第五章 GPS卫星定位基本原理

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1、2022-6-11第五章 GPS卫星定位基本原理2022-6-125.GPS卫星定位基本原理 5.1 概述 5.2 伪距测量（重点） 5.3 载波相位测量（重点和难点） 5.4 整周跳变的修复 5.5 GPS绝对定位与相对定位 5.6 美国的GPS政策 5.7 差分GPS定位原理（重点和难点）2022-6-135.1 概述2022-6-14测距交会 如图所示，A、B为坐标已知的控制点，P为待求点，在A、B两点已分别利用全站仪测了距离Sa和Sb。 222222()()()()apapabpbpbSxxyySxxyy2022-6-15无线电导航定位系统 设想在地面上有三个无线电信号发射台，其坐标为

2、已知，用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机至三个发射台的距离d1、d2、d3。只需以三个发射台为球心，以d1、d2、d3为半径作出三个定位球面，即可交会出用户接收机的空间位置。2022-6-16无线电导航定位系统 如果只有两个无线电发射台，则可根据用户接收机的概略位置交会出接收机的平面位置。2022-6-17卫星激光测距系统 近代卫星大地测量中的卫星激光测距定位也是应用了测距交会定位的原理与方法。虽然用于激光测距的卫星是在不停地运动中，但总可以利用固定于地面上的三个已知点上的卫星激光测距仪同时测定某一时刻至卫星的空间距离，应用测距交会的原理便可确定该时刻卫星的空间位置。20

3、22-6-18GPS定位基本原理 将无线电信号发射台从地面电搬到卫星上，组成一颗卫星导航定位系统，应用无线电测距交会原理，便可由三个以上地面已知点交会出卫星的位置，反之利用三颗以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点的位置。这便是GPS卫星定位的基本原理。演示动画2022-6-19GPS定位基本原理 GPS卫星发射测距信号和导航电文，导航电文含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以上的卫星信号，测量出测站点(接收机的天线中心)P到三颗以上卫星的距离并解算出该时刻卫星的空间坐标，据此利用距离交会法解算出测站点P的位置。2022-6-110GPS定位基本原理 如图所示，设在

4、时刻t在测站点P用GPS接收机同时测得P点至三颗GPS卫星的距离，通过GPS电文解译出该时刻三颗GPS卫星的三维坐标，用距离交会的方法求得P点的三维坐标。21 21 21 212222222223 23 23 23()()()()()()()()()XXYYZZXXYYZZXXYYZZ2022-6-111GPS定位方法 GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分:2022-6-1121、根据定位所采用的观测值 1)伪距定位 2)载波相位定位2022-6-1132、根据定位时接收机的运动状态静态定位对于固定不动的待定点，

5、将GPS接收机安装在上面，观测数分钟乃至更长的时间，以确定该点的三维坐标。2022-6-1142、根据定位时接收机的运动状态动态定位至少有一台接收机处于运动状态，测定的是各观测时刻运动中的接收机的点位。2022-6-1153.根据定位的模式 绝对定位 独立确定待定点在坐标系统中的绝对位置的方法称为绝对定位或单点定位。2022-6-1163.根据定位的模式 相对定位 相对定位是确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置的一种定位方法。2022-6-1173.根据定位的模式 差分定位 在基准点上观测求得大气折射等改正，并及时发送给流动站，流动站用收到的改正数对观测数据进行改正，得

6、精确点位。2022-6-1184.根据获取定位结果的时间 实时定位 实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。2022-6-1194.根据获取定位结果的时间 非实时定位 非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位的方法。2022-6-120小结2022-6-1215.2 伪距测量2022-6-1225.2 伪距测量 定义 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卫星的伪距以及己知的卫星位置，采用距离交会的方法求定接收机天线所在点的三维坐标。2022-6-1235.2 伪距测量 所测伪距就是由卫星发射的测距码信号到达GP

7、S接收机的传播时间乘以光速所得出的量测距离。演示动画2022-6-1245.2 伪距测量 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的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此称量测出的距离为伪距。2022-6-125伪距测量原理2022-6-126伪距测量原理方程12jkc tc t 伪距测量值; 卫星至接收机的几何距离;c 为信号传播速度，即光速; 接收机钟差，下标k表示接收机号; 卫星钟差，上标j表示卫星号; 分别为电离层、对流层改正项;ktjt122022-6-127伪距定位观测方程 在上式中，电离层和对流层改正可以按照一定的模型进行计算，卫星钟差可以

8、自导航电文中取得。而几何距离与卫星坐标(Xs,Ys,Zs )与接收机坐标(X,Y,Z)之间有如下关系:2222()()()sssXXYYZZ2022-6-128伪距定位观测方程 式中卫星坐标可根据卫星导航电文求出，所以式中只有接收机坐标三个未知数。 如果将接收机钟差也作为未知数，则共有四个未知数，接收机必须同时至少测定四颗卫星的距离才能解算出接收机的三维坐标值.因此上两式可写成:222 1/212()()() jjjssskjjjjXXYYZZc tc t2022-6-1295.3 载波相位测量2022-6-130为什么采用载波相位测量 载波相位测量是利用GPS卫星发射的载波为测距信号。 由于

9、载波的波长(L119cm，L224cm) 比测距码波长(C/A=293m,p=29.3m)要短得多，因此对载波进行相位测量，就可能得到较高的测量定位精度。2022-6-131重建载波 码相关法 平方法2022-6-1325.3.1 载波相位测量原理2022-6-1335.3.1 载波相位测量原理 测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成：(1)初始整周未知数N0；(2)t0至ti时刻的整周记数 Int（） ；(3)小于一周的 相位差(t)如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数N0 ，为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值0( )( )( )(

10、 )jjjkikikitttNInt2022-6-1345.3.2 载波相位测量的观测方程12jjkabkffff tf tNccc 2022-6-1355.3.3 整周未知数N0的确定 整周未知数N0的确定是载波相位测量中特有的问题，也是进一步提高GPS定位精度、提高作业速度的关键所在。 目前，确定整周未知数的方法主要有四种：伪距法、N0作为未知数参与平差法、三差法和快速确定整周未知数法。 2022-6-136载波相位观测应注意：整周数的变化部分由计数器记录，此间信号不能间断，如果此间到达接收机的信号被遮挡，造成失锁，遮挡期间整周记数暂停，遮挡移去后继续记数，这就丢掉了遮挡期间的若干整周数。

11、这种情况叫整周跳整周跳。引起周跳的另一原因是强电磁干扰。设卫星与接收机的相对运动速度为1km/s，L1载波波长为19cm，信号间断1秒钟，产生1000/0.19=5263周的周跳。2022-6-137载波相位观测应注意：因各项误差影响，整周未知数往往不为整数。2022-6-1385.4 整周跳变的修复2022-6-139 任意时刻ti的载波相位测量的实际量值为：0( )( )jjkitNInt 0jN( )Int 小于一周的相位差 初始时刻t0的整周数 从初始时刻t0到ti时刻为止用计数器逐个累计 的差频信号的整周数2022-6-140什么是周跳 如果在跟踪卫星过程中，由于某种原因，如卫星信号