GPS卫星定位的基本原理1

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1、GPS原理及应用讲授:杨利兵测绘本科生课程石家庄经济学院Tel:13930172526第六讲GPS卫星定位基本原理（一）概述伪距测量原理载波相位测量原理交会法确定点位测角交会法测边交会法测角交会法ABP测方交会前方交会ABPA、B和C点坐标已知，P点坐标未知后方交会PCAB测边（距）交会法两条边可确定P点坐标无线电导航定位卫星激光测距定位PCABd1d2d3无线电发射台或激光测距仪无线电接收机或卫星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。GPS

2、卫星定位的基本原理观测方程P点的三维坐标（X，Y，Z）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）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GPS卫星定位方法分类伪距测量伪距：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，采用测距交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标

3、。伪距法定位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。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。伪距

4、测量的方法(续)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：每个测距码在产生时；测距码在传播过程中由于外界干扰产生变形；复制码在产生时。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。伪距测量的原理三种时间系统：各颗GPS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

5、：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）伪距测量的原理（续）卫星到接收天线的距离（包含电离层、对流层的误差）：卫星到接收天线的“伪距（pseudorange）”：伪噪声码的真实传播时间伪距测量的原理（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伪距测量的原理（

6、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，用户至少需要同时观测4颗卫星，以便解算4个未知数。伪距测量的基本方程（续）载波相位测量—优势伪距测量的不足：测距码的码元长度较长，因此量测精度较低。（对C/A码而言精度3m左右，P码约为30cm）如果把载波作为量测信号，载波的波长要短得多（L1=19cm，L2=24cm），比P码码元的长度小两个数

7、量级。对载波进行相位测量，可以达到很高的精度。载波相位测量存在的问题载波信号是一种周期性正弦信号，相位测量只能测定其不足一个波长的部分，因而存在着整周数不确定性的问题，使解算过程变得比较复杂。重建载波重建载波：将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获得载波。方法：-码相关法：可同时提取测距信号和卫星电文-平方法：只能提取载波载波相位测量的观测量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。载波相位测量原理k接收机在接收机钟面时刻tk时观测j卫星所取得的相位观测量k接收机在接收机钟面时刻tk时所产

8、生的本地参考信号的相位值k接收机在接收机钟面时刻tk时所接收到的j卫星载波信号的相位值初始t0时刻，小于一周的相位差为0，其整周数为，则此时的相位观测值为：任一时刻ti卫星Sj到k接收机的相位差：整周数变化量整周模糊度（常数）三差法载波相位测量的观测方程设在GPS标准时刻Ta（卫星钟时刻ta）卫星Sj发射的载波信号相位为j（ta），经传播延迟后，在