第三章 GPS卫星定位原理.docx

第三章 GPS 卫星定位原理本章主要介绍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 位和差分定位原理第一节 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设想在地面待定位置上安置GPS接收机，同一时刻接收4颗以上GPS卫星发射的信号 通过一定的方法测定这4颗以上卫星在此瞬间的位置以及它们分别至该接收机的距离，据此 利用距离交会法解算出测站P的位置及接收机钟差＜510SSSP 4XPYP1S4ZGPS接收机图 3-1 GPS 定位原理如图3-1,设时刻t.在测站点P用GPS接收机同时测得P点至四颗GPS卫星S,、S2、i 1 2S3、 S4 的距离 P 、 P 、 P 、 P 4，通过 GPS 电文解译出四颗 GPS 卫星的三维坐标3 4 1 2 3 4G j, Y j, Z J j = 1,2,3,4，用距离交会的方法求解P点的三维坐标（X, Y, Z）的观测方程为:式中的c为光速,+ c 6 t+ c 6 t+ c 6 t+ c 6 t3-1)<5t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（1）绝对定位即在协议地球坐标系中，利用一台接收机来测定该点相对于协议地球质心的位置，也叫单点定位这里可认为参考点与协议地球质心相重合 GPS 定位所采用 的协议地球坐标系为 WGS-84 坐标系因此绝对定位的坐标最初成果为 WGS-84 坐标2）相对定位即在协议地球坐标系中，利用两台以上的接收机测定观测点至某一地面参考点（已知点）之间的相对位置也就是测定地面参考点到未知点的坐标增量由于星 历误差和大气折射误差有相关性，所以通过观测量求差可消除这些误差，因此相对定位的精 度远高于绝对定位的精度按用户接收机在作业中的运动状态不同，则定位方法可分为（1） 静态定位即在定位过程中，将接收机安置在测站点上并固定不动。

严格说来 这种静止状态只是相对的，通常指接收机相对与其周围点位没有发生变化2） 动态定位即在定位过程中，接收机处于运动状态GPS 绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种方式即动态绝对定位、静态绝 对定位、动态相对定位和静态相对定位若依照测距的原理不同，又可分为测码伪距法定位、测相伪距法定位、差分定位等 本章将论述测码伪距和测相伪距进行绝对定位和相对定位的原理和方法最后将讲述当 前比较流行的差分 GPS 定位技术第二节 伪距测量原理1． GPS 测量的基本观测量利用 GPS 定位，不管采用何种方法，都必须通过用户接收机来接收卫星发射的信号并 加以处理，获得卫星至用户接收机的距离，从而确定用户接收机的位置 GPS 卫星到用户 接收机的观测距离，由于各种误差源的影响，并非真实地反映卫星到用户接收机的几何距离， 而是含有误差，这种带有误差的 GPS 观测距离称为伪距由于卫星信号含有多种定位信息 根据不同的要求和方法，可获得不同的观测量：1） 测码伪距观测量（码相位观测量）；2） 测相伪距观测量（载波相位观测量）(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。

多普勒积分计数法进行静态定位时，所需要的观测时间一般要数小时，它一般应用 于大地测量中干涉法测量所需的设备相当昂贵，数据处理也比较复杂，目前只用于高精度 大地点测量其广泛应用尚待进一步研究开发2． 测码伪距测量2．1 码相位测量测码伪距测量是通过测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，从而计算出接收机至卫星的距离，即p = At - c (3-2)式中：A t——传播时间；c ——光速为了测量上述测距码信号的传播时间，GPS卫星在卫星钟的某一时刻tj发射出某一测距 码信号，用户接收机依照接收机时钟在同一时刻也产生一个与发射码完全相同的码(称为复 制码)卫星发射的测距码信号经过At时间在接收机时钟的ti时刻被接收机收到(称为接收 i码)，接收机通过时间延迟器将复制码向后平移若干码元，使复制码信号与接收码信号达到 最大相关(即复制码与接收码完全对齐)，并记录平移的码元数平移的码元数与码元宽度 的乘积，就是卫星发射的码信号到达接收机天线的传播时间At，又称时间延迟测量过程 参见图 3-20111011000111100011100■ 3 ■ |0111011000111100011100日 n尸tj 尸t r-U U D I D 接收码^ （ t ）l—JL』 Ju』op11100复制码申(t j )图3-2码相位测量示意图2. 2测码伪距观测方程及其线性化GPS 采用单程测距原理，要准确地测定站星之间的距离，必须使卫星钟与用户接收机 钟保持严格同步，同时考虑大气层对卫星信号的影响。

但是，实践中由于卫星钟、接收机钟 的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟误差，导致实际测出的伪距p，与卫星 到接收机的几何距离p有一定差值二者之间存在的关系可用下式表示：p 'j(t)= p j(t)+ c81 (t)- c 8 t j (t ) + A j (t ) + A j (t ) ( 3-3 )i i i i , I g i ,T式中：p，j (t)——观测历元t的测码伪距；p j (t) 观测历元t的站星几何距离，p = At - c = c\(GPS )- t j(GPS V；;ii& (t)——观测历元t的接收机(T )钟时间相对于GPS标准时的钟差,iit = t(GPS )+51 ;i i i51 j (t) 观测历元t的卫星(S j)钟时间相对于GPS标准时的钟差,tj = tj(GPS )+51j ；A j (t)——观测历元t的电离层延迟；i,IgAj C) 观测历元t的对流层延迟i,T式( 3-3)即为测码伪距观测方程GPS 卫星上设有高精度的原子钟，与理想的 GPS 时之间的钟差，通常可从卫星播发的 导航电文中获得，经钟差改正后各卫星钟的同步差可保持在20ns以内，由此所导致的测距 误差可忽略，则由(3-3)式可得测码伪距方程的常用形式：p【j()= pj() + c 5 t (t ) + A j (t ) + A j (t ) ( 3-4)i i i i ,I g i ,T利用测距码进行伪距测量是全球定位系统的基本测距方法。

GPS 信号中测距码的码元 宽度较大，根据经验，码相位相关精度约为码元宽度的 1%则对于 P 码来讲，其码元宽度 约为29.3m，所以量测精度为0.29m而对C/A码来讲，其码元宽度约为293m，所以量测 精度为2.9m因此，有时也将C/A码称为粗码，P码称为精码可见，采用测距码进行站 星距离测量的测距精度不高在式(3-4)中，GPS观测站T的位置坐标值隐含在站星几何距离p j()中:3-5)ii=t j (t)— x (t)】+ [y j (t)— y (t)】+ L j (t)— z (t )】｝i i i式中p C)= [x , y , z卜为测站T在协议地球坐标系中的坐标向量；i i i i ip j ()= L j, y j, z 为卫星S j在协议地球坐标系中的坐标向量p j C)、0 j (t)、0 (t)的几何关系如图3-3所示ii取测站 T 的坐标初始向量为i i0 i 0 i0 i 0其改正数向量为 5|5 = ISx ,8y ,5z卜i i i i则测站T到卫星SJ的向量的方向余弦为:i式中i0值于是，Qx JQp J (t )xj0-Lj ()一 x L iJ () p J (t )i0i01()J ()一 y L m J ()> p J (t ) i0 ii0mji3-6)Qp J ()iQz Ji 0] 「 ]kJ ( )- z = nJ () p J (t )i0njii0j (t)- x (t )】+「(t)- y (t )】+ Lj (t)- z C )】I 为站星距离的近似i0i0i0将（3-5）式的站星几何距离进行线性化，取至一次微小项，有：5xp J (t ) = p J (t ) +i i 0J (t ) m J (t ) n J (t )i i i5xi5yi5zi3-7)一般在 GPS 定位数据处理中，将卫星星历中所获得的卫星坐标视为固定值，因此卫星坐标 的改正数5xj,5yj,5zjl视为零。

由此，测码伪距方程的线性化形式为:p ' j()= p j()+ Llj()i i0 i- m j ( ) - njiij (t )-8 y，+ c81 (t)+ Aj (t)+ Aj (t) (3-8)i i , I g i , T3． 测相伪距测量3．1 载波相位测量 由上节可知，测码伪距的量测精度过低，无法满足测量定位的需要如果把 GPS 信号中的载波作为量测信号，由于载波的波长短，九=19 cm ,九=24 cm ,所以对于载波LL1 L2 1而言，相应的测距误差约为1.9mm，而对于载波L而言，相应的测距误差约为2.4mm可2见测距精度很高但是，载波信号是一种周期性的正弦信号，而相位测量又只能测定其不足一个波长的部 分，因而存在着整周数不确定性的问题，使解算过程变得比较复杂在 GPS 信号中由于已用相位调整的方法在载波上调制了测距码和导航电文，因而接收 到的载波的相位已不再连续，所以在进行载波相位测量之前，首先要进行解调工作，设法将 调制在载波上的测距码和导航电文解调，重新获取载波，这一工作称为重建载波重建载波 一般可采用两种方法，一种是码相关法，另一种是平方法采用前者，用户可同时提取测距 信号和卫星电文，但是用户必须知道测距码的结构；采用后者，用户无须掌握测距码的结构， 但只能获得载波信号而无法获得测距码和导航电文。

载波相位测量是通过测量GPS卫星发射的载波信号从GPS卫星发射到GPS接收机的传 播路程上的相位变化，从而确定传播距离因而又称为测相伪距测量载波信号的相位变化可以通过如下方法测得：某一卫星钟时刻t j卫星发射载波信号申j( t.i)，与此同时接收机内振荡器复制一个与发射载波的初相和频率完全相同的参考载波申(tj)，在接收机钟时刻t被接收机收到的卫星 ii载波信号申(t )与此时的接收机参考载波信号的相位差，就是载波信号从卫星传播到接收 ii。