导航系统的基本原理.docx

GPS导航系统的基本原理GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就 可知道接收机的具体位置要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查 出而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气 层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR,）：当GPS卫星正常工作 时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文GPS系统使用的伪码一 共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微 秒，相当于300m；巳码频率10.23MHz,重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m而Y码是 在P码的基础上形成的，保密性能更佳导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、 大气折射修正等信息它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的导航电文每个主帧 中包含5个子帧每帧长6s前三帧各10个字码;每三十秒重复一次，每小时更新一次后两帧共15000b 导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。

当用户接受 到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文 中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可 得知可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星 星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z夕卜，还要引进一个At!卩卫星与接收机之间 的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来所以如果想知道接收机所处的位置，至少 要能接收到4个卫星的信号GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息：用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的 预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历,精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）； 以及GPS系统信息，如卫星状况等GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故 称为伪距对CA码测得的伪距称为CA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距， 精度约为2米左右GPS接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载 波。

严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与 接收机本机振荡产生信号相位之差一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可 记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数 也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算相位观测值的精度高至毫米，但前提是 解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级 的定位精度也只能采用相位观测值按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位 （差分定位）单点定位就是根据一台接收机的观测数据 来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位相对定位（差分定位） 是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用 相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受 到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱,因此定位精度将大大提高， 双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离 较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法, 确定待测点的位置如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接 收机的时间△，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式28颗卫星（其中4颗备用）早已升空，分布在6条交点互隔60度的轨道面上，距离地面约20000千米已经实现单机导航精度约为10米，综合定位的话，精度可达厘米级和毫米级但民用领域开放的精度约为10米。