GPS定位原理

来源：未知发表时间：2013-09-02 浏览次数：

GPS定位方法分类

定位方法分类
按参考点的不同位置划分为：
（1）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。
（2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。
GPS定位方法分类

按用户接收机作业时所处的状态划分：
（1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。
（2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。
在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。
GPS观测量的基本概念

无论采取何种GPS定位方法，都是通过观测GPS卫星而获得某种观测量来实现的。GPS卫星信号含有多种定位信息，根据不同的要求，可以从中获得不同的观测量，主要包括：
•根据码相位观测得出的伪距。
•根据载波相位观测得出的伪距。
•由积分多普勒计数得出的伪距。
•由干涉法测量得出的时间延迟。

GPS伪距测量

伪距法定位是由GPS接收机在某一时刻测出的到四颗以上GPS卫星的伪距以及已知的卫星位置，采用距离交会的方法（原理与观测方程将随后介绍）求定接收机天线所在点的三维坐标。

什么叫伪距？

所测伪距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。由于卫星时钟、接收机时钟的误差以及无线电信号经过电离层和对流层中的延迟，实际测出的距离与卫星到接收机的几何距离有一定差值，因此一般称量测出的距离为伪距。
用C/A码进行测量的伪距为C/A码伪距，用P码测量的伪距为P码伪距。
伪距法定位特点

伪距法定位虽然一次定位精度不高，P码定位误差约为10m，C/A码定位误差为20-30m，但因其具有定位速度快，且无多值性问题等优点，仍然是GPS定位系统进行导航的最基本方法。同时，所测伪距又可作为载波相位测量中解决整波数不确定问题（整周模糊度）的辅助资料。
GPS定位的几何关系

伪距定位观测方程

假设卫星至观测站的几何距离为ij，在忽略大气影响的情况下可得相应的伪距：

当卫星钟与接收机钟严格同步时，上式所确定的伪距即为站星几何距离。

为伪距，

为真正几何距离，

为接收机和卫星之间钟差。
伪距定位观测方程

通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的导航电文中获得，经钟差改正后，各卫星之间的时间同步差可保持在20ns以内。如果忽略卫星之间钟差影响，并考虑电离层、对流层折射影响，可得：

伪距定位观测方程

几何距离

与卫星坐标（Xs, Ys, Zs）和接收机坐标（X,Y,Z）之间有如下关系：

其中卫星坐标可根据卫星导航电文求得，所以式中只包含接收机坐标三个未知数。由于电离层改正数和对流层改正数可以按照一定的模型求解出，那么如果将接收机钟差

也作为未知数，则共有四个未知数。因此，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。
伪距定位观测方程

测码伪距观测方程的常用形式如下：

式中j为卫星数，j＝1，2，3…。

第三部分 GPS导航定位原理

u.伪距测量

u. 载波相位测量
u. 绝对定位和相对定位
u. 导航原理与方法
u. GPS测量误差来源

载波相位测量的主要问题

载波相位观测的主要问题：无法直接测定卫星载波信号在传播路径上相位变化的整周数，存在整周不确定性问题。此外，在接收机跟踪GPS卫星进行观测过程中，常常由于接收机天线被遮挡、外界噪声信号干扰等原因，还可能产生整周跳变现象。有关整周不确定性问题，通常可通过适当数据处理而解决，但将使数据处理复杂化。
载波相位测量观测方程

载波相位观测的的观测量是GPS接收机所接收的卫星载波信号与接收机本振参考信号的相位差。以

表示k接收机在接收机钟面时刻tk时所接受到的j卫星载波信号的相位值，

表示k接收机在钟面时刻tk时所产生的本地参考信号的相位值，则k接收机在接收机钟面时刻tk时观测j卫星所取得的相位观测量可写为：

载波相位测量观测方程

通常的相位测量或相位差测量只是测出一周以内的相位值，实际测量中，如果对整周进行计数，则自某一初始取样时刻（t0）以后就可以取得连续的相位观测值。

载波相位测量观测方程

t0 时刻和tk 时刻的相位观测值可以写成：

接收机在跟踪卫星信号时，不断测定小于一周的相位差，并利用整周计数器记录从t0 到tk 时间内的整周数变化量Int()，这一时间段内，要求卫星信号没有中断。如果过程中卫星失锁了，那要采取其他方法进行处理。

载波相位观测量是接收机和卫星位置的函数，只有得到了它们之间的函数关系，才能从观测量中求解接收机的位置。
前述的相位差观测量都是时间的函数，那么如何引入接收机和卫星位置？
卫星信号从卫星传播到接收机需要一定时间，称为传播延迟kj(T)。在地固坐标系中，传播延迟是接收机与卫星位置的函数，也是时间的函数。

将载波相位观测量方程展开，表达为时间、卫星至接收机的距离、载波频率的函数，同时考虑电离层和对流层对卫星信号传播的影响，并做一定简化，可以得到载波相位测量的观测方程：

整周未知数和整周跳变

确定整周未知数N0是载波相位测量的一项重要工作，常用的方法有下列几种：
1、伪距法
2、经典方法－将整周未知数作为待定参数求解
3、多普勒法（三差法）
4、快速确定整周未知数法

1、伪距法
伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值（化为以距离为单位）后即可得到λ×N0。但由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的观测值取平均值后才能获得正确的整波段数。

2、经典方法
把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定。分两种方法：
（1）整数解
由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一个整数，然后将其固定为整数，并重新进行平差计算。也称为固定解（fixed solution）
（2）实数解
当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估计很准确，此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解（floating solution）