合，而不存在两者的变换问题。GPS测姿的坐标变换GPS测姿的坐标变换1.WGS-84坐标与当地水平坐标的变换 O-XYX为WGS-84地心空间直角坐标系，H-xyz为LLS当地水平坐标系。对于空间任一点，在已知LLS坐标系原点的坐标及其大地经纬度（B、L）情况下，首先进行坐标系原点的平移，然后经过下述三次有顺序的坐标轴旋转变换： （1）绕Z'轴旋转（180+L）度，得到H-X"Y"Z"； （2）绕Y"轴旋转（270+B）度，得到H-X'''Y'''Z '''； （3）在上述坐标轴旋转的基础上，再绕X轴旋转180°。WGS84坐标系与当地水平坐标系null 可将其在WGS-84坐标系坐标转换至LLS坐标系，根据Bursa-Wolf坐标系转换模型，可以得到如下关系式： 式中： ——测站H点坐标，在姿态测量求解过程 中，它为主天线所测得点位坐标（LLS坐标系原点）。（6.5.1）null 依上述，对于空间任一点M，其WGS-84坐标与LLS坐标之间的关系，写成矩阵形式为 上式中的B、L分别是H点的大地纬度和大地经度， 及 分别为M点和H点在WGS-84坐标系的坐标观测值。null2.当地水平坐标与载体坐标的变换 从LLS坐标变换到BFS坐标的关系式为（6.5.3a） 上式表明，利用GPS测量成果，通过WGS-84坐标和LLS坐标的变换，求得XLLS，进而作LLS坐标和BFS坐标的变换，求解出XBFS。依据所求得的实时坐标，即可解算出偏航角、俯仰角和横滚角。null现将（3.5.3a）改写为上式中的欧拉角变换过程，可写成下列矩阵形式： 在实际的姿态参数求解过程中，XBFS在姿态测量的初始化阶段得到（采用经纬仪或GPS静态测量），作为姿态解算的初始已知值。（6.5.3b）null 从上述分析可知，GPS测姿，就是求解3个姿态角的过程。 由于天线基线在载体坐标系中的坐标分量，以及基线长度在初始化阶段均可精确测定，而将其视为已知值。因此，只要实时测得天线基线在当地水平坐标系中的坐标分量，则按下式求解出3个姿态角。GPS测姿方法GPS测姿方法1.两天线测姿 使用两根GPS天线进行运动载体的姿态测定，只能估计出2个姿态角，以最一般的情况（测量偏航角和俯仰角）为例，讨论其姿态测量。两天线在载体坐标系中的配用null 天线A1到天线A2的矢量方向可以确定偏航角，天线A2的坐标为(L12，0，0)T，将天线A1设置为载体坐标系和当地水平坐标系的原点，而不必利用姿态参数矩阵Rypr，可以采用直接计算法来计算偏航角和俯仰角： 通过对GPS载波相位的观测，能够极其精确地测定天线A2相对天线A1在WGS-84地心系坐标的三维位置，即基线在地心坐标系中的投影分量，再根据式（6.5.1）将其变换成以天线A1为原点的当地水平坐标系的坐标，然后就可以由式（6.5.5）解算出偏航角和俯仰角。（6.5.5a）（6.5.5b）null根据误差传播定律，可以得到俯仰角的计算精度：式中： ——由GPS测得的天线A2坐标的最大标准偏 差，即 ，由上式可知，俯仰角的误 差与基线的长度成反比。null2.多天线测姿 从GPS测姿原理课件，当采用3跟天线时，最简单的作业方式，是组成2条正交的基线，则可测得3个姿态角。但一般情况下，基线没有安设成为正交形式，如下图： 基线12用于测定偏航角和俯仰角，基线13用于测定横滚角，天线1、2、3在xOy平面内，且知基线12和13的交角为α，它是精确测定的已知量。三天线在载体坐标系中的配用null 用两天线测姿的公式，可以确定偏航角和俯仰角。将天线3的当地水平坐标系的坐标 绕当地水平坐标系的z轴转动 角度，然后再绕转动后的当地水平坐标系的x轴转动 角度，经过两次转动最后得到的天线3的坐标用 表示。通过第三次转动 即可将 变成载体坐标系 ，即 于是，可以得到横滚角的计算式：null 当在一个平面内有4个或4个以上GPS天线的情况下，所有天线基线的载体坐标系Z分量均为零。由于载体坐标系的坐标所构成的矩阵不满秩，就会导致计算得到的9参数姿态变换矩阵不稳定，以致所得到的结果是不可靠的。null3.单天线测姿 单天线测姿是利用带有一根天线的GPS接收机进行姿态测量。 若以机载GPS测姿为例，是指在简单的点质量飞机模型协同飞行（coordinated fly）的假定条件下，由单天线GPS接收机所测定的速度和由速度竟卡尔曼滤波得到的加速度信息，经过姿态合成算法处理而推算出姿态参数，然后以姿态信息的形式显示出来，其测姿系统的基本 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图如下图：单天线测姿系统简化流程图null 一台GPS接收机以较高的采样率提供测量数据，确保速度和加速度的确定。对于大多数的GPS接收机而言速度测量采用的是载波跟踪环路的多普勒频移值，包含在导航状态的输出结果中。 在导航结算中有时也把加速度作为状态量包含在内，但加速度不能由GPS接收机直接提供而只能通过外推得到。由于在接收机的观测中存在噪声，因此不能进行速度的简单微分，而是采用卡尔曼滤波进行加速度的估计：机载计算机将输入的速度进行卡尔曼滤波处理，得到加速度信息然后经过姿态合成算法，将得到的姿态信息在一个电子显示屏上显示出来。null 姿态合成算法是建立在一个简单的点质量飞机模型基础上的，为了测量该点速度，需要假定GPS接收天线相位中心与飞机的重力中心符合。 用单天线GPS速度观测合成姿态信息的意义 能够充分利用飞机上现有广泛使用的导航设备，以最小的额外花费获取额外的姿态参数，而且可以用嵌入式或手持型GPS接收机作为姿态测量备用系统。 由于基于单天线GPS测姿系统，是独立于惯性传感器姿态测量系统的，因此，GPS测姿还可用于故障 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 ，并在保持系统高度完整的情况下，可以通过消除一些硬件冗余而减少系统费用。几种测姿方法的比较几种测姿方法的比较作业作业1.什么是多普勒计数？ 2.什么是单差、双差和三差，它们各有什么特点？ 3.静态相对定位中，在接收机之间求一次差可有效消除或削弱的误差项为： A. 卫星钟差 B. 电离层延迟误差 C. 对流层延迟误差 D. 接收机钟差 4.什么叫整周跳变？整周跳变时跳越2π的数目与哪些因素有关？ 5.分别写出宽巷和窄巷载波相位测量方程，并写出各个参数的含义。 6.GPS的测姿方法有哪些？并写出各自的初始条件及天线配置、基本思想和优缺点。null7.采用多天线测姿时，三天线在载体坐标系中的配用如下图所示，且知天线2和3的当地水平坐标系分别为(x2,y2,z2)T、(x3,y3,z3)T，求俯仰角、偏航角和横滚角。