4.GPS测距定位基本原理

1. GPS定位方法分类
定 位 方 式
绝对定位
静态定位 动态定位 静态定位 动态定位
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。
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。
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。
► C/A码伪距（20米精度）、P码伪距（2米精度）
► 当观测卫星数大于4时可采用最小二乘法计算
接收机的位置坐标的最或然值(最可靠值 )
对某一量进行多次观测，各次观测的结果总是互 不一致只有在观测次数无限增大时，其平均值即 趋近于该量的真值。 在实际工作中不可能进行无限次观测，因而根据 观测结果所得到的仅是相对真值，它就是该量的 最或然值。 对一个未知量进行一组同精度观测，其简单平均 值就是该量的最或然值；当不同精度时，加权平 均值就是该量的最或然值，对于较复杂的问题， 最或然值可按最小二乘法原理求解。
Z跟踪技术精度
► 利用Z
跟踪技术所获取的P（Y）码伪距观测值中， P1 码伪距的精度与C/A 码基本相同，而P2 码伪距 观测值的精度较低。 ► P1 码、C/A 码伪距单点定位的精度基本相同，而P2 码伪距单点定位的精度较低。
伪距法绝对定位原理
► 设GPS标准时为T，卫星钟面时间tj
接收机钟面时间 tk 卫星与标准时偏差δtj 接收机与标准时偏差δtk tj =Tj+ δtj tk = Tk +δtk ' c t c t j k
动态实时性强 精度要求差别大
► 为船类导航，精度几十米即可。
► 为飞机进场导航，精度1~2米即可。 ► 为导弹测轨，精度要求约在0.1米。
► 动态定位和静态定位的差异
由于静态定位可以多次重复观测，可以采取事 后处理，对随机误差进行平差处理，这些办法 动态定位无法采取，所以定位精度更高。 动态定位的独特优点是实时性好。
Z跟踪技术
0 P码 1 0 0 1 0
► AS
+ W码 = Y码 0（ 1）
P码+W码Y码 W码的码元宽度比Y码大几十倍 （严格保密） 无法对其进行直接跟踪与测量
► Z跟踪技术
0
1
0
0
1
0
0 P码
1
0
0
1
0
ASHTECH 公司的专利技术 + 核心：基于Y 码是P 码和一显 W 码 著低速率的保密码W 的模二和，= 从而打破Y 码，将其重新分解 Y 码 为P 码和W 码，然后再利用P 码来测距
► 优点
无模糊度（相对相位测距而言）
► 缺点
精度低
伪码测距与码元宽度的关系： ► 测量分辨率很大程度上取决于码元宽度 ► 码速越高，码元宽度越小，分辨率越好
P码速为10.23Mb/s,C/A码速率为1.023Mb/s, 码元宽度 P码：29.3m C/A码； 293.05m 分辨率可达码元宽度的1/64 ~ 1/100 P码分辨率较C/A码高10倍。
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。
对于某颗卫星：
r 是已知值
P 是测量值
R 是未知值
接收机的时钟与卫星导航系统所用的时间差是 一个定值，假设为Δt，那么上述公式就要改写成 R＝ sqrt[（x1－x）2＋（y1－y）2＋（z1－z）2 ]＋Δt· c 式中，c是电波传播速度（光速）；Δt也是个未知数。
►所以动态和静态定位不再能简单的从使用相位或伪码
测量技术上区分。
► 近来基本区分方法
静态：
►接收机天线在测量期间静止不动。 ►测量的参数在测量期间是不随时间变化的。
►目的是测量点位的坐标。
动态：
►接收机天线在测量期间是运动的。
►测量的参数在测量期间是随时间变化的，所以测量
期间同时要定时。 ►目的是测量载体的运动轨道，要确定其七维坐标参 数（三维空间坐标、三维速度、时间）。
' [ X j X k ]2 [Y j Yk ]2 [Z j Zk ]2 c tk c t j
► c t j 已知，只有接收机位置三参数和接收机钟差未知
只需收到4颗卫星信号，列出4方程，就可求解。
► 将接收机钟差作为未知参数可降低成本，还可实现
GPS定时。 ► 为提高GPS定位精度，实际定位模型应考虑电离层 和对流层影响
► 动态定位的特点与分类
用户广泛
► 陆地运动载体 ► 水上运动载体 ► 空中运动载体。
运动速度差异大。
► 低速：几米~几十米/秒 ► 高速：大于1000米/秒
► 中速：几十米~1000米/秒
采样时间短
► 用于运载火箭或飞船定位时每次采样时间为0.3秒左右。
► 例如为导弹导航，为火箭定轨。
i：卫星的索引号； r i：到第i颗卫星的距离；
x
i
sv
, ysv i , zsv i ：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
'
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：
伪码测距
► 通过测量GPS卫星发射测距码到达接收机的传播时
间，从而算出接收机到卫星的距离：ρ ’=Δt· c 实际距离 = ' ion trop c tk c t j
ion , trop ——电离层和对流层改正；
c tk ——接收机时钟相对于标准时间的偏差； c t j ——卫星时钟相对于标准时间的偏差。
► 相对定位是高精度定位的基本方法
广泛应用于高精度大地控制网、精密工程测量、 地球动力学、地震监测网和导弹和火箭等外弹道 测量方面。
动态、静态定位的区别
► 过去动态、静态定位的区别
动态定位
►基本上就是指GPS导航，所采用的技术是P码或C/A
码的伪码距测量定位。 ►相位测量由于存在整周模糊问题，不能用于动态测 量定位。
► 相关处理的积分间隔限制为W
Z跟踪技术
码 的一个码元对应很小的时间间隔
根据CDMA 测量原理可知，信噪 比与相关处理的积分时间的平方 根成正比，从而采用Z 跟踪技术 所获取的P（Y）码伪距的精度有 所下降。
► 由于增加了处理环节和使用近似的
W码（准确的W 码是未知的）信息 ，也增加了测量噪声。
信号传播时间的测定
测距码测距原理②
► 利用测距码测距的必要条件
必须了解测距码的结构
► 利用测距码进行测距的优点
采用的是CDMA（码分多址） 技术 易于捕获微弱的卫星信号 可提高测距精度 便于对系统进行控制和管理 （如AS）
每颗GPS卫星都采用特定的 伪随机噪声码
微弱信号的捕获
伪距测量的特点
测距方法
► 双程测距
用于电磁波测 距仪
► 单程测距
用于GPS
测距码
C/A码（测距时有模糊度）
P码
测距码测距原理①
► 距离测定的基本思路
c t c
信号传 播时间
► 信号（测距码）传播时间的测定
相关系数： 1 R u (T t ) u (T )dt T T
GPS测距定位基本原理
GPS定位的基本原理和过程
► 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。
►
►
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。
被测点接收机与卫星之间的距离是： R2＝ （x1－x）2＋（y1－y）2＋（z1－z）2 式中：X，Y，Z为被测点坐标值，是待求解的未知数； R的测定与时间量有关，而用户便携接收机一般不可 能有十分准确的时钟，因此由它测出的卫星信号在 空间的传播时间也是不准确的，因而测出的距卫星 的距离也不准确，这种距离叫做伪距（PR）。
GPS定位方法分类
按用户接收机作业时所处的状态划分：
（1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动， 是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的 静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发 生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。
（2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状 态。
1（-1）
1
0
1
1
0
1
► 原理
将接收到的L1 和L2 信号分别和接 收机生成的、以P 码信号为基础的 复制信号相关，频带宽度降低到保 密W 码的带宽，从而得到未知的W 码调制信号的估值 应用反向频率信号处理法，将接收 到的信号减去这一W 码的估值， 就可以大部分消除W 码的影响， 进而恢复P 码
► 绝对定位的优点
只需用一台接收机独立定位，观测的组织与实施简便， 数据处理简单。
► 主要问题
受卫星星历误差和卫星信号在传播过程中的大气延迟 误差的影响显著 定位精度较低。
► 相对定位：
将两台或更多台接收机置于不同点上，通过一段 时间的观测确定点间的相对位置关系。 在两个或若干个测量站上，设置GPS接收机，同 步跟踪观测相同的GPS卫星，测定它们之间的相 对位置，称为相对定位。 在相对定位中，至少其中一点或几个点的位置是 已知的，即其在WGS－84坐标系的坐标为已知， 称之为基准点。
只要接收机能测出距四颗卫星的伪距，便有四个这 样的方程，把它们联立起来，便可以解出四个未知 量x、y、z和Δt，即能求出接收机的位置并告诉它准 确的时间。
GPS定位方法分类
定位方法分类 按参考点的不同位置划分为： （1）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐 标系中，确定观测站相对地球质心的位置。 （2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定 观测站与地面某一参考点之间的相对位置。
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。
原 伪距观测值 始 观 测 量 载波相位观测值
C/A码，码元宽293M，精度2.9M P码，码元宽29 . 3M，精度0. 29M
L1载波，波长19cm，精度0. 19cm L2载波，波长24cm，精度0. 24cm
GPS系统的定位步骤：
► 跟踪、选择卫星、接收选定卫星的信号。 ► 解读、解算出卫星位置。 ► 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。
三个未知量需要三个方程
r1 ( xsv1 xue ) 2 ( ysv1 yue ) 2 ( zsv1 zue )2 r 2 ( xsv 2 xue )2 ( ysv 2 yue )2 ( zsv 2 zue )2 r 3 ( xsv 3 xue )2 ( ysv 3 yue )2 ( zsv 3 zue )2
静态定位
►被测点固定，实时性不高，因而可以采取大量的重
复观测，基本上采用载波相位测量定位技术 ►少数对精度要求不高的情况下才使用伪码测量定位 方式。
► 近几年情况变化：
GPS动态用户越来越多，精度要求也越来越高。 C/A码定位精度不能满足广大用户的要求，人们 积极研究高精度的动态定位技术。 近年来国际上模糊度快速解算技术取得突破性进 展，从而使载波相位测量定位技术在动态定位中 得到迅速发展和应用。
优点：观测值精度高，用精密定位 载波相位观测值 存在问题
整周不确定（模糊度解算） 整周跳变现象
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wenku.baidu.com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。