4 GPS定位的观测量和观测方程

第四章 GPS定位的观测量和观测方程

GPS定位要解决两个问题：

一是观测瞬间GPS卫星的空间位置。

解决方法：通过导航电文中的卫星星历来确定。（前已述）

二是测站点卫星之间的距离。

解决方法：通过测定信号传播时间计算。传播时间通过GPS的观测量计算的。

4.1 GPS的主要观测量

主要观测量：码伪距： C1、P1、P2

载波相位：L1、L2

多普勒 D1、D2

即：

1)L1载波相位观测值（L1）

2)L2载波相位观测值（L2）

3)调制在L1上的C/A-code伪距（C1）

4)调制在L1上的P-code伪距（P1）

5)调制在L2上的P-code伪距（P2）

6) L1载波Dopple观测值（D1）

7) L2载波Dopple观测值（D1）

在 RINEX 2.10 中, 定义了下列观测值类型:

L1，L2:L1 和 L2 上的相位观测值;

C1：采用L1上 C/A 码所测定的伪距;

P1, P2:采用L1、L2 上的 P 码所测定的伪距;

D1 , D 2:L1 和 L2 上的多普勒频率;

T1, T2:子午卫星的150( T1) 和400 MHz( T2) 信号上的多普勒积分;

S1, S2: 接收机所给出的L1、L2 相位观测值的原始信号强度或SNR 值。

在反欺骗( AS) 之下所采集的观测值将被转换为“L2”或“P2”, 并将失锁指示符( 见表9-2) 的第二位置1。

观测值的单位: 载波相位为周, 伪距为 m, 多普勒为 Hz,子午卫星为周, SNR 等则与接收机有关。

【例】

载波

GPS使用两种载波：

L1载波：fL1=154×f0=1575.42MHz,波长λ1=19.032cm,

L2载波：fL2=120×f0=1227.6MHz,波长λ2=24.42cm。

载波的作用：

1、在无线电通信技术中，为了有效地传播信息，都是将频率较低

的信号加载在频率较高的载波上，此过程称为调制。然后载波

携带着有用信号传送出去，到达用户接收机。

2、载波也可以用作测距信号来使用。

3、选择这两个载频，目的在于测量出或消除掉由于电离层而引起

的延迟误差。

数据码

数据码即为导航电文，D码。

测距码

GPS卫星的测距码属于伪随机噪声码，简称PRN，是一个具有一定周期的取值0和1的离散符号串。它不仅具有高斯噪声所有的良好的自相关特征，而且具有某种确定的编码规则，使我们人工能复制出来。

C/A码

用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码。

选择32个码以PRN1……PRN32命名各种GPS卫星。

C/A码的码元宽度较大。假设两个序列的码元对齐误差为码宽的1/10～1/100，则此进相应的测距误差为29.3～2.93m。

P码

是卫星的精测码，码率为10.23MHz，码长约为6．19x1012比特。

码元宽度为C／A码的1／10，这时若取码元的对齐精度仍为码元宽度的l ／10～l／100，则由此引起的相应距离误差约为2．93-0．29m，仅为C ／A码的1／10。所以P码可用于较精密的导航和定位，故通常也称之为精码。

根据美国国际部规定，P码是专为军用的。目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，且价格昂贵。即使如此，美国国防部又宣布实施AS政策，即在P码上增加一个极度保密的W码，形成新的Y码，绝对

禁止非特许用户应用。

载波、测距码和数据码共同构成了GPS卫星信号，如图所示。

4.2测码伪距观测方程

伪距定义：含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差的站星观测距离，故称为伪距。

观测量为时间延迟：==t i(GPS)---t j(GPS) 真值

符号约定：

tj(GPS)为卫星sj发射信号时的理想GPS时刻，

ti(GPS)为接收机Ti收到该卫星信号时的理想GPS时刻，

tj为卫星sj发射信号时的卫星钟时刻，

ti为接收机Ti收到该卫星信号时的接收机钟时刻。

tij为卫星信号到达观测站的传播时间。

tj为卫星钟相对理想GPS时的钟差，

ti为接收机钟相对理想GPS时的钟差。

则有

t j=t j(GPS)+t j，t i=t i(GPS)+t i

信号从卫星传播到观测站的时间为

t i j=t i---t j=t i(GPS)---t j(GPS)+t i---t j==

假设卫星至观测站的几何距离为i j，在忽略大气影响的情况下可得相应的伪距：

当卫星钟与接收机钟严格同步时，上式所确定的伪距即为站星几何距离。

通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的导航电文中获得，经钟差改正后，各卫星之间的时间同步差可保持在20ns以内。如果忽略卫星钟差影响，并考虑电离层、对流层折射影响，可得测码伪距观测方程的常用形式

测码伪距方程的线性化：

上式中

假设：为卫星于历元t的坐标近似值向量

为观测站的坐标近似值向量

为卫星坐标的改正数向量

为观测站坐标的改正数向量

测站到卫星的方向余弦：

所以：

误差方程为：

4.3测相伪距观测方程

载波相位观测值：载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。

载波信号量测精度优于波长的1/100，载波波长

（L1=19cm,L2=24cm）比C/A码波长(C/A=293m)短得多，所以GPS测量