Cha5_GPS卫星定位基本原理概论

GPS原理及应用
当 R(t) Rmax (t) 时
t a t '
可得
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此式即为伪距测量的基本方程。
式中nλ称为测距模糊度。测距离小于测距码的波长 （如用P码测距），则n＝0，有
' ct
称为无模糊度测距。
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传播时间中包含了卫星钟差、接收机钟差（卫星钟与 接收机钟不同步）以及电离层延迟、对流层延迟等大 气延迟的影响：
<10km C/A码伪距
精密 星历
精密 星历
广播 星历
卫星钟差改 正、电离层
改正
1～5m
卫星钟差改 正、电离层
改正
1～5m
卫星钟差改 正、电离层
改正
0.1～0.5m
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表2：基于载波相位观测值的GPS相对定位
名称
简写
相对定位 距离
观测值
采用 星历
误差修正 方式
精度
双差静态
DD
定位
5m～ 3000km
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表1：基于伪距的GPS相对定位
名称
简写
相对定位距 离
观测值
采用 星历
误差修正方 式
精度
常规伪距差 CDGPS 分
<200km C/A码伪距
广播 星历
综合伪距误 差
1～5m
广域差分系 WADGPS 统
<2000km C/A码伪距
广域增强系 统
WAAS
全球
C/A码伪距
局域增强系 统
LAAS
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四、GPS源自文库星定位的精度
伪距绝对定位 民用C/A码实时伪距绝对定位：坐标分量精度5~10m； 三维综合精度15m~30m； 军用P码实时伪距绝对定位：坐标分量精度1~3m；三 维综合精度3m~6m； 载波相位观测值绝对定位 实时或准实时定位：坐标分量精度0.1~0.3m； 事后24小时连续定位：三维精度可达2~3cm。
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2、载波重建 GPS信号是一种调制波，因而GPS接收机接收到载波的 相位已不再连续，所以在进行载波相位测量以前，首 先要进行解调工作，设法将调制在载波上的测距码和 卫星电文去掉，重新获取载波，这一工作称为重建载 波。 重建载波一般可采用两种方法 码相关法：用户可同时提取测距码信号和卫星电文， 但用户必须知道测距码的结构； 平方法：用户无须掌握测距码的结构，但只能获得载 波信号而无法获得测距码和卫星电文。
ti
t
j
1 c
(trop
iono
)
卫星钟差 t j：卫星钟时间和标准GPS时之间的时间偏 差。
接收机钟差 ti :接收机钟时间和标准GPS时之间的时间 偏差。
ti ti tGPS
t j t j tGPS
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电离层延迟引起的距离偏差： 在天顶方向可达50m，在接近地平方向时（高度角 为20°）则可达150m 对流层延迟引起的距离偏差： 它随着用户高程及其气象要素的不同而变化，且 与信号的高度角有关。在天顶方向，其影响达2.3 m，在高度角为10°时，其影响可达20m 。
精密 星历
卫星钟差、 电离层、 对流层误 差修正
0.1～0.4m
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§5.2 码相位测量及其观测方程 一、码相位观测 码相位观测，就是测量GPS卫星发射的测距码信号C/A 码或P（Y）码，到达用户接收机天线的传播时间，也 称为时间延迟测量。
测
卫星发射的测距码
定
伪
距
到达接收机
的
示
意
图 τ 接收机产生的测距码
三、GPS卫星定位的方法 1、依据定位所采用观测值的类型：
伪距法定位 载波相位测量定位 差分GPS定位 2、根据接收机的运动状态： 静态定位 动态定位 3、按照参考点的不同位置： 绝对定位（单点定位） 相对定位
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说明： 实际应用中，上述各种GPS定位方法，是相互交叉和 联系的。 比如： （1）在静态定位和动态定位中，均包含绝对定位和相 对定位两种方式。绝对定位有伪距法定位、载波相位 测量定位；相对定位有伪距法定位、载波相位测量定 位以及差分GPS定位。 （2）为了缩短观测时间，提高作业效率，在上述基本 定位方式的基础上，近年来又发展了一些快速定位的 方法，如准动态相对定位法和快速静态相对定位等。
双差 相位
广播星历 或精密星
历
数学模型 解算
10-3～10-4 10-3～10-4
实时双差 动态定位
RTK
5m～10km
双差
相位
广播
基准站相
星历
位误差修
10-3
正
网络实时 动态定位
Network 5m～50km RTK
双差 相位
广播
网络相位
星历
误差修正
10-3
全球动态 定位
Global RTK
全球
相位
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第五章 GPS定位基本原理
测距交会法是常用的定点方法
空间三维距离交会
A
B
P
平面二维距离交会
A(x1,y1)
B(x2,y2)
C
P (x,y)
一、定位基本原理 设GPS卫星的三维坐标分别 为(Xj，Yj，Zj)，那么，距离 交会法求解P点3维坐标 （X, Y, Z）的观测方程为：
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还有包括相对论效应、多路径效应、地球固体 潮影响、伪距的测量噪声以及其它未模型化的误 差影响等。
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二、测码伪距观测值的观测方程 观测历元t，卫星Sj与接收机Ti之间的测码伪距观测值为：
i j (t) c •
因此，测码伪距的观测方程为：
i
j
(t)
ij
(t)
cti
(t)
ct
j
(t)
j i,trop
12
2 2
(X (X
X 1)2 X 2)2
(Y (Y
Y Y
1 2
)2 )2
(Z (Z
Z1)2 Z 2)2
2 3
(X
X
3)2
(Y
Y
3)2
(Z
Z 3)2
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二、 GPS基本观测量 1.码相位观测量：
测码伪距 2. 载波相位观测量：
相位观测值或测相伪距； 伪距： 由卫星发射的测距码信号到达接收机天线的传播时间 乘以光速得出的量测距离。由于卫星钟、接收机钟的 误差以及卫星信号经过电离层和对流层中的延迟影响， 实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离之间，不 可避免地会存在一定差值，所以称其为“伪距”。
(t
)
j i,iono
(t
)
ij (t)为卫星至接收机的几何距离
j2 i
(X
j
Xi )2
(Y
j
Yi )2
(Z
j
Zi )2
观测方程中有接收机坐标（X，Y，Z）和接收机钟差ti四个 未知数。因此GPS接收机必须同时至少测定4颗卫星的距离， 才能解算出接收机的三维坐标值。
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§5.3 载波相位测量及其观测方程 一、引言 1、载波相位测量的优缺点 优点： 码相位测量的精度较低。 P码伪距量测精度为30 cm， C/A码伪距精度为3m左右。 载波相位测量的精度比码相位测量的精度要高。目前， GPS测地型接收机的载波相位测量精度一般为1~2mm， 有的精度更高。 缺点： 整周模糊度问题 周跳问题