GPS卫星导航系统定位原理【精选】

在空tu间三用 维坐户标钟 。 差；
ri* ( X Xsi )t2Ai (Y 第Ysi )i2颗 (卫 Z Z星si )2信 C号 传 tu 播 C 延 (tA时 i ；tsi ) i 1t,2si,3,4 第i颗卫星的钟差。
3. 定位计算
1）导航仪根据其内存储的GPS历书，计算卫星的概略位置 2）导航仪根据键入的推算船位、时间、精度几何因子数值
2. 主控站：收集、评价数据，计算各卫星原子钟的校正 参量、卫星历书、卫星星历、系统状态并形 成导航信息码，送注入站； 控制和调整偏离轨道的卫星，启用备用卫星。
3. 注入站：地面站或地面天线，将导航信息送给卫星。
二、GPS导航卫星网
1. GPS导航卫星
☆ 24（21+3）颗 高轨20183km） 卫星，分布在 6 个轨道面上， 轨道倾角约 55 度，地平线 7.5 度以上至少可以看到4颗， 地平线上至少看到5颗，最多 11颗；运行周期约11 h 58 m （717.88 m），约12 h。
b. 码分多址识别： CA码：1025 种 ；P码：1444 种
c. 伪码加密 GPS数据经过CA （P）码扩频发射，又需经解扩提取
d. 精确测距
GPS卫星发射伪码和用户本机采用的基 准伪码结构相同且时间严格同步，卫星 信号经过空间传播后背用户接受，相同 结构的码之间的时间差即为传播延时。 用户本机产生的基准伪码通过码相关电 路跟踪接受伪码，形成本机跟踪伪码， 本机跟踪伪码与本机基准伪码比较，从 而测量出卫星到用户的传播延时，该延 时乘以光速即到得到“伪距离”。
选择仰角≥5°、几何配置最好的 4 颗或 3 颗卫星 3）导航仪对GPS卫星进行频率和伪码的二维搜索，码同步
后转入载波相位跟踪、检测和存储导航电文； 4）导航仪根据所测的伪距、从卫星星历算出的卫星位置、
及传播延时的计算和修正，计算出用户的位置
第二节 GPS导航系统设置
一、GPS地面站
1. 跟踪站：接收包括环境数据在内的卫星的各种信息， 并将测定的信息传送到主控站； 所测伪距1.5 s更新一次，电离层气象数据 15 min平滑一次。
ri* ri C tu C (t Ai tsi )
用户到第 i 颗ri*卫星伪的真距实离距离；:：
ri
( Xri 用X户 si )到 2 第(Yi颗 卫 Ysi星 )2 的 (真 Z 实Z距si )离2 ； XC、Y、电Z 及磁X波si、传Ysi播 、Z速 si 分度别是；用户和卫星
GPS接受机通过GPS天线接受到微弱的卫 星信号，通过前置放大器放大送至变频 器把射频（RF）信号变化成中频（IF） 信号，经过中频放大后，送至信号解扩 解调器电路，解扩解调电路的作用是： 通过码相关电路使本机跟踪伪码在时间 上和接收的卫星信号伪码对准，去处卫 星信号中的伪随机噪声码，解调出GPS 数据信号，经数据同步、滤波处理后检 出GPS卫星电文。
☆ 双频发射： L 1 波段（1 575.42 MHz）， P码、CA码和导航数据调制； L 2 波段（1 227.60 MHz）， P码和导航数据调制； 以后增加L 5 （1 176 MHz）
☆ 电源：太阳能、镉镍电池
☆ 卫星钟：原子钟1980.1.6.
☆ 微处理器、存储器、收发机、 监测传感器、应急通信转发 器、 30度波束圆极化天线
2. GPS卫星导航电文
1）P码和CA码
CA 码：低速、短周期的伪随机二进制序列码， （1.023 MHz、1ms），测距精度低，协助捕获P码
P 码：快速、长周期的伪随机二进制序列码， （10.23 MHz、7 day），测距精度高，难于捕获
优点: a. 抗干扰
CA（P）码有良好的自相关函数，使其易于在噪声背 景中被识别；不同的CA（P）码间有良好的互相关函 数，则不同的卫星信号间的相互干扰很小。
一. 卫星的地心直角坐标 系
z S（x, y, z）
x
O
y
GPS 采用 WGS84 坐标系
GPS 定位计算时必须进行 坐标系的转换。
（WGS84 坐标系转换成地 理坐标系）
格林经线零度Hale Waihona Puke Baidu
东 90 度
二、GPS的定位原理
1. 定位原理
卫星
(x,y,z)
GPS 属球面导航系统
卫星的位置根据卫星历书 计算可得
地面站
用户连续测到 3 颗卫星的 距离，即可得到三个球面， 其交点即为用户的位置
用户
r1 (X X s1)2 (Y Ys1)2 (Z Zs1)2
r2 (X X s2 )2 (Y Ys2 )2 (Z Zs2 )2
r3 (X X s3)2 (Y Ys3)2 (Z Zs3)2
三.伪测距
1.卫星及用户的时间偏差

卫 用 2.信星户号的的传时时播间钟延偏 偏迟差 差tttAusii
综和以上因素，用户利用GPS接收机测
得的距离不是用户到卫星的真距离，称 为“伪距离”，测量伪距离称为伪测距。
2. 伪测距
由于卫星钟误差、用户钟误差、信号传播误差（电离层 折射误差和对流层折射误差）等的影响， GPS接收机测 得的用户到卫星的距离不是真实距离，称为伪距离。