GPS卫星定位的基本原理

C(dt
j
dT )
dioj n

dj trop
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。
载波相位测量—优势
伪距测量的不足：
测距码的码元宽度较大，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。
伪距测量的原理（续）
T ( R ) t( S ) ( R S ) ( R S ) ( R S ) [ S t( S )][ R T ( R )] ( R S ) (dt dT )
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）
T ( R ) t( S ) ( R S ) ( R S ) ( R S ) [ S t( S )][ R T ( R )] ( R S ) (dt dT )
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
将τ’ 乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。
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。
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（续）
是卫星在轨位置和用户位置的函数，即：
{[ X j (t) X u (t)]2 [Y j (t) Yu (t)]2 [Z j (t) Zu (t)]2}1/ 2 X j (t), Y j (t), Z j (t) — 第j 颗卫星在时元t 的三维
d1 d2
d3
无线电导航定位 C 卫星激光测距定位
A
B 无线电发射台或激光测距仪 两条边可确定P点坐标
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卫星定位的基本原理
观测方程 P点的三维坐标（X，Y，Z）
两种测量值：
- C／A码伪距 - P码伪距
伪距法定位
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。
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
伪噪声码的真 实传播时间
卫星到接收天线的距离（包含 电离层、对流层的误差）：
C( R S )
卫星到接收天线的“伪距（pseudorange）”P： C
伪距测量的原理（续）
考虑电离层/对流层影响的伪距值：
P C C(dt dT ) dion dtrop
测绘工程本科生课程
GPS原理及应用
讲授：
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
B
P
PBaidu Nhomakorabea
A
C
A
B
前方交会
A
B
测方交会
P
后方交会
A、B和C点坐标已知，P点坐标未知
测边（距）交会法
无线电接收机或卫星 P
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：
T ( R ) t( S )
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
坐标，可从导航电文中求得
X u (t), Yu (t), Zu (t) — 用户接收天线在时元t 的三维
坐标，为待求的未知数
伪距测量的基本方程（续）
P j {[X j (t) X u (t)]2 [Y j (t) Yu (t)]2 [Z j (t) Zu (t)]2}1/ 2
GPS卫星定位方法分类
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
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。
（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’；
伪距测量的方法(续)
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；