GPS卫星定位基本原理

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1、第五章GPS卫星定位基本原理GPS测量原理及应用GPS测量原理及应用5.1概述GPS卫星定位基本原理:卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。实际上是将卫星作为动态空间已知点，利用距离交会的原理确定接收机的三维位置。5.1概述被动式有源无线电定位技术利用距离交会的原理确定接收机的三维位置及钟差GPS测量原理及应用空间距离交会原理图GPS测量原理及应用1、GPS定位的各种常用的观测量L1载波相位观测值L2载波相位观测值调制在L1上的C/A-code伪距调制在L2上的P-code伪距Doppl

2、e(多普勒)观测值(导航电文)GPS测量原理及应用5.1概述GPS信号构成图GPS测量原理及应用5.1概述2、对卫星进行测距有关各观测量及已知数据如下：r—为已知的卫地矢量P—为观测量（伪距）R—为未知的测站点位矢量接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距Rj=ri+Pij地心PijPjriRjGPS测量原理及应用5.1概述3.GPS定位的分类●按定位方式分为：●单点定位(伪距定位)●相对定位（差分定位）●按接收机的运动状态分为：●动态定位●静态定位GPS测量原理及应用5.1概述5.1概述单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等

3、的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。GPS测量原理及应用3.GPS定位的分类在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位；在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位。GPS测量原理及应用5.1概述3.GPS定位的分类伪距定义：GPS接收机对测距码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机钟的误差、卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对C/A码测得的伪距称为C/A码伪距，精度约为20-30

4、米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2-10米左右。GPS测量原理及应用5.2伪距测量5.2伪距测量单点定位解可以理解为一个空间距离后方交会问题卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距（由时延值推算得到）由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度,经度,高程h,钟差t5.2.1伪距测量GPS测量原理及应用伪距观测值的计算接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的接收机本身按同一公式复制码信号比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟的时间t传播延迟时间乘以光速就是距离观测值=C•t卫星钟调制

5、的码信号接收机时钟复制的码信号ttGPS测量原理及应用5.2伪距测量(1)为什么要用码相关法来测定伪距利用码相关技术在自相关系数R(τ＇)=max的情况下来确定信号的传播时间，实际上就是根据参加比对的n个码来共同确定传播时间。自相关系数最大就意味着从总体上讲这两组测距码已对得尽可能的齐了。在这种情况下测定的传播时间，从某种意义上讲就是用n个标志测定的信号传播时间的平均值。这样可以大幅度地消除各种随机误差的影响，从而大大提高测定精度。GPS测量原理及应用5.2.1伪距测量(2)自相关系数的测定方法测定自相关系数R(τ＇)的工作由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成。自相

6、关系数R(τ＇)可以用下式来表示：GPS测量原理及应用5.2伪距测量5.2.1伪距测量自相关原理GPS测量原理及应用自相关系数的测定方法其测量原理如图：由接收机锁相环路中的相关器和积分器来完成о卫星接收机α(t-τ)相关器⊕积分器时钟cp码发生器α’(t+t)码移位控制α‘(t+t-τ′)α(t)R(τ′)τ′GPS测量原理及应用5.2.2伪距定位观测方程考虑电离层、对流层、钟差影响有伪距定位基本观测方程GPS测量原理及应用5.3载波相位测量5.3.1载波相位观测值发自卫星的电磁波信号：信号量测精度优于波长的1/100载波波长（L1=19cm,L2=24cm)比C/

7、A码波长(C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距（C/A码或P码）定位高得多的成果精度L1载波L2载波C/A码P-码p=29.3mL2=24cmL1=19cmC/A=293mGPS测量原理及应用5.3.2载波相位观测方程载波相位基本观测方程:考虑电离层、对流层、钟差影响有：GPS测量原理及应用5.3.3整周未知数N0的确定(1/2)N(t0)=4N(t0)=4N(t0)=4N(t0):未知的整周未知数(ti):相位差的小数部分接收机记录绿色部分为整周计数接收机记录GPS