(GPS)第五章 GPS定位基本原理

第五章 GPS定位基本原理教学内容 ① GPS定位原理 ② GPS测量定位的类型； ③ 伪距法测量； ④ 载波相位测量； ⑤ 周跳的探测与修复；

⑥ 绝对定位；⑦ 相对定位； ⑧ 差分GPS。 ⑨ 美国GPS政策

第五章 GPS定位基本原理

§5.1 GPS定位概述卫星定位基本原理

测距交会原理：利用三颗以上卫星的已知空间位置， 测量之间的距离，可交会出地面未知点(用户接收机) 的位置。

第三颗卫星所确定的球面 交上述圆周于两点，其中 一点就是用户位置

GPS定位的基本原理 需解决的两个关键问题– 如何确定卫星的位置– 如何测量出站星距离

第五章 GPS定位基本原理

§5.1 GPS定位概述一、卫星定位基本原理通过GPS电文解译出该时刻卫星的三维坐标分布为：

( X j , Y j , Z j ), j 1,2,3用距离交会法求解P点的三维坐标的观测方程

12 ( X X 1 ) 2 (Y Y 1 ) 2 ( Z Z 1 ) 22 2 ( X X 2 ) 2 (Y Y 2 ) 2 ( Z Z 2 ) 2

32 ( X X 3 ) 2 (Y Y 3 ) 2 ( Z Z 3 ) 2

第五章 GPS定位基本原理

二、GPS测量定位的类型 依定位时接收机天线的运动状态– 静态定位 – 动态定位

依定位模式– 绝对定位(单点定位) – 相对定位 – 差分定位

依观测值类型– 伪距测量(伪距法定位) – 载波相位测量

第五章 GPS定位基本原理

1、静态定位和动态定位1)、静态定位 在定位过程中，接收机的位臵是固定的，处于静止状态。 这种静止状态是相对的。在卫星大地测量学中，所谓静止 状态，通常是指待定点的位臵，相对其周围的点位没有发 生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内(数天或数星 期)可以忽略。 静态定位主要应用于测定板块运动、监测地壳形变、大地 测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等领域。

第五章 GPS定位基本原理

2)、动态定位 在定位过程中，接收机 天线处于运动状态。这 种运动状态也是相对的， 通常是指待定点的位臵， 相对其周围的点位发生 显著的变化，或针对所 研究的问题和事物来说, 其状态在观测期内不能 认为是静止的可以忽略。

第五章 GPS定位基本原理

2、 绝对定位和相对定位1)、绝对定位 又称单点定位，独立确定待定点在坐标系中的绝对位臵。 由于目前GPS系统采用WGS-84系统，因而单点定位的结 果也属该坐标系统。绝对定位的优点是一台接收机即可独 立定位，但定位精度较差。 该定位模式在船舶、飞机的导航，地质矿产勘探，暗礁定 位，建立浮标，海洋捕鱼及低精度测量领域应用广泛。

第五章 GPS定位基本原理

2)、相对定位 确定同步跟

踪相同的GPS信号的若干台接收机之间的相对 位臵的方法。可以消除许多相同或相近的误差(如卫星钟、 卫星星历、卫星信号传播误差等),定位精度较高。但其 缺点是外业组织实施较为困难，数据处理更为烦琐。 在大地测量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域内 得到广泛的应用。

第五章 GPS定位基本原理

3)、差分定位 差分技术很早就被人们所应用。它实际上是在一个测站对 两个目标的观测量、两个测站对一个目标的两次观测量之 间进行求差。 其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数。在以 前的无线电定位系统中已被广泛地应用。差分定位采用单 点定位的数学模型，具有相对定位的特性(使用多台接收 机、基准站与流动站同步观测)。

第五章 GPS定位基本原理

§5.2 伪距测量 伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测出得到四颗以上 GPS卫星的伪距以及已知的卫星位臵，采用距离交会的方 法求定接收机天线所在点的三维坐标。

伪距– 伪距ρ’: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。实际距离ρ 与此该距离ρ’有一定差值故称伪距。

存在误差!

第五章 GPS定位基本原理

1、利用测距码进行测距的原理 基本思路: = · c= t · c 伪距的测定方法

相关系数： 1 R u (T t ) u (T )dt T T

第五章 GPS定位基本原理

测定伪距的示意图第五章 GPS定位基本原理 13

将测距码和数据码调制到载波上 由卫星发射机将调制信号发出 接 收 机 产 生 复 制 码

接收机收到测距码测距码和复制码作相关处理

得到信号传播时间第五章 GPS定位基本原理 14

2、伪距的测定步骤① 卫星依据自己的时钟发出某一结构的测距码，该测距码 经过 t 时间传播后到达接收机；

② 接收机在自己的时钟控制下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;③ 将这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(t) = 1为止，此时，复制码已和接收到的来自 卫星的测距码对齐，复制码的延迟时间τ就等于卫星信号 的传播时间 t;

④ 将 t乘上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。

第五章 GPS定位基本原理

三、伪距测量的观测方程 码相关法测量伪距时，有一个基本假设，即卫星钟和接 收机钟是完全同步的。

但实际上这两台钟之间总是有差异的。因而在R(t) =max 的情况下求得的时延τ就不严格等于卫星信号的传播时间 Δt,它还包含了两台钟不同步的影响在内。 此外，由于信号并不是完全在真空中传播，

因而观测值τ 中也包含了大气传播延迟误差。 在伪距测量中，一般把在R(t) =max的情况下求得的时延τ 和真空中的光速c的乘积当作观测值，需建立卫星与接收 机之间的距离同观测值之间的关系。

第五章 GPS定位基本原理

符号的含义

tj

j

表示卫星j发射信号时的卫星钟时刻 表示接收机k收到信号时的接收机钟时刻 表示卫星j发射信号时的理想GPS时刻 表示接收机k收到信号时的理想GPS时刻

tk

t (G)t k (G)

t t k

表示卫星j的信号到达接收机k的传播时间表示接收机相对于理想GPS时间的钟差(接收机钟差)

t

j

表示卫星钟相对于理想GPS时间的钟差(卫星钟差)第五章 GPS定位基本原理 17

传播时间t t (G) tj j j

卫星钟差

tk tk (G) tk卫星信号传播的时间

接收机钟差

t tk t tk (G) t (G) tk tj j

j

信号真正传播时 间第五章 GPS定位基本原理 18

空间距离如果不考虑大气折射的影响，则有：

' ct c[tk t ]j

c tk (G ) t (G ) c( tk t )j j

c( tk t )j

' c( tk t )j第五章 GPS定位基本原理

式中： p’: 伪距 c: 传播速度 t: 传播时间19

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yv3i.html