第五章GPS伪距测量定位
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1、第五章 GPS伪距测量定位v5.1 GPS伪距单点定位v5.2 GPS伪距差分定位v5.3 DGPS数据链5.1 GPS伪距单点定位vGPS卫星全球定位系统，是由GPS卫星星座、地面监控系统和GPS信号接收机组成的，这也构成了金星被动式定位必备的三大基本条件：v（1）导航卫星及其导航定位信号，由若干颗导航卫星组成导航定位信号，供用户接收使用。v（2）导航电文，每颗导航卫星用导航电文的形式实时地报告自己的现势位置，以便用户获取用于位置解算的动态已知点。它是由地面监控系统测定的，并定期地注入到各颗卫星。v（3）卫星信号接收设备，它能够接收、跟踪、变换和测量来自导航卫星的导航定位信号，而且能够实时地
2、计算和显示出用户所需要的时间、位置和速度测量值。被动式定位的基本条件GPS伪距测量vGPS被动式定位，是基于被动式测距原理。依该原理测量用户至GPS卫星的距离（简称为站星距离）时，GPS信号接收机只接收来自GPS卫星的导航定位信号，不发射任何信号。因此，存在三种时间系统：v（1）各颗GPS卫星的时间标准；v（2）各台GPS信号接收机的时间标准；v（3）统一上述两种时间标准的GPS时间系统（简称为GPS时系）。3种时间系统的相互关系v伪噪声码（C/A码或P码）从GPS卫星到GPS信号接收天线的传播时间：)()(SRtT伪噪声码从GPS卫星到GPS信号接收天线的时元)(RT)(St伪噪声码在其GP
3、S卫星的发射时元（5.1.1）改写（5.1.1）)()()()()()()()()(dTdtTttTSRRRSSSRSRSRSRdtGPS卫星时钟相对于GPS时间系统的时间偏差，可依据卫星导航电文给出的星钟A系数求得，故可将其视为已知值。)(SStdtdTGPS信号接收机时钟相对于GPS时间系统的时间偏差（简称为接收机钟差）)(RRTdT（5.1.2）从式（5.1.2）可知：（1） ，是伪噪声码的真实传播时间，它相应于GPS信号接收天线和GPS卫星之间的真实距离（），亦即dSRCC)(dSR（2）GPS信号接收只能够测得一个带时钟偏差（dt-dT）的传播时间；而不能够测得真实传播时间 ，以传播
4、时间求得的距离，叫做“伪距”(P=C)。亦即，GPS信号接收机只能够测得带有距离偏差的站星距离伪距。换言之，伪距是带有距离偏差的站星距离。d GPS信号通过电离层/对流层到达地面，若考虑到电离层/对流层引起的距离偏差，则知用伪噪声码测得的伪距为tropiondddTdtCCP)(PGPS信号接收机测得的伪距；C(dt-dT)时钟偏差引起的距离偏差；dion电离层效应引起的距离偏差，其最大值， 对L1而言，可达160m，对L2而言，则达270m；dtrop对流层引起的距离偏差，它随着用户高程及其气象要素的不同而变化。 Xj(t), Yj(t), Zj(t)第j颗GPS卫星在时元t的三维坐标，它们
5、可依导航电文提供的GPS星历算得，即为已知数； Xu(t), Yu(t), Zu(t)用户的GPS信号接收天线在时元t的三维坐标，这是待求解的未知数。 此外，还有一个接收机钟差dT是待求解的未知数，因此，至少要观测4颗GPS卫星。 jtropjionjujujujjdddTdtCtZtZtYtYtXtXP)()()()()()()(2/ 1222伪距单点定位v单点定位 是用户只用一台GPS信号接收机，测得自己的现势位置。v一般采用GPS卫星所发送的C/A码或P码作测距信号，测得用户至GPS卫星的距离，进而解算出用户的三维坐标。用一台GPS信号接收机作单点定位GPS信号接收机GPS卫星AGPS卫
6、星CGPS卫星BGPS卫星DGPS导航定位信号XYZOEU卫星Sjj(t)Rj(t)Ru(t)被动式定位的基本原理用户在时元t的位置为)()()(ttRtRjjuRu(t)GPS用户在时元t的位置矢量；Rj(t) 第j颗GPS卫星在时元t的位置矢量；j(t)GPS用户和第j颗GPS卫星在时元t的矢径 若用e表示用户到第j颗卫星的单置矢量（方向余弦），并考虑到)()(ttejj)()()(ttRetRejjjuj)()()(ujjjBBtPt则有站星距离Pj(t)GPS信号接收机所测得的用户天线和第j颗GPS卫星之 间的伪距Bu 接收机时钟相对于GPS时系之偏差所引起的距离偏差Bj 第j颗GPS
7、卫星时钟相对于GPS时系之偏差所引起的距离偏差用户位置为jjjuuBtPtReBtRe)()()(321)()()()()()()()(jjjjjjjjuuuukejeieetkZtjYtiXtRtkZtjYtiXtR)()()()()()()(321321tPBtZetYetXeBtZetYetXejjjjjjjjuujujuj（5.1.9）（5.1.10）（5.1.11）式（5.1.11）为被动式定位的基本方程。 当j=1,2,3,4时，则有如（5.1.11）式的4个线性方程，其矩阵形式如下：)()()()()()()()(000000000000)()()()(1111432143214
8、321434241333231232221131211tPtPtPtPtStStStSEEEEtBtZtYtXeeeeeeeeeeeeuuuu1321jjjjeeeE TjjjjjBtZtYtXtS)()()()(上式中的矩阵 若令1coscossinsinsin1coscossinsinsin1coscossinsinsin1coscossinsinsin111144444333332222211111434241333231232221131211EAEAEEAEAEEAEAEEAEAEeeeeeeeeeeeeGu4321000000000000EEEEAuTTTuuuutPtPtPtPt
9、PtStStStStStBtZtYtXtX)()()()()()()()()()()()()()()(43214321 其中，Ej第j颗卫星的高度角； Aj第j颗卫星的方位角。则知在时元t伪距测量的用户位置矩阵)()()(tPtSAtXGuu)()()(tPtSAGtXGGuTuuTu)()()()(1tPtSAGGGtXuTuuTu根据矩阵平差原理求得用户在时元t的位置矩阵 式（5.1.13）为GPS伪距单点被动式定位的三维位置方程。依此可以解算出用户在时元t的三维坐标和用户时钟偏差。（5.1.13） 式（5.1.13）的迭代计算是（1）假定一个用户初始位置（Xu0 Yu0 Zu0）和一个用
10、户时钟距 离偏差du0；（2）用已知的卫星在轨位置（Xj Yj Zj）和时钟距离偏差Bj，以 及假定的用户初始位置（Xu0 Yu0 Zu0），计算出方向系数eji（j=1,2,3,4;i=1,2,3)，而求得几何矩阵；（3）用测得的伪距Pj组成站星距离矩阵P(t)；（4）推求转置矩阵 和逆矩阵 ；（5）按式（5.1.13）计算出X(t)，直到第(n+1)次解算的X(t)n+1X(t)n为止。一般作四次迭代计算，即可达到目的。 当进行迭代计算时，如果所给定的用户位置初始值愈接近实际位置，迭代次数就愈少。因此，对动态用户，特别是高动态用户，选取适宜的初始位置，是值得特别注意的。TuG1)(uTuG
11、G机载GPS信号接收天线和摄站的三维坐标名称时元/s飞机实时位置RMS/mPDOP X/m Y/m Z/mGPS263526.016-2207623.021 4449448.840 4000085.5400.1163.83GPS263527.040-2207742.894 4449342.038 4000158.2080.1063.38摄站263527.298-2207773.569 4449316.624 4000175.6370.1083.38GPS263528.064-2207864.644 4449241.169 4000227.3850.1153.38GPS263529.088-22
