卫星载波相位定位原理

( xs xr )2 ( ys yr )2 ( zs zr )2 ( tr ts )c N
( xs xr )2 ( ys yr )2 (zs zr )2 ( tr ts )c N
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
未知参数：
接收机位置 -- ( xr , yr , zr )T 接收机钟差 -整周模糊度 --
tr
N
3.1 载波相位观测方程(II)
非线性
( xs xr )2 ( ys yr )2 (zs zr )2 ( tr ts )c N
0 r
3.2 载波相位单点定位(I)
( tr tr )c N ion trop tide rel
载波相位测量的观测精度为mm级，此时要获得高 精度的定位结果需对各项误差源进行精确改正。
轨道误差和卫星钟差 电离层误差 对流层误差 其余误差
3.1 伪距观测方程线性化(III)
( xs xr )2 ( ys yr )2 ( zs zr ) 2
F(X 0)
F ( X 0 )= 0
F ( X ) X
0 r
F ( X ) X
dX (dX )
X0
X0
( xs x ) dX 0
Z跟踪技术
重建的载波信号
1.3 重建载波(II)

码相关法
接收机产生的复制码对接收到的卫星信号再进行一次二进制相位
方法：
调制，可以将测距码去掉，仅留下载波和导航电文；
由于载波和导航电文的频率相差悬殊，可容易地用滤波器将二者分 离。
特点：
优点
可同时获得伪距观测值（C/A）、导航电文和全波长的载波； 用复制码（强）去乘卫星信号（弱），得到结果的信噪比较好。
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
实际观测值
ti 时刻
整周模糊度 N
wenku.baidu.com
单一频率只能测得不足整周部分而无法得到N
变换频率
多级频率
GPS载波相位N值
参数估计
三 载波相位定位原理

3.1 载波相位观测方程 3.2 载波相位单点定位

3.1 载波相位观测方程(I)
真空中且不考虑各项误差
N
考虑所有误差
( tr ts )c N ion trop tide rel
整 周 模 糊 度
1
N
1 [Fr1 ( ) Int1 ( ) N ]
鉴 相 器 多 普 勒 计 数 器
整 周 模 糊 度
F ( )
0 r
Int1 ( ) Fr1 ( )
i (ti ) Fri ( ) Int i ( ) (ti ) N
数m ~ 数十m
cm ~ dm
载波相位定位
mm 精密星历 精密钟差 无电离组合
对流层改正
相对论效应 潮汐改正
模型改正
模型改正 不考虑
模型改正+参数估计
模型改正 模型改正
天线相位缠绕
待求参数 定位精度
不考虑
( xr , yr , zr )T tr
模型改正
( xr , yr , zr )T tr zpd N1 , N2 ,, Nn
缺点
平方过程中同时去掉了测距码和导航电文； 恢复的是半波长载波，其整周模糊度更难确定； 卫星信号（弱）自乘，得到结果的信噪比较差。
1.3 重建载波(IV)

互相关法
方法：
对C/A码仍采用码相关法恢复全波长的L1载波；
利用载波频率不同造成的电离层延迟不同，通过相关性分析得到L1和 L2两信号的伪距差及载波相位差；
卫星载波相位定位原理
主要内容

（一）概 述 （二）载波相位观测量的测量


（三）载波相位定位原理
（四）载波相位定位和伪距定位的比较
一 概 述

1.1 载波的定义 1.2 进行载波相位测量的原因 1.3 重建载波


1.1 载波的定义

载波
-- 可运载调制信号的高频振荡波。
154 f0
1 19.03cm
特点：
优点
RL2 RL1,C / A (RL2,Y RL1,Y )
L2 L1,C / A (L2 L1 )
无需了解Y码的结构，可同时获得双频伪距观测值（C/A、P'2)、导航电
文和全波长的L1和L2载波；
缺点
卫星信号Y1（弱）与卫星信号Y2（弱）自乘，得到结果的信噪比较差。
F ( X ) F X xr F yr F zr
xr dX X X 0 y r zr
xr0 xr X yr0 y r 0 zr z r
( ys y )
0
0 r
xr ( zs z ) y r 0 z r
0 r
0
( xs x )
0
0 r
( ys y )
0
0 r
xr ( z s z ) ( t t )c N y r s r 0 z r
s s s (tr ) e (tr t ) f (tr t )

c


2.2 载波相位实际观测值
t0
r (tr ) (tr )
s
t 0 时刻 0 (Fr0 ( ) N )
t1
0
N
t1
鉴 相 器 t1 时刻
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
l Ax V
最小二乘
xr0 xr X yr0 y r 0 zr z r
四 载波相位定位与伪距定位的比较
比较项
观测值精度 卫星位置 卫星钟差 电离层改正
伪距定位
dm ~ m 广播星历 广播星历 模型改正、无电离组合
缺点
需要知道测距码的结构。
1.3 重建载波(III)

平方法
方法：
卫星信号自乘
A cos t
2
A cos t
特点：
优点
A2 A2 A cos t 2 2 cos 2t 2
不需要知道测距码的结构。
Rogue SNR-x, AOA ICS-4000Z, Trimble 4000, Trimble4700
1.3 重建载波(V)

Z跟踪技术
方法：
将P(Y)码重新分解为P码和W码；
接收机产生复制码，利用码相关法去掉P码，可获得全波长的L1和L2 载波；
特点：
优点
可同时获得双频伪距观测值（C/A、P1、 P2) 、导航电文和全波长的 L1和L2载波； 用复制码（强）去乘卫星信号（弱），得到结果的信噪比较好。
Ashtech Z-12, AOA Benchmark, Leica SR399 Geodetic
二 载波相位观测量的测量

2.1 载波相位测量原理 2.2 载波相位实际观测值

2.1 载波相位测量原理
卫星钟
tr t
接收机钟
tr tr
s e (tr t )

s (tr ) r (tr )
P码 0.03 ~ 0.3m 【低精度导航应用】
2 ~ 3mm
0.3 ~ 3m

载波相位: L1载波 (1 19.03cm) L2载波(2 24.42cm )
【高精度定位应用】
1.3 重建载波(I)
接收到的卫星信号
调制波、相位不连续
解调
去掉测距码和导航电文
码相关法
平方法
互相关技术