第四章 GPS卫星定位的基本原理
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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。
图4-1 相对定位示意图
GPS测量定位技术
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。
GPS测量定位技术
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
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
GPS测量定位技术
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。
百度文库
GPS测量定位技术
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。
GPS测量定位技术
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。
图 4 - 2 双程测距（ EDM） 与单程测距（GPS）
GPS测量定位技术
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。
GPS定位概述
GPS测量定位技术
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。
GPS测量定位技术
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。
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。
GPS测量定位技术
三、主动式测距和被动式测距
•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。
GPS测量定位技术
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4-1 相对定位示意图
GPS测量定位技术
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。
GPS测量定位技术
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
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
GPS测量定位技术
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。
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GPS测量定位技术
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。
GPS测量定位技术
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。
图 4 - 2 双程测距（ EDM） 与单程测距（GPS）
GPS测量定位技术
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。
GPS定位概述
GPS测量定位技术
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。
GPS测量定位技术
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。
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。
GPS测量定位技术
三、主动式测距和被动式测距
•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。
GPS测量定位技术
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。