CN101833079B - 全球定位系统原始测量值实时转为精确均匀采样的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种全球定位系统原始测量值实时转为精确均匀采样的方法，涉及全球定位技术，利用全球定位系统(GPS，Global PositioningSystem)接收机实时计算的钟差(接收机时间和GPS时间之间的时间差)，以及实时测量的多普勒值对接收机实时采集的伪距测量和载波相位测量值分别进行修正，从而可以得到和GPS时间精确同步、均匀采样的伪距测量和载波相位测量值，使全球定位系统接收机实时采集的原始测量值转换成和GPS时间系统精确同步且均匀采样的测量值。本发明巧妙应用了接收机钟差和多普勒值与GPS原始测量值之间的内在关系，实现了实时获取精确、均匀采样的伪距和载波相位等原始测量值，大大方便了GPS数据的实时定位、定向等处理工作。

Description

全球定位系统原始测量值实时转为精确均匀采样的方法
技术领域
本发明涉及全球定位技术，是一种全球定位系统原始测量值实时转为精确均匀采样的方法。
背景技术
随着全球定位系统(GPS，Global Positioning System)的技术和应用的深入，利用GPS进行实时定位和定向成为军事、科研、生活中的重要手段。由于单台GPS接收机定位的典型精度只能达到5～10米(中误差)，因此实际高精度(亚米级、厘米级)应用中都需要两台或多台GPS接收机进行同步观测并通过差分处理来实现。
在应用两台或多台GPS接收机进行同步观测和数据处理时，都会要求两台或多台GPS接收机的原始测量值是精确同步且是均匀采样的测量值，这样才能应用差分方法进行处理。常规的方法是在差分处理前，将其中的一台GPS接收机的测量值首先转化成和GPS时间系统严格同步的测量值，并以该接收机对应的采样时间作为参考，按照它的采样时间和采样间隔对其余GPS接收机所采集的原始测量值进行重新采样处理，重新采样处理的方法一般是数值计算中用到的数学内插方法。它的缺点是处理时比较复杂、计算量大，尤其是同步观测的GPS接收机数量多时，重新采样的测量值也不均匀。此外如果是对GPS进行实时处理，则在对GPS测量值重新采样时，需要采用当前采样时刻前后一段时间内的多个测量值，实时性差。
发明内容
本发明的目的是提供一种全球定位系统原始测量值实时转为精确均匀采样的方法，以解决GPS接收机采集的原始测量值和GPS时间系统不精确同步且采样不均匀的问题，从而得到采样均匀且和GPS时间同步的测量值。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种全球定位系统原始测量值实时转为精确均匀采样的方法，利用至少四颗全球定位系统卫星；其包括：
步骤1：确定全球定位系统接收机钟差；
步骤2：从全球定位系统接收机中实时提取接收机所接收的多普勒测量值；
步骤3：根据全球定位系统接收机的钟差和多普勒测量值对接收机实时采集的原始测量值进行实时修正，得到和全球定位系统时间系统严格同步且采样间隔均匀的实时测量值。
所述的精确均匀采样的方法，其所述步骤1，是从全球定位系统接收机中实时提取接收机时间系统和全球定位系统时间系统的时间差：接收机钟差，或者根据全球定位系统接收机所接收的伪距测量值实时计算出接收机钟差。
所述的精确均匀采样的方法，其特征在于，所述步骤3的原始测量值为伪距测量值和载波相位测量值，分别按不同的修正方法修正：
A)实时测量的任一颗卫星的伪距测量值修正公式为：
P′i＝Pi-dT×Di×λ
其中，dT为钟差；Pi为伪距测量值，单位为m；多普勒值Di，单位Hz；λ为对应的全球定位系统无线电波波长；
B)实时测量的任一颗卫星的载波相位测量值修正公式为：
C′i＝Ci-dT×Di
其中，dT为钟差；Ci为载波相位测量值，单位为周，多普勒值Di，单位Hz。
本发明方法充分考虑了GPS接收机采样时间和GPS时间系统之间的内在关系，应用了多普勒测量值和伪距、载波相位测量值之间的物理关系，根据接收机钟差和多普勒测量值对实时采集的伪距和载波相位测量值进行修正，修正后的测量值和GPS时间系统精确同步，而且是均匀的采样。
本发明方法大大方便多台GPS测量值的实时差分数据，保证各GPS接收机的测量值是和GPS时间系统精确同步、均匀采样的特点，省去了内插和重新采样。
附图说明
图1是用本发明方法对GPS接收机原始测量值进行实时修正的示意框图。
具体实施方式
一种全球定位系统(GPS)原始测量值实时转为精确均匀采样的方法，包括：
步骤1：从GPS接收机中实时提取接收机时间系统和GPS时间系统的时间差：接收机钟差，或者根据接收机所接收的伪距测量值实时计算出接收机的钟差；
步骤2：从GPS接收机中实时提取接收机所接收的多普勒测量值；
步骤3：根据接收机的钟差和多普勒测量值对GPS接收机实时采集的伪距测量值和载波相位测量值按照不同的修正方法进行实时修正，就得到了和GPS时间系统严格同步且采样间隔均匀的伪距测量值和载波相位测测量值。
本发明全球定位系统(GPS)原始测量值实时转为精确均匀采样的方法，是对不同GPS接收机分别进行各自的修正，这样修正的各台GPS接收机的伪距和载波相位测量值都和GPS时间系统严格同步，而且彼此之间的采样间隔也完全一致。
下面将结合附图1对本发明方法加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对本发明不起任何限定作用。
GPS系统采用的GPS时间是一种高精度的时间系统，一般精度可达到几十纳秒，而GPS接收机内部一般采用石英钟晶振来维持自己的时间系统，其精度一般只能达到几百微妙甚至亚毫秒级的精度。
GPS接收机采集的原始数据是按照接收机自身的时间系统进行数据的实时采样。因此GPS接收机所提供的实时测量值是在GPS接收机时间系统中名义上按照固定的接收机时间间隔进行采样得到的。
假设，Ti r表示GPS接收机采集伪距和载波相位对应的接收机时间，此时刻接收机采集的原始数据分别为：伪距测量值Pi(单位为m)、载波相位测量值Ci(单位为周)。
Ti G表示接收机时间对应真正的GPS时间。
则 dT = T i r - T i G 为接收机时间和GPS时间之间的时钟差，简称钟差，钟差dT是随着不同的采样时刻而不断变化的参数。
根据实时测量的4颗以上(含4颗)GPS卫星和接收机之间的伪距值，就可以实时计算接收机的钟差dT，而且一般接收机可以实时给出接收机的钟差参数。
因此GPS接收机实时采集的原始测量值(伪距和载波相位)所对应的GPS时刻和修正后实际固定采样间隔的GPS时刻存在的时间差就等于接收机的钟差dT。为了得到固定采样间隔的GPS时刻所对应的原始测量值，需要对钟差dT时间内引起的伪距测量值和载波相位测量值进行实时修正补偿。
GPS接收机在实时采集伪距测量值和载波相位测量值的同时，还可以采集到每一颗卫星和接收机之间的多普勒值Di(单位Hz)，根据物理上的多普勒定义可以知道，多普勒显示了GPS接收机和卫星之间的距离变化率，因此可以根据多普勒数值来修正钟差dT时间内伪距测量值和载波相位测量值的变化量，设修正后的伪距为P′i、载波相位为C′i，且对应的GPS无线电波波长为λ，则有：
修正后每颗卫星的伪距测量值：P′i＝Pi-dT×Di×λ
修正后每颗卫星的载波相位测量值：C′i＝Ci-dT×Di
对每个采样时刻的伪距和载波相位测量值都按照提取的钟差和多普勒值Di进行实时修正，这样修正的GPS测量值都是对应于实际的GPS时间，而且是按照固定的采样间隔进行修正的，因此它们是均匀采样的测量值。
举例说明如下：
GPS实时测量的数据如下表所示：
  接收机采样时刻对应的接收机时间(秒)   伪距测量值(米)   载波相位测量值(周)   多普勒值(Hz)   接收机钟差(秒)
  51.0000   24023042.804   126241967.688   1028.502   0.00015
  52.0000   24022847.338   126240939.648   1027.506   0.00023
  53.0000   24022651.364   126239912.581   1026.671   0.00031
实际对应的GPS时间和数据如下表所示(测量值没有变化)：
  接收机采样时刻对应的GPS时间(秒)   伪距测量值(米)   载波相位测量值(周)   多普勒值(Hz)   接收机钟差(秒)
  50.99985000   24023042.804   126241967.688   1028.502   0.00015
  51.99977000   24022847.338   126240939.648   1027.506   0.00023
  52.99969000   24022651.364   126239912.581   1026.671   0.00031
实时修正后和GPS时间严格同步且均匀采样的测量值如下表所示：
  接收机采样时刻对应的GPS时间(秒)   伪距测量值(米)   载波相位测量值(周)
  51.000000000   24023042.775   126241967.534
  52.000000000   24022847.102   126240939.412
  53.000000000   24022651.303   126239912.263

Claims (3)

1.一种全球定位系统原始测量值实时转为精确均匀采样的方法，利用至少四颗全球定位系统卫星；其特征在于，包括：
步骤1：确定全球定位系统接收机钟差；
步骤2：从全球定位系统接收机中实时提取接收机所接收的多普勒测量值；
步骤3：根据全球定位系统接收机的钟差和多普勒测量值对接收机实时采集的原始测量值进行实时修正，得到和全球定位系统时间系统严格同步且采样间隔均匀的实时测量值。
2.如权利要求1所述的全球定位系统原始测量值实时转为精确均匀采样的方法，其特征在于，步骤1中所述全球定位系统接收机钟差，是从全球定位系统接收机中实时提取的接收机时间系统与全球定位系统时间系统之间的时间差，或者是根据全球定位系统接收机所接收的伪距测量值实时计算出的接收机钟差。
3.如权利要求1所述的全球定位系统原始测量值实时转为精确均匀采样的方法，其特征在于，所述步骤3的原始测量值为伪距测量值和载波相位测量值，分别按不同的修正方法修正：
A)实时测量的任一颗卫星的伪距测量值修正公式为：
P′i＝Pi-dT×Di×λ
其中，dT为钟差；Pi为伪距测量值，单位为m；多普勒值Di，单位Hz；λ为对应的全球定位系统无线电波波长；
B)实时测量的任一颗卫星的载波相位测量值修正公式为：
C′i＝Ci-dT×Di
其中，dT为钟差；Ci为载波相位测量值，单位为周，多普勒值Di，单位Hz。
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