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當前位置:電子發(fā)燒友網(wǎng) > 圖書頻道 > 通信 > 《GPS定位原理及應用》 > 第5章 GPS衛(wèi)星定位基本原理

第3節(jié) 載波相位測量

定義:

載波相位觀測值:載波相位應被稱為載波拍頻相位,它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。

整周模糊度:可記錄下相位的變化值,但開始觀測時的接收機和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的,起始歷元的相位整數(shù)也是不知道的,即整周模糊度。

5.3.1  載波相位測量原理

載波信號量測精度優(yōu)于波長的1/100,載波波長(L1=19cm, L2=24cm)比C/A碼波長   (C/A=293m)短得多,所以GPS測量采用載波相位觀測值可以獲得比偽距(C/A碼或P碼)定位高得多的成果精度。

5.3.2  載波相位測量的觀測方程

 

 

5.3.3  整周跳變修復

整周跳變:衛(wèi)星信號被障礙物擋住而暫時中斷,或受無線電信號干擾造成失鎖,計數(shù)器無法連續(xù)計數(shù),當信號重新被跟蹤后,使整周計數(shù)不正確,但不到一整周的相位觀測值仍是正確的。這種現(xiàn)象稱為周跳。

整周跳變的探測與修復常用的方法有下列幾種:

1. 屏幕掃描法

此種方法是由作業(yè)人員在計算機屏幕前依次對每個站、每個時段、每個衛(wèi)星的相位觀測值變化率的圖像進行逐段檢查,觀測其變化率是否連續(xù)。如果出現(xiàn)不規(guī)則的突然變化時,就說明在相應的相位觀測中出現(xiàn)了整周跳變現(xiàn)象。然后用手工編輯的方法逐點、逐段修復。

2. 用高次差或多項式擬合法

此種方法是根據(jù)有周跳現(xiàn)象的發(fā)生將會破壞載波相位測量的觀測值Int(ψ)+Δψ隨時間而有規(guī)律變化的特性來探測的。整周計數(shù)每秒鐘可變化數(shù)千周,那么對于幾十周的跳變就不易發(fā)現(xiàn)。但如果在相鄰的兩個觀測值間依次求差而求得觀測值的一次差的話,這些一次差的變化就要小得多。在一次差的基礎(chǔ)上再求二次差,三次差、四次差、五次差時,其變化就小的更多了。此時就能發(fā)現(xiàn)有周跳現(xiàn)象的時段來。四次、五次差已趨近于零。由于振蕩器的隨機誤差而給相鄰的L1載波相位造成的影響為2.4周,所以用求差的方法一般難以探測出只有幾周的小周跳。

通常也采用曲線擬合的方法進行計算。根據(jù)幾個相位測量觀測值擬合一個n階多項式,據(jù)此多項式來預估下一個觀測值并與實測值比較,從而來發(fā)現(xiàn)周跳并修正整周計數(shù)。

3. 在衛(wèi)星間求差法

在GPS測量中,每一瞬間要對多顆衛(wèi)星進行觀測,因而在每顆衛(wèi)星的載波相位測量觀測值中,所受到的接收機振蕩器的隨機誤差的影響是相同的。在衛(wèi)星間求差后即可消除此項誤差的影響。

4. 根據(jù)平差后的殘差發(fā)現(xiàn)和修復整周跳變

經(jīng)過上述處理的觀測值中還可能存在一些未被發(fā)現(xiàn)的小周跳。修復后的觀測值中也可能引入1—2周的偏差。用這些觀測值來進行平差計算,求得的各觀測值的殘差。由于載波相位測量的精度很高,因而這些殘差的數(shù)值一般均很小。有周跳的觀測值上則會出現(xiàn)很大的殘差,據(jù)此可以發(fā)現(xiàn)和修復周跳。

5. 用雙頻觀測值修復周跳

采用雙頻載波相位觀測值的組合,并考慮電離層折射改正有:

5.3.4  整周未知數(shù)N0的確定

   確定整周未知數(shù)N0是載波相位測量的一項重要工作。常用的方法有下列幾種:

1. 偽距法

偽距法是在進行載波相位測量的同時又進行了偽距測量,將偽距觀測值減去載波相位測量的實際觀測值(化為以距離為單位)后即可得到λN0。但由于偽距測量的精度較低,所以要有較多的λN0取平均值后才能獲得正確的整波段數(shù)。

2. 將整周未知數(shù)當作平差中的待定參數(shù)——經(jīng)典方法

把整周未知數(shù)當作平差計算中的待定參數(shù)來加以估計和確定有兩種方法。

(1)整數(shù)解

整周未知數(shù)從理論上講應該是一個整數(shù),利用這一特性能提高解的精度。短基線定位時一般采用這種方法。具體步驟如下:

首先根據(jù)衛(wèi)星位置和修復了周跳后的相位觀測值進行平差計算,求得基線向量和整周未知數(shù)。由于各種誤差的影響,解得的整周未知數(shù)往往不是一個整數(shù),稱為實數(shù)解。然后將其固定為整數(shù)(通常采用四舍五入法),并重新進行平差計算。在計算中整周未知數(shù)采用整周值并視為已知數(shù),以求得基線向量的最后值。

(2)實數(shù)解

    當基線較長時,誤差的相關(guān)性將降低,許多誤差消除得不夠完善。所以無論是基線向量還是整周未知數(shù),均無法估計得很準確。在這種情況下再將未知數(shù)固定為某一整數(shù)往往無實際意義,所以通常將實數(shù)解作為最后解。

采用經(jīng)典方法解算整周未知數(shù)時,為了能正確求得這些參數(shù),往往需要一個小時甚至更長的觀測時間,從而影響了作業(yè)效率,所以只有在高精度定位領(lǐng)域中才應用。

 3. 多普勒法(三差法)

由于連續(xù)跟蹤的所有載波相位測量觀測值中均含有相同的整周未知數(shù)No,所以將相鄰兩個觀測歷元的載波相位相減,就將該未知參數(shù)消去,從而直接解出坐標參數(shù)。這就是多普勒法。但兩個歷元之間的載波相位觀測值之差受到此期間接收機鐘及衛(wèi)星鐘的隨機誤差的影響,所以精度不太好,往往用來解算未知參數(shù)的初始值。三差法可以消除許多誤差,所以使用較廣泛。

4. 快速確定整周未知數(shù)法

1990年E.Frei和G.Beutler提出了利用快速模糊度(即整周未知數(shù))解算法進行快速定位的方法。采用這種方法進行短基線定位時,利用雙頻接收機只需觀測一分鐘便能成功地確定整周未知數(shù)。

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