GPS伪距定位原理
伪距测距原理
伪距测距原理GPS接收机若要实现定位，必须解决如下两个问题：一是要知道各颗可见卫星在空间的准确位置，二是要测量从接收机到这些卫星的精确距离。
GPS接收机对每颗卫星产生伪距和载波相位两个基本距离测量值。
伪距测量值：伪距在GPS领域是一个非常重要的概念，它是GPS接收机对卫星信号的一个最基本的距离测量值。
通过测量GPS信号从GPS卫星到接收机的传输时间，再乘以信号的传播速度，可得到GPS卫星与接收机之间大概距离的测量值称为伪距。
核心是测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码）到达用户接收机天线的电波传播时间τ。
为了测量上述传播时间，在用户GPS接收机里复制了与卫星发射的测距码（C/A码或P码）结构完全相同的码信号，通过接收机中的时间延迟器，使复制的测距码进行相移，使其在码元上与接收到的卫星发射的测距码对齐，即进行相关处理。
当相关系数为1时，接收到的卫星测距码与本地复制的测距码码元对齐。
为此，所需要的相移量就是卫星发射的码信号到达接收机天线的传播时间τ。
编号为S的卫星按照其自备的卫星时钟在t(s)时刻发射出某一信号，将t(s)时刻称为GPS 信号发射时间。
该信号在t u时刻被用户GPS接收机接收到，将t u时刻称为GPS信号的接收时间。
用户接收机时钟产生的时间通常与GPS时间不同步。
假设对应于信号接收时间t u的GPS 时间实际上等于t，那么我们可将GPS时间为t时的接收机时钟t u记为t u(t)，并将此时的接收机时钟超前GPS时间的量记为δt u(t)，即t u(t)=t+δt u(t)式中，δt u(t)通常称为接收机时钟钟差，其值通常来说是未知的，并且是一个关于GPS 时间t的一个函数。
GPS时间t与卫星时钟t(s)(t)存在以下关系：t(s)(t)=t+δt(s)(t)其中卫星时钟钟差δt(s)(t)可以视为已知的，根据此式GPS时间与卫星时钟在信号发射时刻（t-τ）时的关系可表达成t(s)(t-τ)=t-τ+δt(s)(t-τ)GPS接收机根据接收机时钟在t u(t)时刻对GPS信号进行采样，然后对采样信号进行处理，可得到标记在GPS信号上的发射时间t(s)(t-τ)。
伪距定位的基本原理
伪距定位的基本原理
伪距定位技术是一种基于卫星信号的定位方法，主要使用在全球定位系统（GPS）中。
其原理是通过接收卫星信号并测量信号传输时间，从而得到接收器与卫星之间的距离差。
通过多个卫星的信号测量，可以计算出接收器的位置。
伪距定位技术的基本原理是利用卫星发射的信号，接收器接收到信号后记录下信号的到达时间。
因为信号传输时速度是已知的，通过记录到达时间，就可以计算出信号传播的距离。
而通过接收多颗卫星的信号并计算距离，就可以确定接收器的位置。
在伪距定位技术中，卫星发射的信号包含有精确的时间信息。
接收器通过接收这个信号，可以知道卫星在发送信号时的精确时间。
而当信号到达接收器时，接收器也可以记录下接收信号的时间。
通过计算信号传播时的时间差，就可以计算出信号传播的距离。
然而，在实际应用中，由于卫星与接收器之间的距离相差较远，信号传播的路径存在多种可能。
因此，要精确地计算信号的传播距离，需要考虑多种因素，如信号传播的时间、信号传播的路径、信号传播过程中遇到的障碍物等。
为了提高伪距定位的精度，需要使用更为复杂的算法，如差分GPS等。
总的来说，伪距定位技术是一种基于卫星信号的定位方法，其原理是通过接收卫星信号并测量信号传输时间，从而得到接收器与卫星
之间的距离差。
通过多个卫星的信号测量，可以计算出接收器的位置。
在实际应用中，为了提高精度，需要考虑多种因素，并使用更为复杂的算法。
伪距测量及定位原理
伪距测量及定位原理伪距测量及定位原理是一种基于卫星信号的测距技术，可以用来确定接收器的位置。
这种技术是现代导航系统中最常用的定位技术之一。
伪距测量是通过测量卫星信号从发射到接收器的时间来计算距离，再结合卫星的位置信息，最终确定接收器的位置。
伪距测量的原理是基于卫星导航系统发射的信号在空间中传播的速度是已知的。
当卫星信号到达接收器时，可以通过测量信号从发射到接收器的时间来计算距离。
由于卫星的位置信息是已知的，通过多个卫星的信号测距，可以得到接收器相对于这些卫星的距离。
进一步，通过三个或以上的卫星信号测距，可以利用三边定位原理来确定接收器的位置。
伪距测量及定位原理的关键在于准确测量信号的传播时间。
接收器会接收到多个卫星的信号，每个信号都会有一个不同的传播时间。
为了准确测量传播时间，接收器需要和卫星进行时间同步。
卫星会通过导航信号发送时间信息，接收器通过接收这些信息来进行时间同步。
一旦接收器和卫星的时间同步完成，接收器就可以通过测量信号的传播时间来计算距离。
伪距测量及定位原理的精度受到多种因素的影响。
首先，信号的传播速度在大气中会发生变化，这会导致距离的测量误差。
其次，卫星的位置信息也会存在一定的误差。
此外，接收器本身的误差也会对定位精度产生影响。
为了提高定位的精度，可以使用差分定位技术，通过与参考站的信号进行比较，消除误差。
伪距测量及定位原理在现代导航系统中得到了广泛应用。
全球定位系统（GPS）就是一种基于伪距测量及定位原理的导航系统。
通过接收多颗卫星的信号，GPS可以实现准确的定位和导航。
除了导航系统，伪距测量及定位原理还可以应用于地震监测、航空航天等领域。
总结一下，伪距测量及定位原理是一种基于卫星信号的测距技术，通过测量信号的传播时间来计算距离，再结合卫星的位置信息，最终确定接收器的位置。
这种技术在现代导航系统中得到了广泛应用，提供了准确的定位和导航功能。
尽管伪距测量及定位原理存在一定的误差，但通过差分定位等技术，可以提高定位的精度。
GPS伪距单点定位
GPS伪距单点定位⼀计算流程GPS单点定位的原理⽐较简单，主要就是空间距离的后⽅交会，⽤⼀台接收机同时接受四个或者以上卫星的信号得出卫星的位置坐标和卫星与接收机的距离，运⽤后⽅交会解算出接收机的三维坐标。
其中，接收机钟误差作为⼀个参数参与解算。
如果观测的卫星数⽬多于四颗，则采⽤最⼩⼆乘法进⾏平差求解。
1，读取数据包括读取O⽂件和N⽂件⾥的数据O⽂件⾥包括头⽂件和观测数据⽂件。
头⽂件⾥要读取出观测⽇期、接收机近似坐标，观测间隔，观测数据类型等。
观测数据⽂件包括观测时间，卫星数量，卫星质量标记，卫星的伪随机编号，之后分每个历元有对各颗卫星的观测数据，例如，P1、P2、L1、L2，要将这些数据读取出来。
N⽂件⾥包含的数据种类⽐较多，主要包括卫星的星历数据，通过这些数据可以求解出卫星的位置坐标。
数据包括卫星钟差参考时刻、卫星星历参考时刻，以及参考时刻升交点⾚径、参考时刻轨道倾⾓等好多参数信息。
2，计算卫星位置卫星计算位置⾥⾯采⽤模块函数的⽅式，可以直接调⽤。
在读取N⽂件中的数据之后，可以调⽤这些已经读出来的数据进⾏使⽤，函数提供两个形参，⼀个是星历数据的编号，另外⼀个是卫星信号发射时刻。
计算过程⽐较繁琐，⼀步⼀步的算就⾏。
3，交会定位计算⼀般每个历元的卫星数⽬不⽌四颗，通常采⽤最⼩⼆乘法进⾏平差求解。
公式为：Ｖ＝ＡδＸ－Ｌ。
在具体计算的时候，⾸先要对（1）式进⾏线性化，得到矩阵A，L，这中间要⽤到很多矩阵的运算。
在求得卫星位置之后，要对O⽂件中每个历元⾥的卫星编号与N⽂件中的卫星编号进⾏匹配，如果匹配成功，再对时间进⾏匹配，如果时间差⼩于两个⼩时，那么该数据可以⽤于运算。
就这样，⼀个历元⾥匹配出的卫星数⽬超过4个的话，就可以通过平差计算出接收机的坐标了。
4，GPS时间的计算GPS时间的计算⽐较简单，计算出参考1980年1⽉6⽇0时0分0秒的不⾜⼀周的秒数。
主要在于判断所在的年是否为闰年，是否超过2⽉份，其他的问题就⽐较简单，采⽤⼀个Select Case的条件语句就可以了，函数最后得到不⾜⼀周的秒数就⾏。
GPS伪距测量
~ ρ i j = ti j c = cτ i j + cδti j = ρ i j + cδti j
当卫星钟与接收机钟严格同步时，上式所确 当卫星钟与接收机钟严格同步时， ~ 为伪距， j ρ ρ i j 为伪距， i 定的伪距即为站星几何距离。 定的伪距即为站星几何距离。 δ 为真正几何距离， j 为真正几何距离， ti 为接收机和卫星之间钟 差。
GPS伪距测量 GPS伪距测量
伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测 接收机在某一时刻测 伪距法定位是由 出的到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知 出的到四颗以上 卫星的伪距以及已知 的卫星位置，采用距离交会的方法（ 的卫星位置，采用距离交会的方法（原理 与观测方程将随后介绍） 与观测方程将随后介绍）求定接收机天线 所在点的三维坐标。 所在点的三维测码伪距观测方程的常用形式如下： 测码伪距观测方程的常用形式如下：
[( X
s
X ) + (Ys Y ) + (Z s Z )
2 2
2 1/ 2
]
cδti
~ j + j I (t ) + jT (t ) =ρ i g i
式中j为卫星数， ＝ ， ， 式中 为卫星数，j＝1，2，3…。 为卫星数 。
Slide 7
Slide 1
伪距法定位特点
伪距法定位虽然一次定位精度不高， 码 伪距法定位虽然一次定位精度不高，P码 定位误差约为10m，C/A码定位误差为 定位误差约为 ， 码定位误差为 20-30m，但因其具有定位速度快，且无 ，但因其具有定位速度快， 多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统 多值性问题等优点，仍然是 定位系统 进行导航的最基本方法。同时， 进行导航的最基本方法。同时，所测伪距 又可作为载波相位测量中解决整波数不确 定问题（整周模糊度）的辅助资料。 定问题（整周模糊度）的辅助资料。
GPS伪距定位原理解析
GPS伪距定位原理解析GPS（Global Positioning System）全球卫星定位系统是一种基于卫星导航的定位和导航技术。
其核心是通过接收来自卫星的信号并计算信号的传播时间来确定接收器的位置。
而GPS伪距定位原理是GPS定位中最常用的一种方法。
一、信号传播时间计算GPS伪距定位原理的第一步是计算卫星信号传播的时间，也称为“伪距”。
接收器接收到来自至少4颗卫星的信号，并通过测量信号传播的时间来确定其与每颗卫星的距离。
伪距计算的基本原理是根据信号发送和接收之间的时间差来计算距离。
具体的计算方法是通过接收机和卫星的时钟进行时间同步，接收机记录下信号接收的时刻（T_r）以及卫星信号发送的时刻（T_s），然后计算两者之间的时间差Δt=T_r-T_s。
然而，接收机的时钟和卫星的时钟并不精确，存在一个时间偏差Δt_s，因此需要考虑纠正。
二、伪距的计算接下来，通过伪距的计算，可以找出接收机与卫星之间的距离。
由于速度为c的电磁波在传播过程中传播速度几乎不变，因此可以通过伪距的计算得到距离。
伪距（Pseudo-range）的定义是卫星到接收机之间的几何距离加上其他误差（如大气误差、多径效应等）。
伪距计算公式为：Pseudo-range = Speed of light * (T_r - T_s) + c*Δt_s三、卫星位置确定接下来的任务是确定卫星的位置。
GPS接收器通过多个卫星的信号来确定自身的位置。
但是，仅通过一个卫星的信号无法准确测量位置，至少需要4颗卫星的信号才能计算出准确的位置。
卫星的位置是由GPS导航系统的控制段计算得出的，导航系统中的主要组成部分是GPS的地面控制段。
此部分由一组地面站和控制中心组成，这些地面站通过GPS信号来监控卫星的位置和状态，并计算出它们的轨道参数。
通过接收到的卫星的信号，接收器可以从每颗卫星中获取关于卫星的信息，包括卫星的识别号、传播时间以及卫星的位置。
四、位置计算一旦卫星的位置确定，并且伪距计算完成，接收机就可以开始计算自身的位置了。
GPS导航定位原理以及定位解算算法
GPS导航定位原理以及定位解算算法全球定位系统(GPS)是英文Global Positioning System的字头缩写词的简称。
它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。
它是由美国国防部主导开发的一套具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统。
GPS用户部分的核心是GPS接收机。
其主要由基带信号处理和导航解算两部分组成。
其中基带信号处理部分主要包括对GPS卫星信号的二维搜索、捕获、跟踪、伪距计算、导航数据解码等工作。
导航解算部分主要包括根据导航数据中的星历参数实时进行各可视卫星位置计算；根据导航数据中各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响、信号传输误差(主要包括电离层实时传输误差及对流层实时传输误差)等各种实时误差的计算，并将其从伪距中消除；根据上述结果进行接收机PVT（位置、速度、时间）的解算；对各精度因子(DOP)进行实时计算和监测以确定定位解的精度。
本文中重点讨论GPS接收机的导航解算部分，基带信号处理部分可参看有关资料。
本文讨论的假设前提是GPS接收机已经对GPS卫星信号进行了有效捕获和跟踪，对伪距进行了计算，并对导航数据进行了解码工作。
1地球坐标系简述要描述一个物体的位置必须要有相关联的坐标系，地球表面的GPS接收机的位置是相对于地球而言的。
因此，要描述GPS接收机的位置，需要采用固联于地球上随同地球转动的坐标系、即地球坐标系作为参照系。
地球坐标系有两种几何表达形式，即地球直角坐标系和地球大地坐标系。
地球直角坐标系的定义是：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林威治子午圈的交点(即0经度方向)，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系(即指向东经90度方向)。
地球大地坐标系的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合。
地球表面任意一点的大地纬度为过该点之椭球法线与椭球赤道面的夹角φ，经度为该点所在之椭球子午面与格林威治大地子午面之间的夹角λ，该点的高度h为该点沿椭球法线至椭球面的距离。
GPS伪距定位原理
伪距观测方程
Rrs (tr ,te ) (xs xr )2 ( ys yr )2 (zs zr )2 ( tr ts )c
未知参数：
接收机位置 -- (xr , yr , zr )T
② 码元宽度较大、测距精度较低； （对齐误差1/100 2.93m、粗码）
③ 结构公开、民用；
（调制在L1、L2载波上）
④ 不同卫星发射不同C/A码序列。
（属于Gold码、低互相关性，快速区分不同卫星的信号）
1.2 GPS测距码(II)
P码（Precision code） 周期 -- 266 days 码长 -- 2.35x1014 bit 码元宽 -- 0.097752 s (29.30 m)
F ( X X
)
F xr
F yr
F
zr
xr
dX
X
X0
yr
zr
X
xr0 yr0
xr yr
zr0 zr
3.1 伪距观测方程线性化(III)
F ( X 0 ) F ( X ) dX (dX )
X X 0
F ( X 0 )= 0
F ( X ) X
X0
dX
Rrs (tr ,ts ) c (tr ts ) rs (tr ,ts )
R -- 观测伪距（observed）
-- 卫地几何距离（geometric）
ts -- 信号发射时刻（GPST）
tr -- 信号接收时刻（GPST）
若考虑卫星钟和接收机钟的误差，则距离观测值就要 表示成：
Rrs (tr , ts ) c (tr tr ) (ts ts ) c (tr ts ) c ( tr ts )
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
未知参数：
接收机位置 -- ( xr , yr , zr )T
接收机钟差 --
tr
三 卫星伪距导航基本原理
3.1 伪距观测方程线性化 3.2 伪距单点定位实现
3.1 伪距观测方程线性化(I)
Rrs (tr , te ) ( xs xr )2 ( ys yr ) 2 ( zs zr ) 2 ( tr ts )c
干扰信号
kW
离用户距离 数km ~ 数百km
测距码的独特结构
2）可提高测距精度
积分间隔 T 中所有码总体上对得最好
所有码分别测距取平均
2.2 测距码测定伪距特点(II)
3）便于码分多址技术对卫星信号的识别
码分多址 CDMA -- Code Division Multiple Access
PRN 01
GPS伪距定位原理
主要内容
（一）GPS测距码及其特性 （二）伪随机码的测距原理
（三）卫星伪距导航基本原理
（四）导航定位精度的评估方法
一 GPS测距码及其特性
1.1 伪随机噪声码 1.2 GPS测距码
1.1 伪随机噪声码
码
随机噪声码
伪随机噪声码
码
随机噪声码
-- 表达不同信息的二进制组合（0和1）。
PRN 02 PRN xx
nois e
4）便于对系统进行控制和管理
C/A码 P(Y)码
标准定位服务 SPS
…
ch1 ch2
…
chx
公开或加密码结构
精密定位服务 PPS
2.3 伪距观测方程(I)
在真空中且无误差的情况下，距离观测值等于卫地几 何距离，表示如下：
Rrs (tr , ts ) c (tr ts ) rs (tr , ts )
4.2 卫星几何分布对定位精度影响
4.1 伪距导航定位的精度评价(I)
假设伪距观测值同精度且相互独立，则由最小二乘 原则，可以得到：
l Ax V
x ( AT A)1 AT l
qx Qx ( AT A) 1 精度评定： qxy qy
对称
qxz q yz qz
xr0 xr X yr0 y r 0 zr z r
3.1 伪距观测方程线性化(III)
F(X 0)
F ( X 0 )= 0
F ( X ) X
0 r
F ( X ) X
dX (dX )
R -- 观测伪距（observed）
-- 卫地几何距离（geometric）
ts
-- 信号发射时刻（GPST）
tr
-- 信号接收时刻（GPST）
若考虑卫星钟和接收机钟的误差，则距离观测值就要 表示成：
Rrs (tr , ts ) c (tr tr ) (ts ts ) c (tr ts ) c ( tr ts )
X
X0
F ( X 0 ) ( xs xr0 ) 2 ( ys yr0 ) 2 ( zs zr0 ) 2 0
F ( X ) F X xr F yr F zr
xr dX X X 0 y r zr
te ts -- 卫星钟面时
tr tr -- 接收机钟面时
Rrs (tr , te ) rs (tr , ts ) ( tr ts )c
2.3 伪距观测方程(II)
若将所有的误差项考虑在内，则距离观测值可如下表 示：
Rrs (tr , te ) rs (tr , ts ) ( tr ts )c ion trop rel tide mul
R 1
（两组信号完全对齐） （所有码总体上对得最好）
R max
① 卫星钟和接收机钟存在误差，引起两组信号的码宽 度与理论值并不完全相同；
② 卫星信号在长距离传播过程中可能产生畸变。
最大相关性分析
信号传播时间
Hale Waihona Puke 2.2 测距码测定伪距特点(I)
1）易于提取微弱的卫星信号
卫星信号 20 W 卫地距 2x1014 km
特点：
① 先捕获C/A码，再根据导航电文信息捕获P码；
（50 bit/s 1.4x106 days）
② 码元宽度为C/A码的1/10； （对齐误差1/100 0.29m、精码）
③ AS (Anti-Spoofing)、P码 W码 P(Y)码
（01/31/1994、调制在L1、L2载波上、接收机技术 Z-tracking）
周期 -- 266 days 码长 -- 2.35x1014 bit 码元宽 -- 0.097752 s (29.30 m)
32 SVs -- P码37周不会有重复，这样就可以为不同的卫星指定P码不
同周的部分。每颗卫星所使用的P码不同部分，码长和周期相同，结构 不同。e.g. PRN 01、 PRN 02 … …
0 ( x x ) s r R 0
( ys yr0 )
0
( zs zr0 )
0
xr yr 1 zr c tr
3.2 伪距单点定位(II)
li aix aiy aiz xr y r vi 1 zr c tr 1 xr v1 y v 1 r 2 (n 4) z r 1 c t r vn
二 伪随机码的测距原理
2.1 测距基本原理 2.2 测距码测定伪距特点 2.3 伪距观测方程
2.1 测定伪距原理(I)
卫星 卫星钟 测距码
接收机 接收机钟
t
时间延迟器
复制码
卫地距
c c t
【时间延迟的测定】
伪距
接收机产生 结构相同的测距码 复制码
不断变动延迟时间
相关系数
R 1
搜索卫星信号
锁定卫星信号
2.1 测定伪距原理(II)
对比时刻
t 对应的某一结构的测距码
u(t )
接收的来自卫星的测距码
经时延器延迟后的复制码
u (t t ) u(t )
两组信号的相关系数： 1 R T
原 因
u (t t )u (t )dt
T
理论值 实际值
qxz q yz qz
qxt q yt qzt qt
4.1 伪距导航定位的精度评价(III)
-- 对于某一时刻，码元是0或1完全是随机的。
（编码无规律、非周期性、自相关性好、无法复制）
1 0 1111 00 1111 0 1 00 1 00 1111 00 11 00 1111 0 11
两组码元相互对齐
时间延迟
c t
伪随机噪声码 -- Pseudo Random Noise（PRN）
Rrs (tr , te ) ( xs xr )2 ( ys yr )2 ( zs zr )2 ( tr ts )c
伪距观测方程
Rrs (tr , te ) ( xs xr )2 ( ys yr ) 2 ( zs zr ) 2 ( tr ts )c
非线性
3.1 伪距观测方程线性化(II)
线性化
rs (tr , ts ) ( xs xr )2 ( ys yr ) 2 ( zs zr ) 2
可以将 rs (tr , ts ) 在测站近似坐标 X 0 ( xr0 , yr0 , zr0 )T 处泰勒级数 展开至一阶项： F ( X ) F(X 0) dX (dX )
0 r
( y s y )
0
0 r
xr ( z s z ) ( t t )c y r s r 0 z r
0 r
R 0 c t ( ) R s ion trop tide rel
xr0 xr X yr0 y r 0 zr z r
l1 a1x l a 2 2x ln anx
l Ax V
a1 y a2 x any
（编码规则确定、周期性、自相关性好、可复制）
1.2 GPS测距码(I)
C/A码（Coarse/Acquisition code）
周期 -- 1 ms 码长 -- 1023 bit 码元宽 -- 0.97752 s (293.05 m)
特点：
① 码长短、易捕获；
（50 bit/s 20.5s）
0 r
R 0
( xs x )
0
0 r
( ys y )
0
0 r
3.2 伪距单点定位(I) 单点定位 -- 根据卫星星历及单台GNSS接收机的观
测值确定该接收机在地球坐标系中的绝对坐标的方法，又称 为绝对定位。
( xs x ) R 0 0
（计算卫地距
xr0 ) 2 ( ys yr0 ) 2 ( zs zr0 ) 2 0 ( xs
SA政策
5/1/2000 turn off）
（Selective Availability 广播星历、卫星钟
四 导航定位精度的评估方法