卫星载波相位定位原理

未知参数：
接收机位置 -接收机钟差 -整周模糊度 --
(xr , yr , zr )T
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
线性化
(xs xr )2 ( ys yr )2 (zs zr )2
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。
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；
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
(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
F ( X ) X
X0
dX
(
xs
0
xr0 )
( ys yr0 )
0
(
zs
0
zr0
)
xr yr zr
0
(xs
0
xr0
)
( ys yr0 )
0
(zs
0
zr0
)
xr
yr
zr
( tr
ts
)c
N
3.2 载波相位单点定位(I)
(tr tr )c N ion trop tide rel
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。
卫星钟
f0 10.23MHz
a2
x
a1 y a2 y
M M M
%n
RR%%12
anx
a1x
a2 x
any a1 y a2 y
M
M
M
R%n anx any
a1z 1 m1 1 0 L a2z 1 m2 0 1 L M M M M MO
anz 1 mn 0 0 0 a1z 1 m1 0 0 L a2z 1 m2 0 0 L M M M M MO
特点：
优点
Acos t
2
A2 2
A2 2
cos 2t
2
➢ 不需要知道测距码的结构。
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；
F yr
F
zr
dX
X
X
0
yr
zr
X
xr0 yr0
xr
yr
zr0 zr
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 ) dX (dX )
X X 0
F ( X 0 )= 0
卫星钟
tr t
tr
2.1 载波相位测量原理
接收机钟
s e
(tr
t)
tr
s (tr ) r (tr )
相位差
r (tr ) -- 接收机振荡器产生的基准信号相位
r (tr ) s (tr )
r (tr ) f tr
s (tr ) -- 接收机接收到的卫星信号相位
f
tr
f
(tr
t)
f
t
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
IGS精密星历和钟差
电离层误差 对流层误差
无电离层组合观测值
L3
f12 L1
f
2 2
L2
f12
f
2 2
模型改正 +
参数估计
其余误差
模型改正
3.2 载波相位单点定位(II)
%%12
a1x
anz 1 mn 0 0 0
0
0
M 1
0
xr
yr
zr c tr
zpd
0 0
N1 N2
0
M Nn
vv12
M
+
vn
v1R
(n
5)
v2R
M
vnR
l Ax V
最小二乘
X
xr0 yr0
Hale Waihona Puke Baidu
xr
yr
zr0 zr
四 载波相位定位与伪距定位的比较
载波相位: L1载波 (1 19.03cm) L2载波(2 24.42cm)
2 ~ 3mm
【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
码相关法 平方法
互相关技术 Z跟踪技术
解调
去掉测距码和导航电文
重建的载波信号
1.3 重建载波(II)
码相关法
方法：
➢ 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 调制，可以将测距码去掉，仅留下载波和导航电文；
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
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 0 ) F ( X ) dX (dX )
X X 0
F ( X 0 ) (xs xr0 )2 ( ys yr0 )2 (zs zr0 )2 0
xr
F ( X X
)
F xr
比较项
伪距定位
载波相位定位
观测值精度 卫星位置
dm ~ m 广播星历
mm 精密星历
卫星钟差
广播星历
精密钟差
电离层改正 对流层改正 相对论效应
模型改正、无电离组合 模型改正 模型改正
无电离组合 模型改正+参数估计
模型改正
潮汐改正 天线相位缠绕
待求参数 定位精度
不考虑 不考虑 (xr , yr , zr )T tr 数m ~ 数十m
➢ 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；
RL2 RL1,C / A (RL2,Y RL1,Y )
特点：
优点
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；
N
多
Int1( ) Fr1( )
鉴 相 器
普 勒 计
整 周 模 糊
数度
(ti ) Fri () Inti ()
(ti )
i
N
器
整周模糊度 N
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
154 f0
GPS:
120 f0
1）采用两种频率的载波
f1 1575.42MHz f2 1227.60MHz
较完善地消除电离层延迟
1 19.03cm
L1 载波 L2 载波
2 24.42cm
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 0.3 ~ 3m P码 0.03 ~ 0.3m 【低精度导航应用】
f
c
s
(tr
)
s e
(tr
t)
f
(tr
t)
r (tr ) s (tr )
t0
0 N Fr0 ( )
ti 时刻 实际观测值
2.2 载波相位实际观测值
r (tr ) s (tr )
t0 时刻
0 (Fr0 () N )
鉴
整 周
t1
相模 器糊
度
1
t1 时刻
t1
1 [Fr1() Int1() N ]
➢ 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。
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
Acost
Acost
模型改正 模型改正 (xr , yr , zr )T tr zpd N1, N2 ,L , Nn cm ~ dm