第四章 GPS定位基本原理

T
T+3
Signal is picked up by the receiver at time “T + 3”
Distance between satellite and receiver = “3 times the speed of light”
Pseudo Random Noise Code
按接收机运动状态分类：
静态定位
绝对定位 相对定位
动态定位
绝对定位 相对定位
绝对定位
将接收机安置在固定点上观测数分钟或更长时间，以 确定该点三维坐标。
在一个待定点上，利用GPS接收机观测4颗以上的GPS 卫星，独立确定待定点在地固坐标系的位置（目前为 WGPS－84坐标系），称之为绝对定位。
Accuracy?
plus/minus a second over more than 30,000 years!!
确定时间的必要性
至少有两个原因用户需要知道精确的时间： 1. 用户通过测量卫星信号的延迟来确定与卫星之间的距离。 2. 卫星、用户以及它们所在的坐标系（固定在地球上）都
是运动的。它们的位置都需要时间来确定。
也称时间延迟测量。
上述通过码相位观测或载波相位观测所确定的站星 距离都不可避免地含有卫星钟与接收机钟非同步误 差的影响，含钟差影响的距离通常称为伪距。
由码相位观测所确定的伪距简称测码伪距，由载波 相位观测所确定的伪距简称为测相伪距。
2．定位分类 按测距方法不同：
伪距法定位（速度快） 载波相位测量定位（精度高）
Time Difference
Satellite PRN
Receiver PRN
Distance Measuring
The whole system revolves around
time!!!
Distance = Rate x Time
Rate = 186,000 miles per second (Speed of Light)
第四章 GPS定位基本原理
概述
GPS定位的基本原理和过程
概论中已经简述GPS定位依据的是空间几何三点 定位原理。
为了消除时差引入的误差，GPS系统技术上采取 四星定位。
定位除依据星座的几何构图外，还必须有准确的 定时。
GPS卫星导航系统的定位精度取决于卫星和用户 间的几何结构、卫星星历精度、GPS系统时同步 精度、测距精度和机内噪声等诸因素的组合。
精确定位必须解决两个问题：确定卫星准确位置；准 确测定卫星到地面测点的距离。
1．测距方法
伪距测量（伪码测距）：测量GPS卫星发射的测距码 信号到达用户接收机的传播时间。
载波相位测量：测量具有载波多普勒频移的GPS卫星 载波信号与接收机产生的参考信号之间的相位差。
多普勒测量：由积分多普勒计数得出的伪距。
所需观测时间较长，一般数小时，同时观测过程中，要求接收 机的震荡器保持高度稳定。
干涉测量：由干涉法测量得出的时间延迟。
所需设备较昂贵，数据处理复杂。
后两种种方法在GPS定位中，尚难以获得广泛应用。
目前广泛应用的基本观测量主要有码相位观测量和 载波相位观测量。
所谓码相位观测是测量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（观测站）的传播 时间。
Time = time it takes signal to travel from the SV to GPS receiver
Each satellite carries around four atomic clocks
Uses the oscillation of cesium and rubidium atoms to measure time
首先，根据卫星广播的星历，计算出第i颗卫星的准
确位置xi，yi，zi；
'
其次，根据测量的码伪距或相位的伪距，计算出用
户与第i颗卫星之间的相对距离 ；
最后，根据导航方法计算出用户的三维位置x，y， z；。
Position is Based on Time
Signal leaves satellite at time “T”
i：卫星的索引号； r i：到第i颗卫星的距离；
xsvi , ysvi , zsvi ：第i颗卫星的位置；
(xue , yue , zue )：用户的位置，三个未知量。
GPS定位的置 如何测量出站星距离
'
GPS系统的实质（关键），是要得到用户 （载体）的高精度的瞬时位置。若根据前面在 概论中所描述的几何模型，定位过程就是：
GPS系统的定位过程可简述为如下步骤： 跟踪、选择卫星、接收选定卫星的信号。 解读、解算出卫星。 测量得到卫星和用户之间的相对位置。 解算得到用户的最可信赖位置。
“交会法” 定位
已知一颗卫星的位置和接收器到它的距离，就可以确定接收器在一个球面上。 已知两颗卫星的位置和接收器到它们的距离，就可以确定接收器在一个环上。 如果知道三颗卫星的位置和接收器到它们的距离，通常可以确定接收器一定
位于两点之一。若排除一点接收器的位置就确定了。
GPS术语： •卫星（Satellite） ---- Space Vehicle (SV)； •接收器（Receiver） ---- User Equipment (UE)。
三个未知量需要三个方程
r1 (xsv1 xue )2 ( ysv1 yue )2 (zsv1 zue )2 r 2 (xsv2 xue )2 ( ysv2 yue )2 (zsv2 zue )2 r3 (xsv3 xue )2 ( ysv3 yue )2 (zsv3 zue )2
假设用户的时钟慢千分之一秒，于是延迟 就多了0.001秒，所测量得的距离也就多 了三百公里。
GPS卫星的速率大约是每秒3.87公里。 赤道上一点由于地球自转移动的速率是每 秒456米。所以以上千分之一秒的误差将 引起大约3870*0.001=3.87米的误差。
测距及定位基本方法与分类
GPS定位包括确定一个点的三维坐标与实现同步四个 未知参数。