第五章 GPS定位基本原理

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1、第五章 GPS定位基本原理 GPS定位原理 GPS测量定位的类型 伪距法测量 载波相位测量1GPS定位基本原理5.1 GPS定位原理n第三颗卫星所确定的球面 交上述圆周于两点，其中 一点就是用户位置卫星定位基本原理n测距交会原理：利用三颗以上卫星的已知空间位置 ，测量之间的距离，可交会出地面未知点(用户接收 机)的位置。2GPS定位的基本原理 需解决的两个关键问题 如何确定卫星的位置 如何测量出站星距离3GPS定位基本原理定位基本原理通过GPS电文解译出该时刻卫星的三维坐标分布为：用距离交会法求解P点的三维坐标的观测方程4GPS定位基本原理 依定位时接收机天线的运动状态 静态定位: 动态定位:

2、 按参考点的不同位置划分 绝对定位（单点定位） 相对定位 依观测值类型 伪距测量（伪距法定位） 载波相位测量5.2 GPS测量定位的类型5GPS定位基本原理1、静态定位和动态定位1)、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。在卫星大地测量学中，所谓 静止状态，通常是指待定点的位置，相对其周围的点位 没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内（数 天或数星期）可以忽略。 静态定位主要应用于测定板块运动、监测地壳形变、大 地测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等领域 。6GPS定位基本原理2)、动态定位 在定位过程中，接收机 天线处于运动状态。这

3、种运动状态也是相对的 ，通常是指待定点的位 置，相对其周围的点位 发生显著的变化，或针 对所研究的问题和事物 来说, 其状态在观测期内不能认为是静止的可 以忽略。7GPS定位基本原理2、 绝对定位和相对定位1)、绝对定位 又称单点定位，独立确定待定点在坐标系中的绝对位置 。由于目前GPS系统采用WGS-84系统，因而单点定位的结果也属该坐标系统。绝对定位的优点是一台接收机即 可独立定位，但定位精度较差。 该定位模式在船舶、飞机的导航，地质矿产勘探，暗礁 定位，建立浮标，海洋捕鱼及低精度测量领域应用广泛 。8GPS定位基本原理2)、相对定位 确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对位

4、置的方法。可以消除许多相同或相近的误差（如卫 星钟、卫星星历、卫星信号传播误差等），定位精度较 高。但其缺点是外业组织实施较为困难，数据处理更为 烦琐。 在大地测量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域 内得到广泛的应用。9GPS定位基本原理2)、相对定位10GPS定位基本原理注意 在绝对定位和相对定位中，又都包含静态定位和动态定 位两种方式。因此形成了动态绝对定位和静态绝对定位 ，动态相对定位和静态相对定位。 为缩短观测时间，提供作业效率，近年来发展了一些快 速定位方法，如准动态相对定位法和快速静态相对定位 法等。11GPS定位基本原理5.3 伪距测量 伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测

5、出得到四颗以 上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。 伪距 伪距：就是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。实际距离 与此该距离有一定差值故称伪距。存在误差!12GPS定位基本原理 复习: GPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个 基 本频率f0=10.23MHz的控制下产生，GPS卫星 信号示意图如下:5.3 伪距测量13GPS定位基本原理 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。 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

6、达用户接收机天线（观测站）的传播时间。也称时间延迟 测量。 载波相位观测是测量接收机接收到的具有多普勒 频移的载波信号，与接收机产生的 参考载波信 号之间的相位差。14GPS定位基本原理15GPS定位基本原理一、利用测距码进行测距的原理 1. 基本思路:= c=t c 2. 伪距的测定方法 16GPS定位基本原理测定伪距的示意图17GPS定位基本原理将测距码和数据码调制到载波上由卫星发射机将调制信号发出接收机收到测距码接收机产生复制码测距码和复制码作相关处理得到信号传播时间3. 伪距测量原理18GPS定位基本原理4、伪距的测定步骤 卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码，该测距码 经过t 时间

7、传播后到达接收机； 接收机在自己的时钟控制下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； 将这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(t) = 1为止，此时，复制码已和接收到的来自卫 星的测距码对齐，复制码的延迟时间就等于卫星信号的 传播时间t； 将t乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。 = *C= t*C上式求得的距离并不等于卫星至地面测站的真正距 离，称之为伪距。19GPS定位基本原理二、伪距测量的观测方程 码相关法测量伪距时，有一个基本假设，即卫星钟和接收机钟是完全同步的。 但实际上这两台钟之间总是有差异的。因而在R(t) =max 的情况下求得

8、的时延就不严格等于卫星信号的传播时间 t，它还包含了两台钟不同步的影响在内。 此外，由于信号并不是完全在真空中传播，因而观测值中也包含了大气传播延迟误差。 在伪距测量中，一般把在R(t) =max的情况下求得的时延 和真空中的光速c的乘积当作观测值，需建立卫星与接收机之间的距离同观测值之间的关系。 20GPS定位基本原理符号的含义表示卫星j发射信号时的卫星钟时刻表示接收机k收到信号时的接收机钟时刻表示卫星j发射信号时的理想GPS时刻表示接收机k收到信号时的理想GPS时刻表示卫星j的信号到达接收机k的传播时间表示接收机相对于理想GPS时间的钟差(接收机钟差) 表示卫星钟相对于理想GPS时间的钟差

9、(卫星钟差) 21GPS定位基本原理卫星信号传播的时间接收机钟差卫星钟差信号真正传播时 间22GPS定位基本原理如果不考虑大气折射的影响，则有：式中： p: 伪距 c: 传播速度 t: 传播时间23GPS定位基本原理k：接收机号j:卫星号对流层改正项电离层改正项p：真实几何距离 p：伪距考虑到信号传播经电离层的延迟和大气对流层的延迟24GPS定位基本原理一般定位方程由于卫星坐标可根据卫星导航电文求得，因此在式中有3个未知数。若用户同时对三颗卫星进行伪距测 量，即可解出接收机的位置（X，Y，Z）。(5-7)25GPS定位基本原理 上述假设中，精确已知任一观测瞬间的时钟改正数只有 对稳定度特别好的

10、原子钟才有可能实现，在数目有限的 卫星上配备原子钟是可以办到的，但在每一个接收机上 都安装原子钟是不现实的，不仅需要大大增加成本，而 且也增加接收机的体积和重量。 解决这个问题的方法是：将观测时刻接收机的改正数， 作为一个未知数。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。因此伪距法定位的数学模型可表示为：26GPS定位基本原理伪距定位观测方程 （5-8）j为卫星数，j=1,2,3,伪距定位观测方程组：将接收机钟差作为未知数，共有四个未知数， 接收机必须同时接受至少四个卫星，才能解算接收机坐标27GPS定位基本原理三、用测距码来测定伪距的特点 利用测距码测距的必

11、要条件 必须了解测距码的结构（1）易于将微弱的卫星信号提取出来。卫星信号的强度一般只有噪声强度的万分之一或更低。只有依据测距码的独特结构，才能将它从噪声的汪洋大 海中提取出来；28GPS定位基本原理（2）可提高测距精度 总体上对得最齐的情况下获得的伪距观测值比仅仅依据某一脉冲信号来进行伪距测量的精度要高。（3）便于用码分多址技术对卫星信号进行识别和处理如接收机已指定第一个通道观测3号卫星，但它又无法将接收到的卫星信号及噪声分离开来仅允许3号卫星的信号进 入该通道。但该通道只产生3号卫星的测距码（复制码）， 而其他卫星的测距码与复制码可视为是相互正交的，在进 行相关处理时，相关系数趋于零。这样，

12、就能从数学上将 其他卫星信号及噪声分离开来。29GPS定位基本原理n（4）便于对系统进行控制和管理利用测距码后，美国国防部可以通过公开某种码的结构或对某种码结构进行保密来对用户使用该系统的程度加一 控制。30GPS定位基本原理5.4 载波相位测量 伪距测量观测精度低，载波相位测量精度高 一、载波相位基础 伪距测量和码相位测量是以测距码为量测信号的。量测 精度是一个码元长度的百分之一。由于测距码的码元长 度较长，因此量测精度较低（C/A码为293m，P码为 29.3m）。载波的波长要短得多（L1 = 19cm, L2 = 24cm），对载波进行相位测量，可以达到很高的精度。 目前大地接收机的载波

13、相位测量精度一般为12mm。 但载波是一种没有任何标记的余弦波。用接收机中的鉴 相器量测载波相位时能测定的是不足一周的部分，因而 会产生整周数不确定的问题。此外，整周计数部分还可 能产生跳变的问题，解算复杂。 31GPS定位基本原理1、载波相位 L1、L2模二和双相调制载波的结构32GPS定位基本原理2、载波重建 由于GPS信号中已用相位调制的方法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收到的载波的相位已不再连续 （凡是调制信号从0变1或从1变0时，载波的相位均要变 化180）。 所以在进行载波相位测量之前，首先要进行解调工作， 设法将调制在载波上的测距码和导航电文去掉，重新获 得载波，即所谓载

14、波重建。33GPS定位基本原理载波相位测量的关键技术重建载波 重建载波 将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。载波调制了电文之后 变成了非连续的波伪距测量与载波相位测量34GPS定位基本原理载波相位测量的关键技术重建载波 码相关法接收机产生复制码，其结构应与欲观测卫星的 测距码的结构完全相同。通过相关处理即可获得伪 距观测值。当这两组信号对齐后，若用复制码再对 卫星信号进行一次二进制相位调制，即可将测距码 去掉，仅留下载波和导航电文。由于载波与导航电文的频率相差悬殊，故很容 易用滤波器将它们分离开来。35GPS定位基本原理 优点： 可同时获得伪距观测值和导航电文，以便进行导航和实 时定位；

15、可获得全波长的载波； 由于是用信号强度很强的复制码去乘卫星信号，故结果 的信噪比较好。 缺点： 采用这种方法时，用户必须知道测距码的结构。C/A 码的结构是公开的，故可采用码相关法来恢复L1载波。但L2 载波上只调制了Y码，不能用码相关法来恢复L2载波。36GPS定位基本原理载波相位测量的关键技术重建载波 码相关法 方法 将所接收到的调制信号（卫星信 号）与接收机产生的复制码相乘 。 技术要点 卫星信号（弱）与接收机信号（ 强）相乘。 特点 限制：需要了解码的结构。 优点：可获得导航电文，可获得 全波长的载波，信号质量好（信 噪比高）码相关法37GPS定位基本原理载波相位测量的关键技术重建载波

16、 平方法 方法 将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。 Acos(Wt+)2 技术要点 卫星信号（弱）自乘。 特点 优点：无需了解码的结构 缺点：无法获得导航电文，所获载 波波长为原来波长的一半，信号质 量较差（信噪比低，降低了30dB）平方法 38GPS定位基本原理载波相位测量的关键技术重建载波 互相关法（交叉相关）对C/A码仍采用码相关法。由于调制在L1载波上的Y码和L2载波上的Y码的结构是相 同的。只是因为载波频率不同，两者所受到的电离层延迟 不同，这两组Y码才一先一后到达接收机。将先到达接收机的Y1码延迟时间后再与后到达接收 机的Y2码进行相关处理，那么当相关系数取极大值时的 与C的乘积即为（R1- R2)。根据（R1- R2)即可求出伪距观 测值中