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1、GPS定位基本原理GPS英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的缩写NAVSTAR/GPS。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。国际上公认简称为GPS。GPS发展史：一、1964年1月霍布金斯大学应用实验室研制成功卫星导航系统，56个卫星组成导航网，精度非常低；二、美国海军提出了“Timation”计划，计划采用1218颗卫星组成全球定位网；三、在联合计划局的领导下，诞生了GPS方案。经过数次修改，最终定为由24颗卫星组成，21颗工作卫星和3颗备用卫星。任何时间、任何地点都能观测到
2、4个以上的卫星。GPS的定位实质： 把卫星视为“动态”的控制点，在已知其瞬时坐标的条件下，进行空间距离后方交会，确定用户接收机天线所处的位置。 GPS接收机PXYZS1S2S3S4r1r2r3r4由此可见，GPS定位中，要解决的问题就是两个：一是观测瞬间GPS卫星的位置。GPS卫星发射的导航电文中含有GPS卫星星历，可以实时的确定卫星的位置信息。二是观测瞬间测站点至GPS卫星之间的距离。站星之间的距离是通过测定GPS卫星信号在卫星和测站点之间的传播时间来确定的。GPS定位方法依照参照点和运动状态可分为绝对静态定位，.绝对动态定位，相对静态定位，相对动态定位。依照测距的原理不同，又可分为测码伪距
3、法定位、测相伪距法定位、差分定位等。利用GPS定位，不管采用何种方法，都必须通过用户接收机来接收卫星发射的信号并加以处理，获得卫星至用户接收机的距离，从而确定用户接收机的位置。GPS卫星到用户接收机的观测距离，由于各种误差源的影响，并非真实地反映卫星到用户接收机的几何距离，而是含有误差，这种带有误差的GPS观测距离称为伪距。1码相位测量L11575.42MHZC/A码1.023MHZP码10.23MHZL21227.6MHZP码10.23MHZ50bps 数据码（导航电文等）,对GPS信号强度的限制：L1波段：对C/A码为-155dBm, 对P码为-158dBm,L2波段：对P码为-158dB
4、m。为了测量上述测距码信号的传播时间，GPS卫星在卫星钟的某一时刻tj发射出某一测距码信号，用户接收机依照接收机时钟在同一时刻也产生一个与发射码完全相同的码（称为复制码）。卫星发射的测距码信号经过时间在接收机时钟的ti时刻被接收机收到（称为接收码），接收机通过时间延迟器将复制码向后平移若干码元，使复制码信号与接收码信号达到最大相关（即复制码与接收码完全对齐），并记录平移的码元数。平移的码元数与码元宽度的乘积，就是卫星发射的码信号到达接收机天线的传播时间，又称时间延迟。测码伪距测量是通过测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，从而计算出接收机至卫星的距离，即 式中：传播时间； 光
5、速 式中：观测历元的测码伪距；观测历元的站星几何距离，；观测历元的接收机（）钟时间相对于GPS标准时的钟差，； 观测历元的卫星（）钟时间相对于GPS标准时的钟差，； 观测历元的电离层延迟； 观测历元的对流层延迟。GPS卫星上设有高精度的原子钟，与理想的GPS时之间的钟差，通常可从卫星播发的导航电文中获得，经钟差改正后各卫星钟的同步差可保持在20ns以内，由此所导致的测距误差可忽略，则由上式可得测码伪距方程的常用形式： 利用测距码进行伪距测量是全球定位系统的基本测距方法。GPS信号中测距码的码元宽度较大，根据经验，码相位相关精度约为码元宽度的1%。则对于P码来讲，其码元宽度约为29.3m，所以量
6、测精度为0.29m。而对C/A码来讲，其码元宽度约为293m，所以量测精度为2.9m。美国的SA和AS政策，SA政策称为有选择可用政策，采用技术对GPS的基本频率施加高频抖动噪声，采用技术将卫星星历的轨道参数的精度降低，使得测量精度为100m。AS政策称为反电子欺骗政策，将P码和更加保密的W码模二相加生成Y码。上式观测方程为非线性的，计算相当复杂，必须化成计算机容易计算的线性方程，对其进行线性化。取测站的坐标初始向量为 其改正数向量为 则测站到卫星的向量的方向余弦为： 式中 为站星距离的近似值。于是，将（3-5）式的站星几何距离进行线性化，取至一次微小项，有： 一般在GPS定位数据处理中，将卫
7、星星历中所获得的卫星坐标视为固定值，因此卫星坐标的改正数视为零。由此，测码伪距方程的线性化形式为： 则测码伪距观测方程可写为 式中的大气层延迟参数可从导航电文中获得，而卫星在地球协议坐标系中的坐标也可通过卫星星历得到。显然，式中在某个历元只有测站在协议地球坐标系中的坐标向量和接收机钟的钟差这4个未知参数，正是我们需要求解的。为此，至少需要建立4个类似的方程。所以，用户至少需要同步观测4颗卫星以便获得4个以上测码伪距观测方程。根据以上分析，在一段时间内，若GPS接收机在测站在某个历元同步观测4颗以上卫星（），则有（3-36）式可得： 为了采用最小二乘法平差求解，将上式写成误差方程的形式： 或者写为 上述误差方程仅考虑了GPS接收机在某历元同时观测颗卫星的情况。由于我们讨论的是静态绝对定位，测站上的接收机处于静止状态，故可以于不同历元，多次同步观测一组卫星，由此可以获得更多的测码伪距观测量，一般通过平差提高定位精度。于是，以表示观测卫星的个数，表示观测的历元次数，则在忽略测站接收机钟钟差随时间变化的情况下，由式进一步考虑个历元数而写成相应的误差方程组： （3-40） 或者写为 （3-41）按照最小二乘法求解可得： （3-42）解的精度： （3-43）式中：为解的中误差；为伪距测量中误差；为权系数阵主对角线的相应元素，。
