第四章 GPS卫星定位的基本原理
第四章 GPS卫星导航电文和卫星信号
第4章GPS卫星的导航电文和卫星信号4.1 GPS卫星的导航电文GPS卫星的导航电文（简称卫星电文）是用户用来定位和导航的数据基础。
它主要包括：卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码转换到捕获P码的信息。
这些信息以二进制码的形式，按规定格式组成，按帧向外播送，卫星电文又叫数据码（D码）。
他的基本单位是长1500bit的一个主帧，传输速率是50bit/s，30s传送完毕一个主帧。
一个主帧包括5个子帧，第1、2、3子帧各有10个字码，每个字码有30bit；第4,5子帧各有25个页面，共37500bit。
第1、2、3子帧每30秒重复一次，内容每小时更新一次。
第4,5子帧的全部信息则需要750s才能够传送完毕。
即第4、5子帧是12.5min播完一次，然后再重复之，其内容仅在卫星注入新的导航数据后才得以更新。
4.1.1 遥测码遥测码位于各子帧的开头，它用来表明卫星注入数据状态。
遥测码的第1-8bit 是同步码，使用户便于解释导航电文；第9-23bit为遥测电文，其中包括地面监控系统注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息。
第23和第24bit是连接码；第25-30bit为奇偶检验码，它用于发现和纠正错误。
4.1.2 转换码转换码位于每个子帧的第二个字码。
其作用是提供帮助用户从所捕获的C/A码转换到捕获P码的Z计数。
Z计数实际上是一个时间计数，它以从每星期起始时刻开始播发的D码子帧数为单位，给出了一个子帧开始瞬间的GPS时间。
由于每一子帧持续时间为6s，所以下一个子帧开始的时间为6xZ s，用户可以据此将接收机时钟精确对准GPS时，并快速捕获P码。
4.1.3 第一数据块第1子帧第3-10字码，主要内容：①标识码，时延差改正②星期序号③卫星的健康情况④数据龄期⑤卫星时钟改正系数等。
4.1.4第二数据块包含第2和第3子帧，其内容表示GPS卫星的星历，这些数据为用户提供了有关计算卫星运动位置的信息。
第四章-GPS定位基本原理
为P 码和W 码，然后再利用P
码来测距
原理
Z跟踪技术
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
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。
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。
动态定位
至少一台接收机处于运动状态，确定各观测时刻运动中 的接收机的绝对或相对位置关系。
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
对于非特需用户, 采用Z 跟踪技术进行PRN 相关处理的积分 时间很短, 导致测量精度降低, 对于其他方式, 由于利用W 码 的近似信息和增加处理环节
导致伪距测量结果的误差增大
原来的高精度P 码在最终的伪距测量结果中并不是总能得到保证
虽然是采用同样的P 码, 由于测量方式和过程不同, 非特需 用户得到的P 码伪距精度低于特需用户的相应结果。
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。
4第四章GPS卫星信号与导航电文
GNSS
P码－精码
• P码的产生原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采用的 是两组各由12级反馈移位寄存器构成。码长Nu≈2.35×1014比 特，码元宽为tu=1/f0=0.097752μs，相应的距离为29.3m。 周期为Tu= Nutu≈ 267d，数码率为10.23Mbit/s。
• P码的周期长，267天重复一次，实际应用时P码的周期被分 成38部分（每一部分为7天，码长约6.19 ×1012比特），其中 1部分闲置，5部分给地面监控站使用，32部分分配给不同卫 星，每颗卫星使用P码的不同部分，都具有相同的码长和周 期，但结构不同。
• P码的捕获一般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕 获P码。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，若取码元对齐 精度仍为码元宽度的1/10~1/100，则相应的距离误差为 2.93~ 0.29m，故P码称为精码(precision code)。
GNSS
GPS信号（示意）
测距码t
t + △t 数据码D(t)
载波L
GNSS
频率
GPS卫星时钟频率选用10.23MHz，利用频率综合器产生所需要
的频率。GPS信号的产生如下图：
基本频率ƒ0
10.23MHz
÷10
×154
L1
C/A码 P码
1575.42MHz 1.023MHz 10.23MHz
×120
模二加反馈 （e+f）
0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1
末级输出的二进制数
1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0
四 GPS卫星定位基本原理
S
R
因此：
c tR t S c b Vt c a Vt c b a cVt cVt
R S S
R
Slide 8
§5.1
利用测距码测定卫地距
式中 b a 为信号真正的传播时间，它与光 速C的乘积仍不等于卫星与接收机间的真正距离， 因为信号在穿过电离层和对流层时并不是以光速C 在传播，必须进行电离层延迟改正及对流层延迟改 正，才能得到真正的几何距离 。
载波相位测量的实际观测值
– 整周模糊度（整周未知数） Int F N – 整周计数 r
整周计数
整周模糊度
Slide 26
§5.2
载波相位测量
① 原始形式：
(i N i ) i cVt cVt (Vion ) i Vtrop
Slide 24
§5.2
载波相位测量
载波相位测量原理 基本思想
S R
理想情况
R
接收机复 制信号
S
R R
R
实际情况
R
接收机接 收到的信 号
S
Slide 25
§5.2
载波相位测量
t0：首次进行载波相位测量时刻 ti：后续各次观测时刻 – 首次观测 Fr – 其余各次观测 – 完整的载波相位通常表示为 Int Fr – 相关概念的区别
dZ 0 i
Xi X0
0 i
dX
Yi Y0
0 i
dY
Zi Z 0
0 i
dZ
0 i
4_卫星定位的基本原理与方法
技术要点
不同频率的卫星信号（弱）进行相关。 优点：无需了Y解码的结构，可获得导航电文，可获得全波 波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）
特点
GPS定位的观测量 ---载波相位观测值 Z跟踪法
方法
将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相 关处理。 在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进 行相关。 优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，可获得 导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好 （信噪比降低了14dB）
与方式二类似rinex误差47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合概述将相同频率的gps载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值虚拟观测值可以消去某些不重要的参数或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其影响历元间求差47gps定位的观测量观测值线性组合与接收机无关与卫星无关空间相关不随时间变化原始载波相位观测值47gps定位的观测量观测值线性组合必要参数和多余参数通过观测值相减来消除多余参数47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合采用差分观测值的缺陷求差法的缺陷某些信息在差分观测值中被消除47gps定位的观测量观测值线性组合47gps定位的观测量观测值线性组合概述其中的单位为周为任意实数
第四章 卫星定位的基本原理与方 法
§4.0 §4.1 §4.2 §4.3 §4.4 无线电定位原理 GPS定位的观测量 GPS绝对定位与相对定位 整周模糊度与周跳问题 差分GPS定位技术
GPS定位原理
GPS定位原理GPS（全球定位系统）是一种通过卫星定位和导航技术提供精确位置信息的系统。
它由一组位于地球轨道上的卫星、地面控制站和接收器组成。
通过接收卫星发射的信号，GPS接收器能够确定接收器的精确位置，并根据该位置提供导航和定位服务。
1. GPS系统组成GPS系统由三个主要组成部分构成：空间部分、控制部分和用户部分。
1.1 空间部分空间部分由一组位于轨道上的卫星组成，它们以近乎圆形的轨道绕地球运行。
目前，GPS系统通常由24颗卫星组成，它们均匀地分布在6个不同的轨道上。
这些卫星以精确的时间进行通信，向地面传输信号。
1.2 控制部分控制部分由一组地面控制站组成，用于监控卫星的运行状态并保证其正常工作。
这些控制站负责精确测量卫星位置和时钟误差，并向卫星发送修正信号来校正轨道和时钟偏差。
1.3 用户部分用户部分由GPS接收器组成，它们可以接收来自卫星的信号并计算出接收器的位置。
这些接收器通常是手持设备、车载设备或集成在其他导航工具中的模块。
用户部分根据接收到的信号计算出接收器与卫星之间的距离，并使用三角定位原理确定位置。
2. GPS定位的核心原理是三角定位。
三角定位基于测量从GPS接收器到至少三颗卫星的距离，并使用这些距离来计算出接收器的位置。
2.1 距离测量GPS接收器通过接收卫星发射的信号来测量到每颗卫星的距离。
这些信号是以电磁波的形式传输的，其中包括卫星的唯一标识符、发射时间和导航数据。
接收器接收到信号后，根据信号的传播时间和速度计算出距离。
2.2 定位计算通过测量到至少三颗卫星的距离，GPS接收器可以使用三角定位原理计算出其位置。
三角定位基于测量信号传播时间和速度之间的关系，使用来自多颗卫星的测量结果交叉计算出接收器的位置。
2.3 时间同步为了保证定位的准确性，GPS接收器需要与卫星保持时间同步。
卫星传输的信号中包含了卫星的发射时间，接收器接收到信号后，可以计算出信号传播的时间。
通过比较接收器计算的传播时间与卫星的发射时间之间的差异，接收器可以校正时间偏差，并提高定位的准确性。
GPS4第四章 GPS卫星的导航电文
四、精码P(y)码
码长：6.19﹡1012 bit。 周期：七天。 测距误差：0.3~3m 特点：码元宽度较小，精度较高，专为军用。 目前，只有极少数高档次测地型接收机才能接 收P(y)码，且价格昂贵。 由于C/A码单点定位较低，测量上采用非单点定 位，即采用相对定位（差分定位）。
返回
§4.3 GPS卫星位置的计算
第四章 GPS卫星的导航电文 和卫星信号 §4.1 §4.2 §4.3 §4.4 GPS卫星的导航电文 GPS卫星信号 GPS卫星位置的计算 GPS接收机基本工作原理
载波L1、L2
（相当于运载工具）
GPS卫星信号
测距码（C/A码、P码） 导航电文 （数据码、D码）
§4.1 GPS卫星的导航电文 一、导航电文的内容
时钟改正（卫星上的）：应以主控站的时钟（GPS 时间）为基准进行时钟改正。
∆t s = a 0 + a1 (t − t oc ) + a 2 (t − t oc )
2
a a 0 ：卫星的钟差； 1：卫星钟的频率偏差系数； a 2 ：卫星钟的频率飘移系数； t ：观测时刻；
t oc ：发送导航电文的参考时刻。
内容：卫星星历、时钟改正（指卫星钟的改正）、 电离层时延改正、工作状态信息以及C/A码 转换到捕获P码的信息。导航电文是以二进 制码的形式，按规定格式组成，按帧向用户 传送的。又称数据码（D码）。 例：控制测量一、二、三、四等。 一 二 三 四 11 10 01 00 二进制数按一定的规则编制。
二、导航电文格式
（我们接收机收到的信号中时钟改正 ∆t s 为已知。）
电离层时延改正： 卫星信号可以告诉用户，单频接收 机需加此项改正，双频的不需要。 （电离层：距地面50—1000km，含有很多气体分子， 在阳光作用下产生电离。）
第四章GPS卫星定位的基本原理 第三节载波相位测量
GPS测量定位技术
一、载波相位测量原理
如右图，ti 时刻载波相位测量的量测 值为
ni F r () Inti () F ir ()
上式表明，载波相位测量的实际观 测值 由两部分组成：其一是差频信 号的整周数变化部分 Int，() 其二是差频 信号的不足一整周部分 。Fr其() 中在初 Int() 始观测时为零，而后由多普勒计数 器 从 时 刻t0 连 续 计 数 累 积 得 出 。 而 则是Fr(根) 据 时的基ti 准信号相位和接收 i(R) 的载波信号相位 直接量测i(S。)
dX
Y
0
dY
Z
0
dZ
0
X0 0
x
dX
Y0 0
y
dY
Z0 0
z
dZ
（4-23） （4-24）
GPS测量定位技术
二、载波相位测量观测方程
将上式代入式（4-20），可以得到线性化的载波相位测量
基本观测方程：
f c
x X 0 dX 0
f c
y Y0 dY 0
f c
z
Z0 0
GPS测量定位技术
三、载波相位测量差分法
在载波相位测量基本方程中，包含着两类不同的未知数：一 类是必要参数，如测站的坐标；另一类是多余参数，如卫星钟 和接收机的钟差、电离层和对流层延迟等。并且多余参数在观 测期间随时间变化，给平差计算带来麻烦。
解决这个问题有两种办法：一种是找出多余参数与时空关系 的数学模型，给载波相位测量方程一个约束条件，使多余参数 大幅度减少；另一种更有效、精度更高的办法是，按一定规律 对载波相位测量值进行线性组合，通过求差达到消除多余参数 的目的。
例如，对某一观测瞬间n颗卫星进行了载波相位测量，就可以 列出n个观测方程，方程中都含有相同的接收机钟差未知数。若 选择一颗卫星作为基准，将其余n－1颗卫星的观测方程与基准 卫星对应的观测方程相减，就可以在n－1个方程中消去钟差未 知数 。vtb它可以大大减少计算工作量。目前GPS接收机的软件， 基本上都采用了这种差分法的模型。
gps卫星定位原理
gps卫星定位原理GPS卫星定位原理。
GPS（Global Positioning System）是一种利用卫星信号确定地面位置的技术。
它最初是为军事目的而开发的，但现在已经成为民用领域中不可或缺的定位工具。
GPS卫星定位原理是基于卫星信号的接收和处理，通过多颗卫星的信号交叉定位来确定接收设备的位置，下面将详细介绍GPS卫星定位的原理。
首先，GPS系统由24颗工作卫星和若干备用卫星组成，它们分布在地球轨道上，每颗卫星都固定在轨道上的位置，以确保全球范围内的信号覆盖。
这些卫星以不同的轨道高度和轨道倾角绕地球运行，每颗卫星每天都会绕地球运行两次。
其次，接收设备通过接收来自不同卫星的信号，并测量信号的传播时间来确定卫星与接收设备之间的距离。
当接收设备接收到来自至少三颗卫星的信号时，就可以通过三角定位法确定自己的位置。
当接收设备接收到来自更多卫星的信号时，可以通过多边定位法提高定位的精度。
然后，卫星发射的信号携带有卫星本身的位置和时间信息，接收设备接收到这些信号后，可以通过解算卫星的位置和时间信息来确定自己的位置。
这一过程需要接收设备精确测量信号的传播时间，并考虑到信号传播过程中可能受到大气层、电离层等影响，以及卫星钟的精度等因素。
最后，GPS定位的精度受到多种因素的影响，包括接收设备的性能、地面遮挡、大气层和电离层的影响、卫星几何分布等。
为了提高定位的精度，现代GPS接收设备通常会同时接收多频信号，并使用差分定位、RTK等技术来提高定位的精度和可靠性。
总的来说，GPS卫星定位原理是通过接收来自多颗卫星的信号，并测量信号的传播时间来确定接收设备的位置。
通过解算卫星的位置和时间信息，可以实现全球范围内的定位和导航。
随着技术的不断进步，GPS定位的精度和可靠性将会得到进一步提高，为人们的生活和工作带来更多便利。
GPS卫星定位基本原理
1 1
1
1
x
y
z
'1 '2 '3 '4
11 21 c t1
12
2 2
c
t2
13 23 c t3
14
4 2
c
t4
令
l1 m1 n1 1
Ai
l 2 l3
m2 m3
n2 n3
1 1
l
4
m4
n4
1
x
X
y
z
Lj ' j 1j 2j c t j 0j
q11 q12 q13
Qx q21
q22
q23
q31 q32 q33
由权系数阵主对角线元素定义精度因子“DOP” 后，则相应精度可表示为：
M x DOP 0
Hale Waihona Puke 式中为等效距离误差。
0
第31页，共59页。
精度因子通常有： （1）平面位置精度因子HDOP及其相应的平面 位置精度：
HDOP q11 q22
到GPS接收机的时间 。 使 R( )实际1 上是不可能
的，只能使 R( ) max，两种码不可能完全对齐，
导致时间有误差。
第12页，共59页。
码相关
第13页，共59页。
c t
卫星定位的实际方法：是要同时观测四颗以上卫
星来确定地面点的位置。
因为测距中存在一些误差的影响，如电离层误
差 1 、对流层误差 2，卫星钟差 c t，i 接收机钟差 c tk 。
伪距，获得充分的多余观测量。测后通过数据处理
求得观测站的绝对坐标。
（1）伪距观测方程的线性化
伪距观测方程：
精品课程《GPS原理及应用》第4章 GPS卫星定位原理
.
首先假设卫星钟和接收机均无误差， 且都能与标准的GPS时间保持严格同步。 在某一时刻t，卫星在卫星钟的控制下发 出某一结构的测距码，同时，接收机则在 接收机钟的控制下产生或者复制出结构完 全相同的测距码，也叫复制码。由卫星所 产生的测距码经Δt时间的传播后到达接收 机并被接收机所接收。由接收机产生的复 制码则经过一个时间延迟器延迟时间后与 接收到的卫星信号进行对比。
由于载波信号是一种周期性的正弦信 号，而相位测量只能测定其不足1周的小 数部分，因而存在着整周数不确定性的问 题，也就是整周模糊度的精确求解问题。
.
4.2 GPS绝对定位原理
绝对定位是以地球质心为参考 点，确定接收机天线在WGS-84坐标 系中的绝对位置。由于定位作业仅需 要一台接收机工作，因此又称为单点 定位。根据用户接收机天线所处的状 态不同，又可分为动态绝对定位和静 态绝对定位。
.
将用户接收设备安置在运动的载 体上确定载体瞬时绝对位置的定位方 法，称为动态绝对定位。动态绝对定 位，一般只能得到没有（或很少）多 余观测量的实时解。这种定位方法， 被广泛地应用于飞机、船舶以及陆地 车辆等运动载体的导航中。另外，在 航空物探和卫星遥感等领域也有广泛 的应用。
.
当接收机天线处于静止状态确定 观测站绝对坐标的方法，称为静态 绝对定位。这时，由于可以连续地 测定卫星至观测站的伪距，所以可 获得充分的多余观测量，以便在测 后通过数据处理提高定位的精度。 静态绝对定位方法主要用于大地测 量，以精确测定测站点在协议地球 坐标系中的绝对坐标。
.
4.1.1 伪距测量
伪距法定位是根据GPS接收机在某一 时刻测出的接收机天线所在点到4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测站点的三维坐标。 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。
gps定位 原理
gps定位原理
GPS（全球定位系统）是一种基于卫星和接收器之间的无线电
通信的定位技术。
GPS系统由一组位于太空中的卫星和地面
上的接收器组成。
其工作原理基于三角测量原理和卫星测量技术。
GPS系统中的卫星通过射频信号向地面上的接收器发射精确
的时间和位置信息。
接收器接收到来自至少四颗卫星的信号后，利用三角测量原理计算自身的位置。
三角测量原理基于三点定位，在GPS系统中，接收器利用测
量到的卫星信号的传播时间来确定卫星与接收器之间的距离。
由于卫星信号的传播速度已知，接收器可以通过测量时间差来计算距离差。
通过测量距离的差异，可以确定接收器与卫星的距离，并利用多个卫星的位置信息进行三角测量，从而计算出接收器的精确位置。
为了提高定位的准确性，GPS系统还采用了一些修正技术。
这些修正技术包括大气修正、钟差修正和卫星轨道修正等。
这些修正可以校正信号传播过程中的误差，提高定位的精度。
总之，GPS定位的原理是利用卫星发射的信号和接收器的测量，通过三角测量原理计算接收器的位置。
通过修正技术，可以提高定位的准确性。
第四章GPS卫星信号分解
第四章 GPS卫星信号
28
2、GPS信号的组成
• 载波（L1，L2两个民用频率） • 测距码（C/A码和P码（Y码）） • 导航电文（数据码，D码）
第四章 GPS卫星信号
29
3、信号调制的原因
• GPS卫星的测距码信号和导航电文信号都属于低频信号
– 其中C/A码和P码的数码率分别为1.023 Mbit/s与10.23Mbit/s， – D码(导航电文，又称为数据码)的数码率仅为50 bit/s。 – GPS卫星离地面远达20000km，其电能又非常紧张， 因此很难将
第四章 GPS卫星信号
4 4
每个主帧又分为5个子帧，每个子帧都包含300个二 进制码，6秒钟传完。
第1、2、3子帧每30秒重复一次，内容每小时更新一 次。
第4、5子帧各有25个页面，其内容仅在卫星注入新 的导航数据后才得到更新。
第四章 GPS卫星信号
5 5
第四章 GPS卫星信号
6 6
2、遥测码
• 第三数据块的内容每12.5分钟重复一次。
第四章 GPS卫星信号
13
GPS卫星广播星历预报参数及其定义
第四章 GPS卫星信号
14
§4.2 GPS卫星位置的计算
• 根据卫星电文所提供的轨道参数按一定公式计算：
计算思路：
（1）首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标
（2）然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋
第四章 GPS卫星信号
10
4、第一数据块（内容）
（2）星期序号WN -GPS周
（3）星钟数据龄期AODC
AOD tO CC tL
toc为第一数据块的参考时刻， tL是计算时钟参数所作测量的最后观测时间
第四章GPS定位原理
绝对定位精度评定
GPS绝对定位的定位精 • 度主要取决于：
卫星空间分布几何图形
观测量精度——精度因 子与所观测卫星的空间 分布有关
绝对定位误差与精度因 子的大小成正比，应选 择精度因子最小的一组 卫星进行观测；
六面体体积V最大情形：一颗卫星 处于天顶，其余3颗卫星相距120°
GPS授时
单站单机法：一台GPS接• 收机，在一个坐标已知的 观测站上观测卫星，确定用户时钟相对GPS标准时 间的偏差。
TDOP – Time Dilution of Precision
GDOP – Geometry Dilution of Precision
HDOP – Horizontal Dilution of Precision
VDOP – Vertical Dilution of Precision
GPS定位方法分类
观测值类型
•
测距码伪距测量定位
载波相位伪距测量定位
定位的模式
绝对定位(单点定位) 相对定位(差分定位)
定位时接收机天线的运动状态
静态定位－天线相对于地球坐标系静止 动态定位－天线相对于地球坐标系运动
定位结果获取时间
实时定位 非实时定位
一、 GPS 伪距测量定位
卫星星历
精密星历
卫星钟差
精密钟差、地面跟踪
电离层延迟
双频改正
对流层延迟
模型改正
卫星几何分布精度因子
DOP(Dilution of Precisio• n)
与单点定位时所观测卫星的数量与 分布有关，表示的是定位的几何条 件。
PDOP – Position Dilution of Precision
第四章GPS定位原理
GPS卫星定位基本原理
GPS卫星定位基本原理本单元教学重点和难点1、伪距测量的原理及其相应的技术；2、载波相位测量的原理及其相应的技术；3、绝对定位和相对定位的方法。
教学目标对定位、RTK、网络RTK等基本原理。
对于教材中的公式推导过程不要求掌握，但对公式推导的结论应当理解并熟练掌握。
如观测方程和定位精度评价公式，应能结合误差传播定律从中看出影响定位精度的各种因素，并能通过以后章节学习，掌握相应的测量方法、减弱各种误差影响以提高测量精度的措施。
本章主要介绍GPS 卫星定位的基本原理与定位方法分类；GPS 定位所依据的伪距观测量；在测码伪距观测量和测相伪距观测量的基础上，讨论了静态和动态绝对定位原理以及相对定位和差分定位原理。
GPS 定位原理概述1． GPS 定位原理测量学中的交会法测量里有一种测距交会确定点位的方法。
与其相似，GPS 的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会得出地面点位置。
简言之，GPS 定位原理是一种空间的距离交会原理。
()()()()()()()()()()()()⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧+-+-+-=+-+-+-=+-+-+-=+-+-+-=tc Z Z Y Y X X tc Z Z Y Y X X tc Z Z Y Y X X tc Z Z Y Y X X δρδρδρδρ24242424232323232222222221212121（3-1）式中的c为光速，δt为接收机钟差。
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。
上一章中，我们知道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。
本章在讲述定位原理的同时，将解决距离测定的问题。
2．GPS定位方法分类利用GPS进行定位的方法有很多种。
若按照参考点的位置不同，则定位方法可分为（3）多普勒积分计数伪距差；（4）干涉法测量时间延迟；目前，在GPS定位测量中，广泛采用的观测量为前两种，即码相位观测量和载波相位观测量。
gps卫星定位基本原理
gps卫星定位基本原理
GPS卫星定位是一种基于卫星信号的定位技术，其基本原理是通过测量接收信号的时间差来确定接收器与卫星的距离，进而确定接收器的位置。
该技术的核心是GPS卫星系统，由一组卫星、地面控制站和用户接收器构成。
GPS卫星发射信号，接收器接收这些信号并计算出其位置。
为了精确测量信号的时间差，GPS接收器通常需要同时接收多个卫星信号。
通过使用三个或更多卫星信号，可以确定接收器的精确位置和海拔高度。
因此，GPS卫星定位技术在航空、航海、车辆定位、地图制作等领域得到了广泛应用。
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第四章GPS卫星定位的基本原理 第二节伪距法定位
Vu Au dX Lu
式中 Vu (v1v2 vn )
Au
l1 m1 n1 1
l2
m2
n2
1
ln mn nn1
Lu (L1L2 Ln )
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三、伪距法定位的计算
根据最小二乘原理求解得 dX ( Au Au )1 ( （Au4L-u1) 1）
测站未知数中误差
mx
但是，由于P码受美国军方控制，一般用户无法得到，只能利用C/A 码进行伪距定位，加之美国对利用GPS有限制政策，在采用SA技术时， 利用C/A码进行伪距定位的精度降低至约100m，远远不能满足高精 度单点定位的要求。
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四、伪距定位法的应用
若要提高测站点间的相对位置精度。则可用若干台接收 机同时对相同的卫星进行伪距测量，此时卫星星历误差、 卫星钟的误差、电离层和对流层折射误差对各同步观测站 的影响基本相同，在求坐标差时可以自行消除。
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第四章 GPS卫星定位的基本原理
•学习目标 •第一节 GPS定位概述 •第二节 伪距法定位 •第三节 载波相位测量 •第四节 GPS动态定位原理本章小结 •本章小结 •思考题与习题
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第四章 GPS卫星定位的基本原理
学习目标
•了解GPS测速原理和定时原理。 •理解主动式测距和被动式测距，伪距及其测定与计 算，动态定位的特点。 •掌握GPS定位的基本概念，静态定位与动态定位， 单点定位和相对定位，伪距定位，载波相位测量原理 及载波相位测量方法。
若发射时刻卫星钟的钟差 vt，a 接收时刻接收机钟的钟差为vtb ， 则有
ta vta tb vtb
a
b
（4-2）
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二、单点定位和相对定位
由于同步观测值之间有着多种误差，其影响是相同的 或大体相同的，这些误差在相对定位过程中可以得到消除 或减弱，从而使相对定位获得极高的精度。当然，相对定 位时需要多台（至少两台以上）接收机进行同步观测。故 增加了外业观测组织和实施的难度。
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第四章
•学习目标 •第一节 GPS定位概述
GPS卫星定位的基本原理
•第二节
•第三节 •第四节 •本章小结
Hale Waihona Puke 伪距法定位载波相位测量 GPS动态定位原理本章小结
•思考题与习题
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第四章
学习目标
•了解GPS测速原理和定时原理。
GPS卫星定位的基本原理
•理解主动式测距和被动式测距，伪距及其测定与计 算，动态定位的特点。
GPS定位概述
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一、静态定位与动态定位
准静态定位是指静止不动只是相对的。在卫星大地测量学 中，在两次观测之间（一般为几十天到几个月）才能反映出发 生的变化。
动态定位是指在定位过程中，接收机位于运动着的载体， 天线也处于运动状态的定位。动态定位是用GPS 信号实时地测 得运动载体的位置。如果按照接收机载体的运行速度，还可将 动态定位分为低动态（几十米/秒）、中等动态（几百米/秒）、 高动态（几公里/秒）三种形式。其特点是测定一个动点的实 时位置，多余观测量少、定位精度较低。目前导航型的GPS 接 收机，可以说是一种广义的动态定位，它除了要求测定动点的 实时位置外，一般还要求测定运动载体的状态参数，如速度、 时间和方位等。
主动式测距 ( 右图）是用电磁波 测距仪发射测距信号，通过另一端 的反射器反射回来，再由测距仪接 收。根据测距信号的往、返传播时 间求解出往返距离2 。由于电磁波 测距仪需在测站点上主动发出测距 信号，故称这种测距方式为主动式 测距。主动式测距只要求仪器钟自 身能在信号往、返时间段中保持稳 定，就不会影响测距精度。其缺点 是用户必须发射信号因而难以隐蔽 自己，这对军事用户十分不利。此 外要求用户同时具有发射设备和接 收设备，装置较为复杂。
•掌握GPS定位的基本概念，静态定位与动态定位，单 点定位和相对定位，伪距定位，载波相位测量原理及 载波相位测量方法。
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第一节
一、静态定位与动态定位
静态定位是指GPS接收机在进行定位时，待定点的位置 相对其周围的点位没有发生变化，其天线位置处于固定不 动的静止状态。此时接收机可以连续地在不同历元同步观 测不同的卫星，获得充分的多余观测量，根据 GPS 卫星的 已知瞬间位置，解算出接收机天线相位中心的三维坐标。 由于接收机的位置固定不动，就可以进行大量的重复观测， 所以静态定位可靠性强，定位精度高，在大地测量、工程 测量中得到了广泛的应用，是精密定位中的基本模式。
图 4 - 2 双程测距（ EDM） 与单程测距（GPS）
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三、主动式测距和被动式测距
被动式测距是发射站（例如卫星）在规定的时刻内准 确地发出信号，用户则根据自己的时钟记录信号到达的时 间，根据时差 t 求得单程距离 。由于用户只需被动的接 收信号，故称为被动式测距。其优点是用户无需发射信号， 因而便于隐蔽自己，用户装置也较简单，只配备接收设备 即可。为了众多用户同时工作，要求接收机钟和各卫星钟 都要和GPS 时间系统保持同步，所以对钟的稳定度提出了 很高的要求，或者要求采取特殊措施解决钟差对测距带来 的影响。
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二、单点定位和相对定位
相对定位又称为差分定位，是采用 两台以上的接收机（含两台）同步观 测相同的 GPS 卫星，以确定接收机天 线间的相互位置关系的一种方法。其 最基本的情况是用两台接收机分别安 置在基线的两端（左图），同步观测 相同的 GPS卫星，确定基线端点在世界 大地坐标系统中的相对位置或坐标差 （基线向量），在一个端点坐标已知 的情况下，用基线向量推求另一待定 点的坐标。相对定位可以推广到多台 接收机安置在若干条基线的端点，通 过同步观测 GPS卫星确定多条基线向量。
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二、单点定位和相对定位
GPS单点定位也叫绝对定位，就是采用一台接收机进行定位 的模式，它所确定的是接收机天线在WGS－84世界大地坐标系统 中的绝对位置，所以单点定位的结果也属于该坐标系统。 GPS单点定位的实质，即是空间距离后方交会。对此，在一 个测站上观测 3颗卫星获取3个独立的距离观测量就够了。但是 由于GPS采用了单程测距原理，此时卫星钟与用户接收机钟不能 保持同步，所以实际的观测距离均含有卫星钟和接收机钟不同 步的误差影响，习惯上称之为伪距。其中卫星钟差可以用卫星 电文中提供的钟差参数加以修正，而接收机的钟差只能作为一 个未知参数，与测站的坐标在数据的处理中一并求解。因此， 在一个测站上为了求解出4个未知参数（3个点位坐标分量和1个 钟差系数），至少需要4个同步伪距观测值。也就是说，至少必 须同时观测4颗卫星。
在单点定位和相对定位中，又都可能包括静态定位和 动态定位两种方式。其中静态相对定位一般均采用载波相 位观测值为基本观测量。这种定位方法是当前GPS测量定位 中精度最高的一种方法，在大地测量、精密工程测量、地 球动力学研究和精密导航等精度要求较高的测量工作中被 普遍采用。
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三、主动式测距和被动式测距
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四、用GPS定位的基本方法
前面所述的静态定位或动态定位，所依据的观测量都是所测的卫 星至接收机天线的伪距。但是，伪距的基本观测量又区分为码相位观 测（简称测码伪距）和载波相位观测（简称测相伪距）。这样，根据 GPS信号的不同观测量，可以区分为四种定位方法：
1）卫星射电干涉测量 以银河系以外的类星体作为射电源的甚长 基线干涉测量（VLBI）具有精度高，基线长度几乎不受限制等优点。 因类星体离我们十分遥远，射电信号十分微弱，因而必须采用笨重、 昂贵的大口径抛物面天线、高精度的原子钟和高质量的记录设备，所 需的设备比较昂贵，数据处理较为复杂，从而限制了该技术的应用。 GPS卫星的信号强度比类星体的信号强度大 10万倍，利用 GPS卫星射电 信号具有白噪声的特性，由两个测站同时观测一颗GPS卫星，通过测量 这颗卫星的射电信号到达两个测站的时间差，可以求得站间距离。由 于在进行干涉测量时，只把GPS卫星信号当作噪声信号来使用，因而无 需了解信号的结构，所以这种方法对于无法获得P码的用户是很有吸引 力的。其模型与在接收机间求一次差的载波相位测量定位模型十分相 似。