GPS卫星定位基本原理

P
d1
d3
d2 A
B
1)P点为激光测距卫星 2)A B C为固定于地面上 三个的卫星激光测距仪(坐标已知)
C 3)确定出P点位置
4)利用三个卫星位置在地面上有 第 四个位置 ,利用所测定的三个空间 距离交会出该地面点的位置
5.1 概述
5.GPS卫星定位的基本原理(1)
1)内容:应用测距交会原理,利用三颗以上卫星的已知空间位置 交会出地面未知点的位置
4.特点 1)适用于导航和低精度测量 2) 定位速度快； 3)可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（模
糊度）的辅助资料。
5.2 伪距测量 5.2.1伪距测量
5.2.1.1伪距测量的方法
1.卫星发出一个测距码，该测距码经过τ时间 后到达接收机；
2.接收机产生一组结构完全相同的测距码—
复制码，并通过时延器使其延迟时间τ’；
2).
观测方程 P点的三维坐标（X，Y，Z）
5.1 概述
5.GPS卫星定位的基本原理(2) 3)GPS卫星定位方法
a.依据测距的原理划分： 1）伪距法定位（测码） 2）载波相位测量定位（测相） 3）差分GPS定位
b.根据待定点的运动状态划分： 1）静态定位(绝对) 2）动态定位(相对)
c.获得定位结果的时效(补充） 1) 事后定位(静态) 2) 实时定位 (RTK)
C 3)采用无线电测距方法测得PA PB PC
4)以ABC为球心,以三个长为半径作出三 个定位球面,即可交出接收机的平面位置
B
无线电发射台或激光测距仪
➢ 飞机轮船仍旧使用的一种导航定位方法
如只有两个无线电发射台，可根据用户接收机的概略位置交会出接 收机的平面位置
5.1概述
4.近代卫星大地测量(卫星激光测距）
❖为什么不利用码的标志来推算时延值？
1.随机误差的存在：
每个测距码在产生时；测距码在传播过程中由于外界干扰产生变 形；复制码在产生时。
2.仅根据测距码中的某一标志来进行量测会带来较大 误差。利用码相关技术在自相关系数R(τ’) = max 的 情况下来确定信号的传播时间τ，实质上是采用了多 个码特征来确定τ ，排除了随机误差的影响。
5.2.1伪距测量
5.2.1.3伪距测量的原理(1)
1.三种时间系统： 1) 各颗GPS卫星的时间标准 2) 各台GPS信号接收机的时间标准 3) 统一上述时间标准的GPS时间系统
5.2.1伪距测量
2. 5.2.1.3伪距测量的原理（2）
▪ 伪噪声码从卫星到接 收天线的传播时间：
T ( R ) t( S )
dt — 卫星时钟相对于GPS时间系统的时间偏差 （可根据导航电文求得）
dT — 接收机时钟相对于GPS时间系统的时间偏 差（接收机钟差）
5.2.1伪距测量
5.2.1.3伪距测量的原理（4）
3：
T ( R ) t( S ) ( R S ) ( R S ) ( R S ) [ S t( S )][ R T ( R )] ( R S ) (dt dT )
5.2 .1伪距测量
5.2.1.1伪距测量的方法(续)
3.将两组测距码进行相关处理，直到两组测距码的 自相关系数 R(τ’)=1为止，此时，复制码已和测距 码对齐，复制码的延迟时间τ’ 就等于卫星信号的 传播时间τ；
4.将τ’ 乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。
5.2.1伪距测量
5.2.1.2为什么利用码相关法测定伪距？
5.1 概述
1.测角交会法 1)前方交会 2)恻方交会 3)后方交会
2. 测边交会法(距离交会)
测角交会法
B
P
P
A
C
A
B
前方交会
A
B
侧方交会
P
后方交会
A、B和C点坐标已知，P点坐标未知
测边（距）交会法
3. 无线电接收机或卫星
P
d1
d3
d2 A
▪ 无线电导航定位 ▪ 卫星激光测距定位
1)ABC为三个无线电信号发射台,坐标已 知 2)P为用户接收机
坐标，可从导航电文中求得
X u (t), Yu (t), Zu (t) — 用户接收天线在时元t 的三维
坐标，为待求的未知数
5.2.2伪距测量的基本方程（续）
P j {[X j (t) X u (t)]2 [Y j (t) Yu (t)]2 [Z j (t) Zu (t)]2}1/2
C(dt
5.2 伪距测量
1.伪距：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。由于各种误差的存在，与 卫星到测站的实际几何距离有一定差值。
2.两种测量值： - C／A码伪距 - P码伪距
误差20---30米 误差10米
3.伪距定位法: 由GPS接收机在某一时刻测出到达四颗以上 GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用测距交会的方 法求定接收机天线所在点的三维坐标。
伪噪声码从卫星到 达接收天线的时元
伪噪声码在其卫 星的发射时元
5.2.1伪距测量
5.2.1.3伪距测量的原理（3）
T ( R ) t( S ) ( R S ) ( R S ) ( R S ) [ S t( S )] [ R T ( R )] ( R S ) (dt dT )
dion电离层效应引起的距离偏差 dtrop对流层引起的距离偏差
5.2.2伪距定位观测方程
▪ 是卫星在轨位置和用户位置的函数，即：
{[ X j (t) X u (t)]2 [Y j (t) Yu (t)]2 [Z j (t) Zu (t)]2}1/2
X j (t), Y j (t), Z j (t) — 第j 颗卫星在时元t 的三维
伪噪声码的真 实传播时间
卫星到接收天线的真实距离：
Fra Baidu bibliotek C( R S )
卫星到接收天线的“伪距（pseudorange）”P： C
5.2.1伪距测量
5.2.1.3伪距测量的原理（5）
4.考虑电离层/对流层影响的伪距值：
P C C(dt dT ) dion dtrop
C (dt – dT ) — 时钟偏差引起的距离偏差
j
dT )
d ioj n
dj trop
▪ 上式中有4个未知数（用户三维坐标和接收机的 钟差dT ）。这样在任何一个观测瞬间，用户至 少需要同时观测4颗卫星，以便解算4个未知数。
5.3 载波相位测量(1)
1.伪距测量的不足：
测距码的码元长度较长，因此量测精度较低。 而言精度3m左右，P码约为30cm）