GPS05GPS卫星定位基本原理

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1、GPS原理及应用上海海洋大学海洋学院Email:wshen@shou.edu.cn课程类别：海技专业基础课讲授：沈蔚第五章GPS定位方法概述伪距测量载波相位测量整周跳变的修复GPS绝对定位GPS相对定位差分GPS定位原理美国的GPS政策GPS课程学习内容及体系GPS系统组成卫星的运动和卫星星历GPS信号和观测值定位误差源系统工作流程卫星位置卫地距离影响定位精度定位定位方法空间交会5.1概述交会法确定点位测角交会法测边交会法5.1概述测角交会法ABP测方交会前方交会ABPA、B和C点坐标已知，P点坐标未知后

2、方交会PCAB5.1概述测边（距）交会法PCABd1d2d3两条边可确定P点坐标，为了检核和提高精度，增加第3条边无线电导航定位卫星激光测距定位无线电发射台或激光测距仪无线电接收机或卫星5.1概述GPS卫星定位的基本原理应用测距交会的原理，利用三颗以上卫星的已知空间位置交会出地面未知点（用户接收机）的位置。5.1概述GPS卫星定位的基本原理观测方程P点的三维坐标（X，Y，Z）5.1概述单点定位解算用户位置用户在t时元的位置为：5.1概述依据测距的原理划分：1）伪距法定位（测码）2）载波相位测量定位（测相）

3、3）差分GPS定位根据待定点的运动状态划分：1）静态定位2）动态定位根据观测方式1）绝对定位2）相对定位GPS卫星定位方法分类5.1概述1）伪距定位与载波相位定位伪距定位采用伪距观测值，测距直接，定位精度低载波相位定位采用载波相位观测值，观测值转化成距离有一定难度，定位精度高C/A码：29.3mP码：2.93mL1载波：1.9cmL2载波：2.4cm测距精度比较5.1概述2）静态定位和动态定位静态定位：在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态。(这种静止状态是相对的)动态定位：在定位过程中，接收机

4、天线处于运动状态。广泛应用于动态目标的监测，导航。5.1概述3）绝对定位和相对定位绝对定位（单点定位）：一台接收机独立确定待定点在坐标系中的绝对位置。相对定位：两台（或多台）接收机同步观测GPS卫星，确定它们之间的相对位置的方法。5.1概述5.2伪距测量伪距：由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。由于各种误差的存在，与卫星到测站的实际几何距离有一定差值。两种测量值：-C／A码伪距-P码伪距由GPS接收机在某一时刻测出到达四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用测

5、距交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。伪距法定位r2d1d2d3d4r1r3r45.2伪距测量伪距测量的特点适用于导航和低精度测量（P码定位误差约为10m，C/A码定位误差为20～30m）；定位速度快；可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。5.2伪距测量伪距测量的方法卫星发出一个测距码，该测距码经过τ时间后到达接收机；接收机产生一组结构完全相同的测距码—复制码，并通过时延器使其延迟时间τ’；将两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的自相关系数R(τ’)=1为止，此时，复制码已

6、和测距码对齐，复制码的延迟时间τ’就等于卫星信号的传播时间τ；将τ’乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。5.2伪距测量为什么利用码相关法测定伪距？为什么不利用码的标志来推算时延值？随机误差的存在：测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形；测距码和复制码在产生时带有随即误差。仅根据测距码中的某一标志来进行量测会带来较大误差。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τ，实质上是采用了多个码特征来确定τ，排除了随机误差的影响。5.2伪距测量伪距测量的原理三种时间系统：各颗GPS

7、卫星的时间标准各台GPS信号接收机的时间标准统一上述时间标准的GPS时间系统5.2伪距测量伪距测量的原理（续）伪噪声码从卫星到接收天线的传播时间：伪噪声码从卫星到达接收天线的时元伪噪声码在其卫星的发射时元5.2伪距测量伪距测量的原理（续）dt—卫星时钟相对于GPS时间系统的时间偏差（可根据导航电文求得）dT—接收机时钟相对于GPS时间系统的时间偏差（接收机钟差）5.2伪距测量伪距测量的原理（续）卫星到接收天线的真实距离：卫星到接收天线的“伪距（pseudorange）”：伪噪声码的真实传播时间5.2伪距测

8、量伪距测量的原理（续）考虑电离层/对流层影响的伪距值：C(dt–dT)—时钟偏差引起的距离偏差dion电离层效应引起的距离偏差dtrop对流层引起的距离偏差5.2伪距测量伪距测量的原理（续）是卫星在轨位置和用户位置的函数，即：—第j颗卫星在时元t的三维坐标，可从导航电文中求得—用户接收天线在时元t的三维坐标，为待求的未知数5.2伪距测量上式中有4个未知数（用户三维坐标和接收机的钟差dT）。这样在任何一个观测瞬间，用户至少需要