星载双频GPS载波相位周跳的实时探测与修复

文章编号:1004-9037(2008)05-0593-07

星载双频GPS 载波相位周跳的实时探测与修复

白伟华1,2　孙越强1　朱光武1　杜起飞1　陶　鹏1　王　晶1

(1.中国科学院空间科学与应用研究中心,北京,100080; 2.中国科学院研究生院,北京,100080)

摘要:提出一种新的实时方法探测和修复高动态环境下的G PS 载波相位周跳。该方法仅使用单站星双频G PS 伪距和载波相位数据,而且其每颗星的数据处理是独立的,所以没有最小卫星数的限制。周跳探测时,在相邻历元间时间差模型基础上建立卡尔曼滤波模型,根据滤波残差探测大周跳(>4周),然后用电离层残差法完成对小周跳(≤4周)的探测;周跳修复时,先使用两步卡尔曼滤波的质量控制方法修复周跳到小周跳范围,最后用电离层残差法完成周跳修复。使用该方法处理1Hz 采样CHA M P 卫星数据,结果表明,该方法可以有效可靠地对载波相位周跳进行探测和修复。而且该方法需要的信息量和计算量小,算法易于计算机实现,适合应用于实时周跳的监测。

关键词:星载GP S ;周跳;载波相位

中图分类号:P 228.4 文献标识码:A

　收稿日期:2007-04-16;修订日期:2008-01-19

Real -Time Method for Detecting and Repairing Satellite -Borne

Dual -Frequency GPS Cycle Slips

Bai W eihua 1,2

,Sun Yueqiang 1

,Zhu Guangw u 1

,Du Qif ei 1

,Tao P eng 1

,W ang J ing

1

(1.Center for Space Science and A pplied Resear ch ,Chinese A cadem y of Sciences ,Beijing ,100080,China ;

2.G raduate School,Chinese A cademy of Sciences,Beijing ,100039,China )

Abstract :A no vel r eal-time metho d fo r detecting and repairing cycle slips in a dynamic environ-ment is presented .The m ethod only uses the single satellite -station GPS data ,including dual fr equency pseudo -rang e observatio ns and the carrier phases .In addition ,each satellite pro cess-ing is independent,so there is no limit for m inimal number o f satellites.While detecting the cy cle-slip,a Kalman filter model is established based on the epoch-by -epoch difference model.

Filtering r esiduals can detect the larg e cy cle -slip (>4cy cles ),and then the ionosphere r esidual error method can detect the small cy cle-slip (≤4cy cles).W hile repairing the cy cle-slip,the tow -stage Kalm an filter quality control metho d fix es the larg e cy cle-slip and transfo rms the large cycle -slip into sm all one .A nd ev entually ,the ionosphere residual error method repairs the small cycle -slip .Some m easur em ents of CHAM P at 1Hz data r ate ar e pr ocessed .Results show that the m ethod is effective and available,and the alg orithm is easy to be achieved by the co mputer.

Key words :satellite -borne GPS ;cycle slips ;carrier phase

引 言

一些用于地球重力场和大气科学等研究的低轨卫星(如德国的CHAM P 卫星,台湾和美国的COSM IC 卫星等),都装有星载GPS 信号接收机用于精密定轨。在这种高动态环境下使用星载GPS

载波相位测量进行精密定位,周跳的探测与修复对

最后的定位精度起着至关重要的作用。

实时高动态环境下对周跳进行监测时,常常无法及时获得额外信息,例如GPS 卫星和LEO 的动态特性和位置,其他地面站的GPS 数据,钟改正数据和大气层改正数据等。而且无法保证接收到的GPS 卫星数量,例如星载掩星GPS 接收机收到的

第23卷第5期2008年9月数据采集与处理Jo ur nal o f Data Acquisitio n &Pr ocessing V ol.23N o.5Sep.2008

卫星数量通常很小。在这样的情况下大部分周跳的探测方法都不适合,尤其一些基于单差或双差模型的探测方法。所以本文提出了一个仅使用高采样率双频GPS载波相位和伪距数据进行周跳探测和修复的方法,而且在连续周跳时该方法也适用。

1　周跳的探测

1.1　基于历元间时间差模型的卡尔曼滤波

探测大周跳

双频GPS伪距和载波行为测量的观测方程为[1]

P1

P2 1 2=

+c d t+I P1+P1

+c d t+I P2+P2

+c d t+I 1+ 1+!1N1

+c d t+I 2+ 2+!2N2

(1)

式中:角标1和2代表f1和f2两个频率;P1和P2分别为两个频率的P码伪距观测值; 1和 2分别为载波相位观测值;!1和!2为两个频率的波长;N1和N2分别为两个频率下载波相位模糊度; 为GPS 卫星和星载接收机的真实几何距离;d t为GPS接收机钟漂;I为电离层延迟项(以上各项单位都为m);为各观测量的测量误差。由于LEO主要在电离层中,所以忽略了对流层延迟,公式中主要忽略的误差有多路径效应引起的误差和各接收机各通道间的硬件延迟,但是接下来要进行相邻历元间时间差减小了它们的影响,可以将其影响也归入观测误差中。由于电离层延迟与载波频率的平方成反比由式(1)可以得到

P1

P2 1 2=

1

1

1

1

( +c?d t+I P1+P1)+

P2-P1+(?-1)I P1

1-P1-2I P1+!1N1

2-P1+(-?-1)?I P1+!2N2

(2)

式中:?=(f1/f2)2;#为协方差误差矩阵,其表达式为

#=

式中:?2P1,?2P2,?2 1和?2 2分别为两个频率的P码伪距

和载波相位测量误差均方值。

转化矩阵:M=

-0.5-0.510

-0.5-0.501

(4)

由式(2,4)相乘得

1-

P1+P2

2

2-P1+P2

2

=

-

?

2

+

3

2

0-

3??

2

+

1

2

B1

B2

(5)

式中

B1=I P1-

1-

1

2(P2+P1)+!1N1

?+3

2

　(6)

B2=I P1-

2-

1

2

(P2+P1)+!2N2

3 ?+1

2

　(7)

由于式(1,2)秩亏,无法求解,所以本文将参数

重排,消去难以模型化的( +c?d t+I P1+P1),相

当于在式(2)左边乘以转化矩阵(4)得到式(5),其

协方差误差矩阵为M#M T,参数B主要为电离层延

迟项,误差和模糊度的线性组合。这里使用了双频

伪距的平均值,目的是为了提高伪距观测的量的精

度和可靠性,例如,假设P1和P2是伪距观测值的

测量精度为30cm,那么根据误差传播原理平均后

误差约为21cm,而且如果原始数据有载噪比数据

的话,可以推广为根据载噪比来定权进行平均,从

而增强了数据的可靠性。

高采样率下,电离层在短时期内变化不是很

大,电离层延迟模型化为两阶多项式。电离层延迟

状态模型为

I

I

I¨K

=

1%t0.5%t2

01%t

001

I

I

I¨K-1

(8)

式中:%t为数据采样间隔,单位为s;I?为电离层一

阶变化率,I¨为电离层二阶变化率,单位都为距离

单位m。

综合以上各式,可以得到所有参数的状态方程

(式(9))和观测方程(式(10))。

%t0.5%

%t0.5%

1%t

01

594数据采集与处理第23卷

1-P1+P2

2

2-P1+P2

2K

=

-?

2

+

3

2

000

0-

3??

2

+

1

2

00

B1

B2

I?

I¨K

(10)

式(6,7)中,由于B中含有模糊度,是未知量,所以状态向量的初始值无法正确给出,当模糊度是个很大的数时,很容易造成滤波的失败,而且为了进一步减少多路径效应和硬件延迟的误差影响,将式(9,10)中各项进行相邻历元间时间差得到最终卡尔曼滤波的状态方程(式(11))和观测方程(式(12))。

%B1

%B2

I¨I…K =

10%t0.5%t2

01%t0.5%t2

001t k-t k-1

0001

%B1

%B2

I¨

I…K-1

(11)

% 1-P1+P2

2

% 2-P1+P2

2K

=

-?

2

+

3

2

000

0-

3??

2+

1

200

%B1

%B2

I¨

I…K

(12)

式中

%B1=I?P1-% 1-1

2

(P2+P1)+!1%N1

?+3

2

(13)

%B2=I?P1-% 2-1

2

(P2+P1)+!2%N2

3??+1

2

(14)

式(13,14)中:%为相邻历元间时间差,即后一历元减前一历元的时间差,电离层项由于进行了时间差则相当又求了一次导数,成为了三阶多项式,模型更精确了;%N1和%N2为两个频率上载波相位的周跳,如果没有周跳则为0。由于除去了模糊度的影响,%B相当于电离层影响变化率、测量误差和周跳的线形组合,如果无周跳,应该是比较小的量,所以滤波初始的状态向量为0。下面对误差项进行分析:假设伪距误差均方根取0.3m,载波相位误差均方根取0.003m,根据误差传播原理,B1的测量误差均方根约为0.09m,B2的测量误差均方根约为0.07m;%B1的测量误差均方根约为0.12m, %B2的测量误差均方根约为0.10m,根据以上分析可以确定滤波初始的方差阵。周跳对%B的影响是线性的,%N1每跳一正周对%B1影响-2!1/(?+3),约为-8.19cm;%N2每跳一正周对%B2影响-2!2/(3?+1),约为-8.22cm;跳一负周则情况相反。在高采样率,电离层没有突变的情况下,相邻历元电离层时延变化率应该变化不大,使用%B1和%B2卡尔曼滤波的预测值为中心,3倍相应的测量误差为范围进行周跳的探测,如果%B1和%B2的估计值在以上范围内则说明可能无周跳,如果超出以上范围则说明肯定有周跳存在。通过以上误差分析,%N1和%N2的绝对值至少要4周以上才可以被探测出来,而且二者不相关。

1.2　电离层残差法探测小周跳

使用卡尔曼滤波的方法可以探测到绝对值大于4周的周跳,文献[2,3]使用电离层残差法探测小周跳。由式(2)得

　I P1=(( 1- 2)-(!1N1-!2N2)-( 1-

2))/(?-1)(15) 相邻历元时间差为

　%I P1=I?P1=(%( 1- 2)+(!1%N1-!2%N2)-

%( 1- 2))/(?-1)(16)误差分析如下:假设载波相位误差均方根取0.003m,则I P1误差均方根为0.0066m,%I P1误差均方根为0.0093m。误差非常小,对小周跳非常敏感,但存在不敏感周跳对,如(7,9)等周跳对,其周跳对的不同组合对电离层延迟的影响如表1所示。

表1主要列出了周跳绝对值小于4的周跳对对电离层延迟的影响&I P1=!1%N1-!2%N2。表1中只列出一半的数据,按照&I P1为正值,由小到大的排列;将每一行3个数据都取反则可得到另外一半&I P1为负值的数据;右下角举了两个电离层残差法的不敏感对的例子。

如果在高采样率,电离层没有突变的情况下,相邻历元电离层时延变化率应该变化不大,即电离层延迟变化率的变化率方差的绝对值要远小于电离层残差法最小的探测 &I P1 ≈0.044m,根据这个标准来探测小周跳,超过则为有周跳存在,在此范围内则判断为无周跳。通常情况下,采样率越高电离层延迟变化率的变化率方差越接近于0,所以为保证周跳探测的可靠性,接收机采样率越高越好。

595

第5期白伟华,等:星载双频GP S载波相位周跳的实时探测与修复

表1　电离层残差法部分周跳对对电离层周跳的影响

%N1/周%N2/

周

&I P1/

m

%N1/

周

%N2/

周

&I P1/

m

%N1/

周

%N2/

周

&I P1/

m

%N1/

周

%N2/

周

&I P1/

m

%N1/

周

%N2/

周

&I P1/

m

430.044420.422-1-30.8382-2 1.3432-4 2.098 -1-10.083-1-20.461300.8821-3 1.4274-3 2.309 320.127310.505-2-40.9220-4 1.5103-4 2.392 -2-20.167-2-30.5442-10.9664-1 1.5544-4 2.687 210.211200.5881-2 1.0493-2 1.637970.005 -3-30.250-3-40.6280-3 1.1322-3 1.721-9-7-0.005 100.2941-10.67140 1.1761-4 1.804

-4-40.3330-20.755-1-4 1.2164-2 1.931

0-10.378410.7993-1 1.2603-3 2.015

综上所述,高动态高采样率,单站星GPS载波

相位周跳实时探测周跳首先用电离层残差的方法

进行周跳的探测,如果没有探测到周跳,说明可能

没有周跳或存在不敏感的周跳对,接着使用基于历

元间时间差模型的卡尔曼滤波探测周跳,它可以探

测到绝对值大于4周的任何周跳,而且无不敏感

对,两个频率的周跳探测互无关系,互不影响。两种

方法互相结合可以探测到双频数据所有的周跳。

2　周跳的修复

2.1　基于两步卡尔曼滤波的质量控制方法

修复大周跳

在卡尔曼滤波的实际应用中,如果已知观测噪

声和动态噪声的统计特性,而状态方程和(或)观测

方程与实际情况不符合,即存在着模型误差,比如

GPS载波相位中存在周跳就属于这类情况。质量

控制包括可能存在模型误差的统计检验即粗差探

测和定位以及消除模型误差的滤波结果的影响。以

下主要介绍两步卡尔曼滤波的质量控制方法[4-6]。

(1)滤波是无模型误差的卡尔曼滤波模型为

X k,k-1 m×1　= k,k-1

m×m　

X k-1

m×1　

+?k-1

m×1　

(17)

L k n×1=A k

n×m

X k

m×1

+V k

n×1

(18)

式中?k-1,V k假定为高斯白噪声序列,而且互不相关,并有?k～N(0,Q k),V k～N(0,R k)。则无模型误差卡尔曼滤波误差公式为

X^k,k-1= k,k-1X^k-1,k-1(19)

P k,k-1= k,k-1P k-1 T k,k-1+Q k-1(20)

J k=P k,k-1A T k(A k P k A T k+R k)-1(21)

X^k=X^k,k=X^k,k-1+J k(L k-A k X^k,k-1)(22)

P k=P k,k=(I-J k A k)P k,k-1(23) 无模型误差卡尔曼滤波的预测残差及其方差阵为 V k=L k-A k X^k,k-1(24) Q V

k

=R k+A k P k,k-1A T k(25) (2)有模型误差的卡尔曼滤波。若上述无模型误差的卡尔曼滤波模型中出现常数模型误差向量b 时,式(15,16)可写为

X k,k-1=

k,k-1X k-1+B k

b+?k-1(26)

L k=A k X k+

C k b+V k(27)式中:b为模型误差向量;B k,C k为模型误差向量b的系数矩阵。当仅仅观测方程中有模型误差时,

B k=0;类似的,当仅仅状态方程中有模型误差时,

C k=0;若无模型误差,则B k=0,C k=0。

在k历元,用贯序估计的方法估计模型误差向

量b的估计值b k及其方差阵P b

k

为

b k=b k-1+(S T k Q-1V

k

S k+P-1b

k-1

)-1S T k Q-1V

k

(V k-S k b k-1)

(28)

P b

k

=(S T k Q-1V

k

S k+P-1b

k-1

)-1(29)

如果从历元k开始贯序估计,b k和P-1b

k

的初始值设

为b k-1=0,P-1b

k-1

=0。S k可以预先由如下迭代法求得

U k= k,k-1H k-1+B k(30)

S k=A k U k+C k(31)

H k=U k-J k S k(32)式中S k,U k和H k为模型误差灵敏度矩阵,如果从历元k开始计算则初值H k-1=0。

假设第k历元载波相位测量数据含有周跳,根据式(11,12,24,25),B k=0,C k=

!10

0!2

,!1和!2分别代表GPS两个频率的波长;b则是模型误差,即周跳的周数,是个2维向量,b k为k历元对其的估计值。

根据式(26-32)在历元k进行一次迭代,初始值为:H k-1=-

596数据采集与处理第23卷

000

0则

U k =0,S k =C k ,H k =-J k S k (33) b k =(S T

k Q -1

V k S k )

-1

S T k Q -1

V k V k

(34)

P b k =(S T

k Q -1V k S k )-1

(35)

使用基于历元间时间差模型的卡尔曼滤波探测到大周跳后,可以接着用式(33-35)求模型误差二维向量b k 和P b k ,将b k 四舍五入取整,原双频相位数据分别减去b k 的两元素进行一次修复,但这还不是最后的结果,因为b k 有误差阵P b k 2×2　

,由式(35)

可知P b k 对角元素开方应该是个小于等于4周的数,则问题转化为小周跳修复问题。

2.2　电离层残差法修复小周跳

在保证周跳为绝对值小于等于4周的情况下,根据1.1节介绍的电离层残差法,在高采样率,电离层没有突变的情况下,相邻历元电离层时延变化率应该变化不大,假设前一无周跳历元k -1的电离层时延变化率等于有周跳的k 历元的电离层时延变化率,于是可以根据两历元的电离层时延变化率差值,对应表1中的&I P 1,找到最接近的&I P 1对应的一对周跳值,接着原载波相位值减去该对周跳值进行修复,最后再用电离层残差法进行验证,如果符合没有周跳的条件则修正结束,否则再找次接近&I P 1的周跳对进行修复,然后验证,直到搜索到符合无周跳条件的那组。小于等于4周的周跳对如表1,共有80组,所以对所有的搜索也不会花太长时间,而且一般搜索最多两次便可找到正确的周跳对。

综上所述,探测到周跳后修复时,如果基于历元间时间差模型的卡尔曼滤波探测不到该周跳,则直接进行小周跳修复。如果卡尔曼滤波可以探测到该周跳则先进行大周跳修复,将其控制到绝对值小于等于4周的范围内,最后进行小周跳修复。

3　算例验证

使用2006年1月28日,CHAMP 卫星接收机接收到的25号GPS 卫星俯仰角在10°左右150s 的数据,采样率为1Hz 。对其进行周跳的探测,结果如图1所示。

图1(a)表示电离层残差法的结果,图中I ¨

P 1代表电离层延迟变化率的变化率,I ?

P 1代表电离层延

迟的变化率,由I ¨

P 1看出,变化非常小,说明可能没

图1　25号星数据周跳的探测

597

第5期白伟华,等:星载双频GP S 载波相位周跳的实时探测与修复

有周跳存在;图1(b )是使用卡尔曼滤波的状态向

量

%B 1%B 2

I

¨

I

…

中各元素的估计值和图1(a )中I ?

P 1的数

据,图中3条线趋势一样,且变化较大,分别是%B 1、%B 2和I ?

P 1,因为I ?

P 1精度高,比较平滑,以它为标准,方差比较大的是%B 1,其次是%B 2,以上看出卡尔曼滤波和电离层残差得到的电离层变化率是一致的,说明了方法的正确性。由另外中间的两条线I ¨

和I …

看出,卡尔曼滤波需要10个历元才可以收敛,10个历元后就可以进行周跳的探测;图1(c,d)分别是%B 1和%B 2的卡尔曼滤波估计值和它们的滤波预测值加减3倍的测量误差均方根后的阈值,分别对应曲线1,2,以下各图同。图中,没有中间的线超出上下两条线的情况,所以结合图1(a )可以肯定判断数据中无周跳存在。

在100历元时加入(-1,-1)周跳对,结果如图2所示。

图2(a )是电离层探测法结果,在100历元时看到有0.086m 的跳变,判断肯定有周跳产生;接着进行卡尔曼滤波,从图2(b,c)看出%B 1、%B 2估计值无超出预测阈值的情况,说明周跳是小周跳,根据表1中的数据,0.086与(-1,-1)周跳对的0.083最接近,于是双频相位数据减去该周跳对,然后对修正的数据再用电离层残差法重新验证,最后没有发现周跳,则周跳修复完毕。

在100历元时加入(1000,4)周跳对,结果如图3所示。

图3(a )是电离层探测法结果,在100历元时看到有很大的跳变,判断肯定有周跳产生;接着进行卡尔曼滤波,由图3(b,c)看出%B 1、%B 2估计值在历元100的时候都超出了预测阈值,于是使用两步卡尔曼大周跳修复法求得b k =[1001.4,5.2]T ,四舍五入取整后原双频相位数据分别减去1001和5做一次修复,而且P b k 对角元素开方分别是3.9和3.7,说明周跳转化为小周跳问题;接着将一次修复的数据再进行周跳探测,此时相当于以上处理(-1,-

1)周的情况,最后按小周跳方法修复后得到最终的修复值(1000,4)

。

图2　加入(1,-1)周跳对的周跳探测

图3　加入(1000,4)周跳对的周跳探测

4　结束语

在高动态高采样率情况下(比如≥1Hz),仅使用单站星双频伪距和载波相位数据(载噪比数据可

作参考数据),利用卡尔曼滤波和电离层残差相结合的方法可以有效可靠地探测和修复载波相位数据中的周跳。需要注意的是本文方法和电离层残差法一样受到采样率的限制,当电离层比较稳定、采

598

数据采集与处理第23卷

样间隔较短(几秒钟)、延迟变化为亚厘米级[3]时本文方法可以适用,而且采样率越高,使用本文方法探测和修复周跳的可靠性越高。

致谢:感谢UCAR提供CHAMP卫星的GPS 数据。

参考文献:

[1]　Bor re K.T he GP S easy suite-mat lab co de for the

G PS new comer[J].G PS So lutions,2003,7(1):47-

51.

[2]　李学逊.GP S相位观测值中周跳的探测与修复[J].武

测科技,1994(3):14-21.

[3]　孙伟,熊伟,伍岳.不同采样率对G PS原始相位观测

值周跳探测方法的影响及其效果比较[J].全球定位

系统,2005,30(5):40-45.[4]　Lu G,L achapelle G.Statist ical quality co nt ro l fo r

kinematic G PS posit ioning[J].M anuscr ipta G eo-daetica,1992,17:270-281.

[5]　何海波,杨元喜.GP S动态测量连续周跳检验[J].测

绘学报,1999,28(3):199-204.

[6]　胡国荣.星载G PS低轨卫星定轨理论研究[D].武汉:

中国科学院测量与地球物理研究所,1999.

作者简介:白伟华(1982-),男,博士研究生,研究方向:GP S 数据处理,E-mail:bjbwh@https://www.wendangku.net/doc/419317102.html,;孙越强(1963-),女,研究员,研究方向:G PS掩星接收机研制及海洋反射接收机研制;朱光武(1943-),男,研究员,研究方向:空间探测;杜起飞(1977-),男,工程师,研究方向:微波电路;陶鹏(1976-),男,工程师,研究方向:G PS海洋反射信号应用;王晶(1977-),女,工程师,研究方向:探测仪器。

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第5期白伟华,等:星载双频GP S载波相位周跳的实时探测与修复

载波相位差分

载波相位差分原理 由于自身结构及测量中随机噪声误差的限制测距码差分GPS 仅可满足m 级动态定位需要；载波相位测量噪声误差远低于测距码，在静态相对定位中已实现10-6~10-8的精度，但整周未知数求解需进行长时间的静止观测，数据需事后处理，限制了该方法在动态定位中的应用。然而快速逼近整周模糊度技术的出现使利用载波相位差分技术实时求解载体位置成为可能。具有快速高精度定位功能的载波相位差分测量技术，简称RTK （real time Kinematic ）技术。 载波相位差分定位技术是在基准站上安置一台GPS 接收机，对卫星进行连续观测，并通过无线电传输设备实时地将观测数据及测站坐标信息传送给用户站；用户站在接收卫星信号的同时通过无线接收设备接收基准站信息，根据相对定位原理实时处理数据并以cm 级精度给出用户站的三维坐标。载波相位差分定位技术可分为修正法和求差法：前者将载波相位的修正量发送给用户站，对用户站的载波相位进行改正实现定位；后者将基准站的载波相位发送给用户，由用户站将观测值求差进行坐标解算。 星站间的相位差值由三部分组成 ()()j i j i j i j i t t N t N δ?+-+=Φ00 （1） 式中()0t N j i 为起始整周模糊度，()0t t N j i -为从起始时刻至观测时刻的整周变化值，j i δ?为观测相位的小数部分。则星站间距离为载波波长与星站相位差的乘积，即

()()()j i j i j i j i t t N t N δ?λρ+-+=00~ （2） 若在基准站利用已知坐标和卫星星历可求得星站间的真实距离j i ρ，星站间伪距观测值则可表示为 ()i i j i j i j i j i j i V M T I t t c ++++-?+=δδδδδρρ~ （3） 公式中i M δ为多路径效应，i V 为GPS 接收机噪声。在基准站可求出伪距改正数 ()i i j i j i j i j i j i j i V M T I t t c ++++-?=-=δδδδδρρδρ~ （4） 用此改正数对用户站伪距观测值进行修正，有 ()()() ()() i k i k j i j k j i j k i k j k j i j k V V M M T T I I t t c -+-+-+-+-?+=-δδδδδδδδρδρρ~ （5） 当基准站和用户站之间的距离小于30km ，可认为j i j k I I δδ=，j i j k T T δδ=，则 ()()()()()() δρ δδδδρδρρ?+-+-+-= -+-+-?+=-2 2 2 ~k j k j k j i k i k i k j k j i j k Z Z Y Y X X V V M M t t c （6） 式中()()()i k i k i k V V M M t t c -+-+-?=?δδδδδρ。 将载波相位伪距观测值（2）代入上式，则可得 ()()()()()()( ) ()()() δρ δ?δ?λλλρρρρδρρ?+-+-+-= -+---+-+=+-=-2 2 2 000~~~k j k j k j j i j k j i j k j i j k j i j i j i j k j i j k Z Z Y Y X X t t N t t N t N t N （7） 上式中令)()()(000t N t N t N j i j k j -=为起始整周数之差，在观测过程中若卫星跟踪不失锁，)(0t N j 即为常数，令载波相位测量差值 ()()()() j i j k j i j k t t N t t N δ?δ?λλ?-+---=?00 （7）式可表示为

差分GPS定位

差分GPS定位（DGPS）简介 随着GPS技术的发展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能。它使用一台GPS基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事后处理技术，就可以使用户测量时消去公共的误差源电离层和对流层效应，并能将卫星钟误差和星历误差消除，因此，现在发展差分GPS技术就显得越来越重要。 GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。在这一定位过程中，存在着三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。 利用差分GPS定位技术（DGPS），除第三部分误差无法消除外，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离。差分GPS定位已将卫星钟误差和星历误差消除，并将电离层延迟和对流层延迟误差部分消除，定位精度大大提高。所以，差分GPS定位技术（DGPS）在最近几年中得到了迅速发展和广泛应用。 根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位技术（DGPS）分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。 1. 位置差分原理 这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。 安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在误差。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。 最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。 2. 伪距差分原理 伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。 在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提

《GPS测量原理与应用》知识点

《GPS测量原理与应用》复习 第1章GPS政策及卫星导航定位系统概况 1.美国政府SA政策和AS政策。P7 2.GPS现代化政策。P9 3.全球四大导航定位系统。P9 4.北斗卫星系统的工作原理及作业流程。P14 5.北斗卫星导航定位系统具有其他GNSS系统没有的独特功能，通信。P15 6.北斗卫星导航定位系统建设三个时期。P15 第2章GPS测量中所涉及的时间系统和坐标系统 1.时间间隔和时刻。P17 2.时间基准的条件。P17 3.常用的比较精确的时间基准。P18 4.时钟的主要技术指标。P18 5.概念：恒星时、真太阳时、平太阳时、世界时、区时、原子时、国际原 子时、协调世界时。P20—P22 6.GPS时概念，起点，与原子时关系。P24 7.儒略日、简化儒略日、年积日。P29、P30 8.岁差、章动、极移。P31/P34/P36 9.瞬时地心天球赤道坐标系、平地心天球赤道坐标系、协议地心天球赤道 坐标系。P35 10.瞬时地球坐标系、协议地球坐标系。P37 第3章全球定位系统的组成及信号结构 1.全球定位系统的组成，主要功能。P42 2.GPS卫星星座。P45 3.地面监控部分的组成，主要功能。P45、P46 4.GPS接收机。P47 5.用户部分的组成。P47 6.GPS接收单元构成。P48 7.GPS接收通道。P48 8.GPS卫星信号组成。P49 9.载波，卫星钟基准频率，GPS载波的频率、波长、多载波的目的。P50 10.测距码，生成方式。P50 11.伪随机码两种表示方法。P50 12.模二相加和矩形波相乘运算规则。P50 13.m序列，线性反馈移位寄存器生成m序列。P51 14.GPS测距码类型，严格保密的是哪几个。P51-P57

载波相位动态实时差分RTK技术

载波相位动态实时差分RTK技术 常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分（Real - time kinematic）方法，是GPS应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。 高精度的GPS测量必须采用载波相位观测值，RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下，基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟。流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解。在整周末知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。 RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据（伪距观测值，相位观测值）及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般都要求9600的波特率，这在无线电上不难实现。 RTK定位技术可广泛用于： 1．各种控制测量传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，不仅费工费时，要求点间通视，而且精度分布不均匀，且在外业不知精度如何，采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法，在外业测设过程中不能实时知道定位精度，如果测设完成后，回到内业处理后发现精度不合要求，还必须返测，而采用RTK来进行控制测量，能够实时知道定位精度，如果点位精度要求满足了，用户就可以停止观测了，而且知道观测质量如何，这样可以大大提高作业效率。如果把RTK用于公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用，而且大大提高工作效率，测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。 2．地形测图过去测地形图时一般首先要在测区建立图根控制点，然后在图根控制点上架上全站仪或经纬仪配合小平板测图，现在发展到外业用全站仪和电子手簿配合地物编码，利用大比例尺测图软件来进行测图，甚至于发展到最近的外业电子平板测图等等，都要求在测站上测四周的地形地貌等碎部点，这些碎部点都与测站通视，而且一般要求至少2-3人操作，需要在拼图时一旦精度不合要求还得到外业去返测，现在采用RTK时，仅需一人背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上一二秒种，并同时输入特征编码，通过手簿可以实时知道点位精度，把一个区域测完后回到室内，由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图，这样用RTK仅需一人操作，不要求点间通视，大大提高了工作效率，采用RTK配合电子手簿可以测设各种地形图，如普通测图、铁路线路带状地形图的测设，公路管线地形图的测设，配合测深仪可以用于测水库地形图，航海海洋测图等等。 3．放样程放样是测量一个应用分支，它要求通过一定方法采用一定仪器把人为设计好的点位在实地给标定出来，过去采用常规的放样方法很多，如经纬仪交会放样，全站仪的边角放样等等，一般要放样出一个设计点位时，往往需要来回移动目标，而且要2-3人操作，同时在放样过程中还要求点间通视情况良好，在生产应用上效率不是很高，有时放样中遇到困难的情况会借助于很多方法才能放样，如果采用RTK技术放样时，仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中，背着GPS接收机，它会提醒你走到要放样点的位置，既迅速又方便，由于GPS是通过坐标来直接放样的，而且精度很高也很均匀，因而在外业放样中效率会大大提高，且只需一个人操作

相干检测载波恢复算法的概述

相干检测载波恢复算法的概述 摘要：随着互联网流量的日益增长，部署更高数据速率和大容量的光传输系统已成为势在必行。然而，偏振模色散和信道内的非线性效应使信号质量明显变差，基于直接检测系统将不再满足高质量的接收性能要求。前瞻性的研究进展明确指出，与数字信号处理(DSP)技术的结合将使相干检测技术更加具有吸引力。在相干检测DSP算法中，载波恢复是必不可少的。对调相信号,载波与本振间的频率和相位偏移会使信号产生较大的相位失真,为了保证信息的可靠传输，对载波频率偏移和相位偏移估计方法的研究与改进具有重要意义。 关键词：偏振模色散；光传输；相干检测；DSP；载波恢复 1、前言 在当今的信息化、网络化时代，随着社会科技水平的进步和人们生活水平的提高，人们对通信业务的需求及通信质量的要求越来越高。第四代移动通信系统（4G）在全球范围内已经广泛应用，它是一种能够提供多种类型、高质量的多媒体业务，可以实现全球无缝隙覆盖，具有全球漫游能力，并且与固定网络相互兼容，用终端设备可以在任何时候、任何地点与任何人进行任何形式通信的移动通信系统。然而随着技术的不断发展和用户对新业务的需求的不断提升，更高速、更高质量和超大容量成为了通信领域发展所追求的主要目标。 目前，电信正以惊人的速度在发展，而光纤通信是电信中发展最快、最具有活力的部分之一。在当前的通信网络构架中，光通信系统，特别是光纤通信系统在容量、速率和传输距离方面表现出强大的优势，使其逐渐占据了通信舞台的主角地位。在20世纪80年代末期和90年代初期，相干系统曾经是重要的技术，但在20世纪90年代末期，由于光放大器的出现，对相干系统的研究出现了停滞。近年来，随着数字信号处理(Digital Signal Processing,DSP)技术的发展和低成本器件的出现，使得相干接收技术的研究又开始火热起来，这主要是因为相干系统可在高数据速率条件下降低对接收机的要求以及相干接收所具有的一些独特优势。在相干检测中对于瞬时相位信息的保留使得在电域中对色散进行自适应补偿成为可能。此外，相干系统的有利之处还在于，光域的所有信息都可以在电域获得，因此，可以避免使用辅助的光调制与干涉方法进行检测，而在直接检测系统中必须使用这种方法，于是光域的复杂度就被转移到了电域。正由于相干检测的各种优势，特别是具备补偿光传输中多种损伤的能力，相干光研究曾活跃于上世纪九十年代。然后，由于缺乏相应的高速数字信号处理芯片的支持，

GPS载波相位测量

GPS 载波相位测量 2.1 综述 GPS 测姿定向技术就是利用GPS 接收机对载体（GPS 天线的负载平台）的姿态进行测量。其原理是通过GPS 天线接收机GPS 卫星信号，测量不同天线的相对位置在当地水平坐标系中的表示，并结合天线在载体坐标系中的已知安装关系，确定出载体坐标系相对当地水平坐标系的姿态。 GPS 测量技术一般来讲包括以下三类：伪距测量技术、载波相位测量技术和多普勒测量技术。由于GPS 载波频率高（其两种载波频率分别为1 1575.42L f MHz =、2 1227.6L f MHz =） 、波长短（1 19.05L cm λ=、2 24.45L cm λ=） ，相对于伪距测量而言，载波相位测量具有很高的距离测量精度（毫米级），并且具有很高的相对定位精度，因而GPS 测姿通常采用载波相位测量技术。 载波相位观测量是测定GPS 接收机所接收的卫星载波信号与接收机振荡器产生的参考载波信号之间的相位差。载波相位观测量理论上是GPS 信号在接收时刻的瞬时载波相位值。但实际上是无法直接测量出任何信号的瞬时载波相位值，测量接收到的是具有多普勒频移的载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。GPS 信号被接收机接收后，首先进行伪随机码的延时锁定，即实现对卫星信号的跟踪。一旦跟踪成功，接收机的本地伪随机码就与卫星的伪随机码严格对齐，给出伪距观测量。之后利用锁相环实现相位的锁定，锁相后接收机本地信号相位与GPS 载波信号相位相同，此时接收机本地信

号相位与初始相位的差即为载波相位观测量。 2.2 载波相位测量定位 图2-1 载波相位测量示意图 Figure 2-1 sketch map of carrier phase measuring 如图2-1所示，某一卫星s 在时刻t 发出相位为s φ的载波信号，经过一段传输距离ρ被接收机u 接收，此时载波相位为u φ，在由卫星s 至接收机u 传输距离上的相位变化为()s u φφ-。()s u φφ-包括载波相位的整周数和不足一周的小数部分。测定()s u φφ-之后，则卫星s 到接收机u 的距离ρ可以表示为： ()()0s u N ρλφφλφ=?-=?-? 其中：λ为GPS 载波信号的波长；0N 为载波相位的整周数；φ?为载波相位中不足一周的小数部分。 实际测量中，卫星s 发出的载波相位s φ是无法测量的，因此接收机振荡器便产生一个与卫星载波信号完全相同的参考信号，该参考信号相位等于载波信号的相位。GPS 接收机得到的载波相位实际上就是接收机接收到的载波信号与本振参考信号的相位差（如图2-2所示）。

载波相位测量原理

GPS 精密定位 载波相位测量原理 由于载波的波长远小于码的波长，所以在分辨率相同的情况下，载波相位的观测精度远较码相位的观测精度为高。例如，对载波L1而言，其波长为19cm ，所以相应的距离观测误差约为2mm ；而对载波L2的相应误差约为2．5mm 。载波相位观测是目前最精确最高的观测方法，它对精密定位上作具有极为重要的意义。但载波信号是一种周期性的正弦信号，而相位测量又只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周不确定性问题，使解算过程比较复杂。 由于GPS 信号已用相位调制的方法在载波上调制了测距码和导航电文，所以收到的载波的相位已不再连续(凡是调制信号从0变1或从1变0时，载波的相位均要变化1800)。所以在进行载波相位测量以前，首先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取或波。这一工作称为重建载波。 一、 重建载波 恢复载波一般可采用两种方法：码相关法和平方法。采用码相关法恢复载波信号时用户还可同时提取测距信号和卫星电文。但采用这种方法时用户必须知道测距码的结构(即接收机必须能产生结构完全相同的测距码)。采用平方法，用户无需掌握测距码的码结构，但在自乘的过程中只能获得载波信号(严格地说是载波的二次谐波，其频率比原载波频率增加了一倍)，而无法获得测距码和卫星电文。码相关法和平方法的具体做法及其原理在接收机工作原理中曾介绍过。 二、 相位测量原理 若卫星S 发出一载波信号，该信号向各处传播。设某一瞬间，该信号在接收机R 处的相位为φR ，在卫星S 处的相位为φS ，φR 、φS 为从某一起点开始计算的包括整周数在内的载波相位，为方便计算，均以周数为单位。若载波的波长为λ，则卫星S 至接收机R 间的距离为ρ=λ（φS —φR ），但我们无法测量出卫星上的相位φS 。如果接收机的振荡器能产生一个频率与初相和卫星载波信号完全相同的基准信号，问题便迎刃而解，因为任何一个瞬间在接收机处的基准信号的相位就等于卫星处载波信号的相位。因此（φS —φR ）就等于接收机产生的基准信号的相位φK (T K )和接收到的来自卫星的载波信号相位φK j (T K )之差： )()()(k k k j k k j k T T T ??-=Φ 某一瞬间的载波相位测量值（观测量）就是该瞬间接收机所产生的基准信号的相位φK (T K )和接收到的来自卫星的载波信号的相位φK j (T K )之差。因此根据某一瞬间的载波相位测量值就可求出该瞬间从卫星到接收机的距离。 但接收机只能测得一周内的相位差，代表卫星到测站 距离的相位差还应包括传播已经完成的整周数N K j ： )()()(k k k j k j k k j k T T N T ??-+=Φ 假如在初始时刻t0观测得出载波相位观测量为： )()()(000t t N t k j k j k k j k ??-+=Φ N K j 为第一次观测时相位差的整周数，也叫整周模糊 度。 从此接收机开始由一计数器连续记录从t0时刻开始

载波相位差分接收机自主完好性监测研究

第36卷第3期2011年3月武汉大学学报 信息科学版 Geo matics and Info rmat ion Science of W uhan U niver sity V ol.36N o.3M ar ch 2011 收稿日期:2011 01 08。 文章编号:1671 8860(2011)03 0271 05文献标志码:A 载波相位差分接收机自主完好性监测研究 孟领坡1 吴 杰1 袁义双2 (1 国防科技大学航天与材料工程学院,长沙市德雅路,410073) (2 95172部队,长沙市,410115) 摘 要:首先提出了浮点变换完全去相关法,该方法能够在单历元动态确定整周模糊度。研究了基于载波相位测量的完好性监测方法。利用最小二乘残差构造统计检验量,对整周模糊度进行检测。分析了定位误差保护限与卫星构型、漏警概率的关系。实测数据表明,整周模糊度在单历元动态求解的成功率为100%,增加1颗卫星将使垂直定位误差保护限减少约0.2m,统计检验量检测周跳的正确率为100%。关键词:卫星导航;接收机自主完好性监测;检测门限;整周模糊度;周跳中图法分类号:P228.41 目前,接收机自主完好性监测(receiver au tonom ous integ rity m onitor ing,RAIM)算法主要有距离比较法、奇偶矢量校验法和最小二乘残差法3种。这3种方法在数学上是等效的 [1] 。由于 不能实时可靠地确定整周模糊度,目前国内的RAIM 技术研究都采用伪距为基本观测量[1 3]。为了增强导航系统的可用性,减少对观测卫星数目的依赖,最近的RAIM 研究引入外部测量信息,如SINS [4]、气压高度表[5,6]等。基于伪距观测量的导航和完好性监测,因其观测噪声较大、定位精度不高,只能满足航路飞行和非精密进近应用。基于载波相位观测量的实时导航技术,能够满足精密进近着陆的精度要求,其关键就是整周模糊度的实时可靠求解。在短基线(小于20km)条件下,两测站的大气延迟相关性较强,观测量的双差能消除大部分测量误差[7] 。此时,波长的大小对正确求解整周模糊度至关重要,波长越长,正确求解越容易[8]。 本文首先提出了一种单历元在航确定整周模糊度的浮点变换完全去相关法。该方法采用宽巷组合载波相位双差、伪距双差观测量,求解浮点模糊度,由于宽巷组合载波波长较长,因而减少了伪距双差测量误差对浮点模糊度精度的影响;对浮点模糊度方差 协方差阵进行一次Cholesky 分解,得到浮点转换矩阵,使浮点模糊度完全去相 关,从而减少模糊度整周搜索范围;以最小二乘残差平方和最小为标准,确定单历元整周模糊度;用多历元一致性检验方法,对不同历元得到的整周 模糊度解进行检验,提高了其可靠性。 针对定位结果完好性监测问题,本文提出了基于载波相位双差残差平方和的RAIM 算法。检测门限由误警概率、可见卫星颗数确定。本文还研究了由漏警概率、卫星几何分布构型和载波测量均方差确定保护限的方法,由最小二乘残差平方和检测、保护限检测综合构成完好性监测。因为载波相位测量精度高,所以残差平方和检测的门限可以设得很小,大大降低了完好性监测的误警率和漏警率。 1 高精度定位模型 建立基站北天东坐标系,坐标原点为基站观测天线几何中心o;x 轴为过o 点的子午面与水平 面的交线,指向北方向;y 轴垂直于过o 点的水平面指向上方;o x y z 构成右手直角坐标系。基站、动态站同时跟踪两颗GPS 卫星k 、j ,以j 号卫星为参考星,测量载波L 1、L 2,采用双频宽巷组合 = L 1- L 2形式,可得双频载波宽巷组合线性化双差观测方程: y =1 r j 02-r k 02d X +N jk 12 + jk 12 (1)

常用GPS载波相位差分电文格式分析与比较

文章编号:100723817(2003)0520029202中图分类号:P228.41 文献标识码:B 常用GPS载波相位差分电文格式分析与比较 张九宴　刘　晖　黄其欢 (武汉大学GPS工程技术研究中心,武汉市珞喻路129号,430079) 摘　要　介绍了差分GPS传输载波相位差分信息的常用电文格式,比较了其优缺点,提出了在低带宽的条件下 更适合采用CMR格式的结论。 关键词　数据链;数据格式;RTCM;CMR 实时载波相位差分技术,由于其定位精度高、速度快已经得到了广泛应用[1]。但是该定位模式除了需要用户拥有GPS接收机外,还需要基准站和数据通信链。基准站接收机将接收到的所有的卫星信息,经基准站的控制器(计算机)处理,数据链将处理得到的信息连同基准站自身的一些信息发 月为全球推广应用差分GPS业务设立了SC2104专门委员会,制定各种数据格式标准。最早于1985年发表了RTCM Ⅴ1.0版本的建议文件。现在广泛应用于RT K的是1994年正式公布的Ⅴ2.1和1998年公布的Ⅴ2.2。Ⅴ2.1主要增加了与实时动态定位(RT K)有关的电文,Ⅴ2.2增加了支持G LONASS差分导航电文。RTCM标准最多能定义64种电文,已定义的有34种,电文由二进制编码的数据流组成。德国GEO++系统为了更好地传输F KP区域改正参数,重新定义了RTCM的私有电文Type59,称为RTCM++,在RTCM++的基准上,SAPOS系统制订了RTCM2Adv标准。 1)RTCM的通用电文格式。每种电文由(N+2)个字组成,电文头两个字,称为通用电文,数据部分为可变长度N 个字组成。每个字由30bit构成,可分解为5个6bit的字节, 25bit～30bit构成字节5,为奇偶校验码,以校验接收到的RTCM数据。每种电文的电文头(通用电文)的格式和内容相同,主要包含了用于解码的同步信息引导字、电文类型识别、基准站识别、修正Z计数、序号、帧长和卫星状况。其中Z 计数的意义和GPS导航电文的Z计数相同,范围是1h,但其分辨率已从6s提高到0.6s。具体格式可见文献[2]。 2)用于RT K主要电文格式。已定义的电文中用于RT K的是Type3,Type22和Type18221这6种电文。Type3和Type22发送的基准站坐标的信息,这些信息在一定的时间内是不发生变化的。其中Type3提供的是基准站在WGS2 84坐标系中的坐标信息。Type18221提供的是观测量信息,这是两套实用于RT K的电文,其中Type18/19提供的是未加改正的原始观测值,定位精度达到厘米级;Type20/21提供的是差分改正数,定位精度为分米级。Type18发送的是原始未加改正的以周为单位的载波相位观测值,主要包括载波识别、观测时间、码识别、卫星识别以及原始载波相位观测值等。其中载波相位观测值占32位,精度为1/256周,范围是±8388608周。电文Type19为原始的以m为单位的伪 位,精度为0.02,范围是85899345.90m,和的格式完全相同,长度相等,只是内容稍有差别。 提供的是载波相位改正数,Type21则是伪距改正数 。 [2]。 CMR(Compact Measurement Record)是Trimble公司于1996年开始设计的一套用于RT K的差分格式标准,主要是针对RTCM格式的码发送率必须高于4800bis/s这一不足之处而制订的,CMR的码发送率只有RTCM的一半,即2400bis/s。现在使用的是2001年公布的Ⅴ2.0。 1)CMR电文格式。用3位表示电文的类型,最多可定义8种电文。每种电文由帧头/尾、电文头和数据三部分组成。帧头/尾由6byte构成,其中帧头4byte,帧尾标准是2byte,但是有的电文类型不是2byte,比如电文1是31byte。电文头6byte,数据部分长度不定。 2)用于RT K主要电文格式[3,4]。主要电文是Type0, Type1和Type3。Type0主要发送的是由GPS卫星得到的L1,L2载波相位和伪距观测值。电文头包括了参考站的编号、电文类型等信息。数据一部分是载波L1上的观测值,包含L1上的原始伪距观测值(24bit)、L1相位观测值和L1伪距之差(20bit)、L1的信噪比等信息。另一部分是L2上的观测值,包含L2的伪距和L1的伪距之差(16bit)、L2的相位观测值和L1的伪距之差(20bit),L2的信噪比等信息。而Type3发送的是由G LONASS卫星得到的载波相位和伪距观测值。具体可参见文献[3] 电文Type1发送的是参考站的坐标信息,数据部分19byte,包含天线相位中心在WGS284坐标系中的坐标、天线高、地面点和天线相位之间的偏差以及坐标的精度等。说明参考站名称,点的特征等信息是由Type2发送,Type2由ASCII码构成,应用时可以不用发播。 由于参考站的信息是不变的,不需要每秒更新一次,一 92 测绘信息与工程　Journal of G eomatics　2003　Oct.;28(5)

伪距差分和载波相位差分

1.伪距差分 目前应用最广的一种差分。它是在基准站上，观测所有卫星，根据基准站的精确坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至流动站接收机来改正测量的伪距，提高定位精度。 伪距差分和载波相位差分实现过程和重难点： 基准站伪距公式： ()i i i i i i m m m m m m R r c t t dI dT ρ=+?-?+?++ (1) i m R 接收机到第I 颗卫星的伪距 i m r 接收机到第I 颗卫星的真实距离 m t ?接收机钟差 i t ?第I 颗卫星钟差 i m ρ?星历误差 i m dI 电离层误差 i m dT 大气层误差 知道卫星星历和基准站坐标可以求出卫星到基准站真实距离i m r 则伪距改正数可以表示为：i i i m m m dr r R =- 接收机伪距公式： ()i i i i i i n n n n n n R r c t t dI dT ρ=+?-?+?++ (2) 在接收机距离机站在200-300Km 的情况下，通过接收机伪距测量值加上伪距改正数： i i m n dr R +可以消除电离层，大气层和星历误差。 2221/2()[()()()]i i i i i i m n n n m n n n dr R r c t t x x y y z z D +=+?-?=-+-+-+? 2222()()()()i i i i i m n n n n dr R D x x y y z z +-?=-+-+- 其中i m R 可以由基站发送信息中得到。 在解出卫星星历后求出卫星坐标,在基站信息中可以得到基站天线坐标，则可以求出i m r ,则

GPS载波相位测量

GPS载波相位测量 【摘要】利用GPS进行导航和测量定位，都必须要利用GPS接收机接收GPS信号。对载波（L1或L2载波）相位进行量测，获得载波相位观测值。利用这些观测值的不同组合（求差）进行相对定位，可以有效地消除或减弱相关误差的影响，从而提高精度。利用载波相位测量的二次差分观测值解算基线向量的方法及数学模型已成为大多数GPS基线处理软件包中必选的模型。 【关键词】载波相位;重建载波;差分观测值;平差模型;精度评定 0.引言 载波相位测量是测量接收机接收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，通过相位差来求解接收机位置。由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度293m，P 码码元宽度29.3m，而L1载波波长为19.03cm，L2载波波长为24.42cm，在分辨率相同的情况下，L1载波的观测误差约为2.0mm，L2载波的观测误差约为2.5mm。而C/A码观测精度为2.9m，P码为0.29m。载波相位观测是目前最精确的观测方法。 1.载波相位测量原理 GPS卫星信号接收机接收到的来自GPS卫星的载波信号是一个调制信号，因为GPS卫星在发射载波信号时己经将测距码信号和数据码（导航电文）信号调制到了载波信号上这一过程通常称为信号的调制。因而接收到的载波的相位己不再连续，所以在进行载波相位测量以前，首先要进行解调工作，即利用一定的方法将调制在载波上的测距码和卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载波。重建载波一般可采用两种方法，一种是码相关法，另外一种是平方法。采用前者，用户可同时提取测距信号和卫星电文，但用户必须知道测距码的结构；采用后者，用户无需掌握测距码的结构，但只能获取载波信号而无法获得测距码和卫星电文。GPS载波动态相对定位目前的实现方法有两种，第一种方法：参考站向移动站发送原始观测数据，在移动站上进行卫星之间和测站之间的双差处理，求解移动站的三维位置信息，这种方法对差分系统数据链要求很高，移动站上计算量很大。第二种方法：参考站向移动站发送测相伪距的修正量，移动站利用这种修正量修正其测相伪距的观测量，这种方法类似于码差分技术，因此对差分系统数据链路的要求不高，移动站上计算量不大。但第一种方法的定位精度通常要高于第二种方法。 为了进行载波相位测量，接收机也产生一个与卫星载波信号的频率和初相位完全相同的基准信号，称为本振参考载波信号。 载波相位测量的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。

gps原理与应用模拟试卷-试题

---- 学年第学期期终考试试题（A）卷 一、填空题（每空1分，共23分） 1、一般来说，空间大地测量包括（）、（）和（）三种技术。 2、GPS系统的三大组成部分分别是：（）、（）和（）。 3、二体问题意义下，人造地球卫星运动的六个正常轨道参数分别是：（）、（）、（）、（）、（）和（）。 4、GPS卫星信号包括（）、（）和（）三种。 5、GPS卫星的星历一般分为两种，它们分别是（）和（）。 6、从误差来源分析，GPS测量误差大体上可分为以下三类：（）、（）和（）。 7、大地测量中常用的三种高程系统分别是：（）、（）和（）。 二、选择题（每题3分，共15分，多选、少选或错选均不能得分） 1、载波相位单差（测站之间）观测方程的优点有（ ）。 （A）消除了卫星钟误差的影响； （B）大大削弱了卫星星历误差的影响； （C）大大削弱对流层和电离层折射的影响； （D）消除了接收机钟误差的影响。 2、若在两个测站上同步观测5颗卫星、240个历元，可以组成（ ）个三差方程。 （A）960； （B）1920； （C）956； （D）2400。 3、载波相位差分GPS的定位方法有（ ）。 （A）伪距法； （B）求差法； （C）修正法； （D）相位平滑伪距法。 4、GPS网的布设按网的构成形式分为（ ）。 （A）星形网； （B）点连式网； （C）边连式网； （D）网连式网 5、GPS基线向量网平差有三种类型，包括（ ）。 （A）三维无约束平差；（B）三维约束平差；（C）三维联合平差；（D）空间平差。 第 1 页

学生姓名 班级 学号 课程名称GPS原理与应用考试日期共4题 三、名词解释（每题2分，共12分） 1、章动； 2、协调世界时； 3、异步图形（环）； 4、静态绝对定位； 5、周跳（整周跳变）； 6、基线向量。 四、简答题（第6题10分，其余各题每题8分，共50分） 1、试写出GPS定位测量中测距码伪距测量的基本原理和观测方程。 2、试写出静态相对定位中载波相位的双差（先测站之间求差，后卫星之间求差）观测值方程，并说明该方程可以消除或削弱的误差类型。 3、在载波相位观测量之间求差有何优缺点？ 4、试简述载波相位差分GPS定位的基本思想。 5、试简述GPS网选点的一般原则。 6、如何用布尔沙（Bursa）模型实现WGS-84坐标与C80国家坐标系坐标的转换？ （共 1 页）