武汉大学 测绘学院 GPS原理及其应用课程组
GPS原理及其应用
(八 )
GPS原理及其应用
第四章 距离测量与 GPS定位
§ 4.1 利用测距码测定卫地距
GPS原理及其应用
§ 4.1 利用测距码测定卫地距
GPS原理及其应用
GPS定位的基本原理
? 需解决的两个关键问题
– 如何确定卫星的位置
– 如何测量出站星距离
GPS原理及其应用
测距方法
? 双程测距
用于电磁波测
距仪
? 单程测距
用于 GPS
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距方法
GPS原理及其应用
测距码
C/A码（测距时有模糊度）
P码
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距码
GPS原理及其应用
信号传
播时间
测距码测距原理①
? 距离测定的基本思路
? 信号（测距码）传播时间的测定
dtTutTuTR
T
)()(1 ??????? ?
?
相关系数：
ctc ????? ??
信号传播时间的测定
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距码测距原理
GPS原理及其应用
测距码测距原理②
? 利用测距码测距的必要条件
– 必须了解测距码的结构
? 利用测距码进行测距的优点
– 采用的是 CDMA（码分多址）
技术
– 易于捕获微弱的卫星信号
– 可提高测距精度
– 便于对系统进行控制和管理
（如 AS）
每颗 GPS卫星都采用特定的
伪随机噪声码
微弱信号的捕获
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距码测距原理
GPS原理及其应用
Z跟踪技术
? AS
– P码 +W码 ?Y码
– W码的码元宽度比 Y码大几十
倍
? Z跟踪技术
– 原理
– 将相关间隔（积分间隔）限
定在一个 W码码元内
?
?
?
?
?
码
码
码
码码元内在一个
P
P
Y
W
0
1
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
+
=
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > Z跟踪技术
GPS原理及其应用
伪距测量的特点
? 优点
– 无模糊度
? 缺点
– 精度低
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 伪距测量的特点
GPS原理及其应用
GPS测量的基本观测方程
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > GPS测量的基本观测方程
?
S
?
R
? ()t
R
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S
接收机根据自身
的钟在 时刻复
制信号的相位
t
R
接收机根据自身
的钟在 时刻所
接收到卫星在
时刻所发送信号
的相位
t
R
t
S
? ? ? ? ? ? ? ? ?t
R
? ? ?t
S
GPS原理及其应用
对流层折射延
迟改正
电离层折射延
迟改正
接收机钟的
改正数
卫星钟的改
正数
信号离开
卫星的时
刻（由卫
星钟测定）
信号到达接
收机的时刻
（由接收机
钟测定）
R
S
R
Ss
R
R
S
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S
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)(
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故：
站星真实距离：
则：；设：
伪距：
测距码测距的观测方程
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距码测距的观测方程
GPS原理及其应用
2 2 2
2 2 2
0 0 0 0 0
00
0 0 0 0 0
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
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( ) ( ) ( ) ( ) ( )
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x X y Y z Z x X y Y z
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令 真 实 的 站 星 距 离,, 为 卫 星
则 站 星 距 离 的 观 测 值,
将 用 泰 勒 级 数 展 开, 保 留 一 阶 项, 有
0
0
2 2 2
0 0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
0
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( ) ( ) ( )
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其 中,； ；
令,； ；
则 误 差 方 程 为,
伪距测量的误差方程
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距码测距的误差方程
GPS原理及其应用
§ 4.2 载波相位测量
GPS原理及其应用
载波相位测量
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量
i
t?
j
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i
t?
ij
ttR ??? ??
( c ) 2 0 0 2,黄劲松
GPS原理及其应用
载波相位测量的关键技术－重建载波①
? 重建载波
– 将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。
载波调制了电文之后
变成了非连续的波
伪距测量与载波相位测量
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的关键技术－重建载波
GPS原理及其应用
载波相位测量的关键技术－重建载波②
? 码相关法
– 方法
? 将所接收到的调制信号（卫星信号）
与接收机产生的复制码相乘。
– 技术要点
? 卫星信号（弱）与接收机信号（强）
相乘。
– 特点
? 限制：需要了解码的结构。
? 优点：可获得导航电文，可获得全
波长的载波，信号质量好（信噪比
高）
卫
星
信
号
的
生
成
接
收
机
重
建
载
波
( c ) 2 0 0 2,黄劲松
码相关法
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的关键技术－重建载波
GPS原理及其应用
载波相位测量的关键技术－重建载波③
? 平方法
– 方法
? 将所接收到的调制信号（卫星信号）
自乘。
– 技术要点
? 卫星信号（弱）自乘。
– 特点
? 优点：无需了解码的结构
? 缺点：无法获得导航电文，所获载
波波长为原来波长的一半，信号质
量较差（信噪比低，降低了 30dB）
平方法
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的关键技术－重建载波
GPS原理及其应用
载波相位测量的关键技术－重建载波④
? 互相关（交叉相关）
– 方法
? 在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个
频率间的伪距差和相位差
– 技术要点
? 不同频率的卫星信号（弱）进行相关。
– 特点
? 优点：无需了 Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波
长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了 27dB）
)(
)(
12/,12
,1,2/,12
LLACLL
YLYLACLL RRRR
???????
???
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的关键技术－重建载波
GPS原理及其应用
载波相位测量的关键技术－重建载波⑤
? Z跟踪
– 方法：将卫星信号在一个 W码码元内与接收机
复制出的 P码进行相关处理。
– 在一个 W码码元内进行卫星信号（弱）与复制
信号（强）进行相关。
– 特点
? 优点：无需了解 Y码结构，可测定双频伪距观测值，
可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量
较平方法好（信噪比降低了 14dB）
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的关键技术－重建载波
GPS原理及其应用
载波测距
i
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j
t?
i
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ij
ttR ??? ??
( c ) 2 0 0 2,黄劲松
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波测距
GPS原理及其应用
GPS载波相位测量的基本原理
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > GPS载波相位测量的基本原理
?
S
?
R
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SR
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?
S
?
R
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R
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S
接收机根据自身
的钟在 时刻复
制信号的相位
t
R
接收机根据自身
的钟在 时刻所
接收到卫星在
时刻所发送信号
的相位
t
R
t
S
? ? ? ? ? ? ? ? ?t
R
? ? ?t
S
理想情况 实际情况
GPS原理及其应用
载波相位观测值
? 观测值
? 整周计数
? 整周未知数（整周模糊度）
载波相位观测值
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~
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)(
0
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iii
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通常表示为：
以后的观测：
首次观测：
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距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位观测值
GPS原理及其应用
载波相位测量的特点
? 优点
– 精度高，测距精度可达 0.1mm量级
? 难点
– 整周未知数问题
– 整周跳变问题
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的特点
GPS原理及其应用
t r o pii o niii
ittiiiii
VVL
LcVcVNdZndYmdXlv S
R
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其中：
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载波相位测量的观测方程
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原始形式：
线性化后：
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误差方程为：
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的观测方程
GPS原理及其应用
(八 )
GPS原理及其应用
第四章 距离测量与 GPS定位
§ 4.1 利用测距码测定卫地距
GPS原理及其应用
§ 4.1 利用测距码测定卫地距
GPS原理及其应用
GPS定位的基本原理
? 需解决的两个关键问题
– 如何确定卫星的位置
– 如何测量出站星距离
GPS原理及其应用
测距方法
? 双程测距
用于电磁波测
距仪
? 单程测距
用于 GPS
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距方法
GPS原理及其应用
测距码
C/A码（测距时有模糊度）
P码
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距码
GPS原理及其应用
信号传
播时间
测距码测距原理①
? 距离测定的基本思路
? 信号（测距码）传播时间的测定
dtTutTuTR
T
)()(1 ??????? ?
?
相关系数：
ctc ????? ??
信号传播时间的测定
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距码测距原理
GPS原理及其应用
测距码测距原理②
? 利用测距码测距的必要条件
– 必须了解测距码的结构
? 利用测距码进行测距的优点
– 采用的是 CDMA（码分多址）
技术
– 易于捕获微弱的卫星信号
– 可提高测距精度
– 便于对系统进行控制和管理
（如 AS）
每颗 GPS卫星都采用特定的
伪随机噪声码
微弱信号的捕获
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距码测距原理
GPS原理及其应用
Z跟踪技术
? AS
– P码 +W码 ?Y码
– W码的码元宽度比 Y码大几十
倍
? Z跟踪技术
– 原理
– 将相关间隔（积分间隔）限
定在一个 W码码元内
?
?
?
?
?
码
码
码
码码元内在一个
P
P
Y
W
0
1
0
0
1
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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
+
=
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > Z跟踪技术
GPS原理及其应用
伪距测量的特点
? 优点
– 无模糊度
? 缺点
– 精度低
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 伪距测量的特点
GPS原理及其应用
GPS测量的基本观测方程
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > GPS测量的基本观测方程
?
S
?
R
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R
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S
接收机根据自身
的钟在 时刻复
制信号的相位
t
R
接收机根据自身
的钟在 时刻所
接收到卫星在
时刻所发送信号
的相位
t
R
t
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R
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S
GPS原理及其应用
对流层折射延
迟改正
电离层折射延
迟改正
接收机钟的
改正数
卫星钟的改
正数
信号离开
卫星的时
刻（由卫
星钟测定）
信号到达接
收机的时刻
（由接收机
钟测定）
R
S
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)(
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~
)(
~
故：
站星真实距离：
则：；设：
伪距：
测距码测距的观测方程
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距码测距的观测方程
GPS原理及其应用
2 2 2
2 2 2
0 0 0 0 0
00
0 0 0 0 0
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
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令 真 实 的 站 星 距 离,, 为 卫 星
则 站 星 距 离 的 观 测 值,
将 用 泰 勒 级 数 展 开, 保 留 一 阶 项, 有
0
0
2 2 2
0 0 0 0
0 0 0
0 0 0
0 0 0
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( ) ( ) ( )
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其 中,； ；
令,； ；
则 误 差 方 程 为,
伪距测量的误差方程
距离测量与 GPS定位 > 利用测距码测定卫地距 > 测距码测距的误差方程
GPS原理及其应用
§ 4.2 载波相位测量
GPS原理及其应用
载波相位测量
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量
i
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j
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i
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ttR ??? ??
( c ) 2 0 0 2,黄劲松
GPS原理及其应用
载波相位测量的关键技术－重建载波①
? 重建载波
– 将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。
载波调制了电文之后
变成了非连续的波
伪距测量与载波相位测量
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的关键技术－重建载波
GPS原理及其应用
载波相位测量的关键技术－重建载波②
? 码相关法
– 方法
? 将所接收到的调制信号（卫星信号）
与接收机产生的复制码相乘。
– 技术要点
? 卫星信号（弱）与接收机信号（强）
相乘。
– 特点
? 限制：需要了解码的结构。
? 优点：可获得导航电文，可获得全
波长的载波，信号质量好（信噪比
高）
卫
星
信
号
的
生
成
接
收
机
重
建
载
波
( c ) 2 0 0 2,黄劲松
码相关法
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的关键技术－重建载波
GPS原理及其应用
载波相位测量的关键技术－重建载波③
? 平方法
– 方法
? 将所接收到的调制信号（卫星信号）
自乘。
– 技术要点
? 卫星信号（弱）自乘。
– 特点
? 优点：无需了解码的结构
? 缺点：无法获得导航电文，所获载
波波长为原来波长的一半，信号质
量较差（信噪比低，降低了 30dB）
平方法
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的关键技术－重建载波
GPS原理及其应用
载波相位测量的关键技术－重建载波④
? 互相关（交叉相关）
– 方法
? 在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个
频率间的伪距差和相位差
– 技术要点
? 不同频率的卫星信号（弱）进行相关。
– 特点
? 优点：无需了 Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波波
长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了 27dB）
)(
)(
12/,12
,1,2/,12
LLACLL
YLYLACLL RRRR
???????
???
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的关键技术－重建载波
GPS原理及其应用
载波相位测量的关键技术－重建载波⑤
? Z跟踪
– 方法：将卫星信号在一个 W码码元内与接收机
复制出的 P码进行相关处理。
– 在一个 W码码元内进行卫星信号（弱）与复制
信号（强）进行相关。
– 特点
? 优点：无需了解 Y码结构，可测定双频伪距观测值，
可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量
较平方法好（信噪比降低了 14dB）
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的关键技术－重建载波
GPS原理及其应用
载波测距
i
t?
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( c ) 2 0 0 2,黄劲松
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波测距
GPS原理及其应用
GPS载波相位测量的基本原理
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > GPS载波相位测量的基本原理
?
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接收机根据自身
的钟在 时刻复
制信号的相位
t
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接收机根据自身
的钟在 时刻所
接收到卫星在
时刻所发送信号
的相位
t
R
t
S
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R
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S
理想情况 实际情况
GPS原理及其应用
载波相位观测值
? 观测值
? 整周计数
? 整周未知数（整周模糊度）
载波相位观测值
)()(
~
)()(
)(
0
00
???
???
??
FrI n tN
FrI n t
Fr
iii
???
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?
通常表示为：
以后的观测：
首次观测：
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I
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(
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距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位观测值
GPS原理及其应用
载波相位测量的特点
? 优点
– 精度高，测距精度可达 0.1mm量级
? 难点
– 整周未知数问题
– 整周跳变问题
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的特点
GPS原理及其应用
t r o pii o niii
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VVL
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其中：
0 ???
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载波相位测量的观测方程
t r o pii o nttiiii
t r o pii o nttiii
VVcVcVN
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SR
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原始形式：
线性化后：
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误差方程为：
距离测量与 GPS定位 > 载波相位测量 > 载波相位测量的观测方程
