GPS導(dǎo)航定位原理介紹

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1、Slide1定位方法分類按參考點的不同位置劃分為：（1）絕對定位（單點定位）：在地球協(xié)議坐標(biāo)系中，確定觀測站相對地球質(zhì)心的位置。（2）相對定位：在地球協(xié)議坐標(biāo)系中，確定觀測站與地面某一參考點之間的相對位置。GPS定位方法分類Slide2按用戶接收機(jī)作業(yè)時所處的狀態(tài)劃分：（1）靜態(tài)定位：在定位過程中，接收機(jī)位置靜止不動，是固定的。靜止?fàn)顟B(tài)只是相對的，在衛(wèi)星大地測量中的靜止?fàn)顟B(tài)通常是指待定點的位置相對其周圍點位沒有發(fā)生變化，或變化極其緩慢，以致在觀測期內(nèi)可以忽略。（2）動態(tài)定位：在定位過程中，接收機(jī)天線處于運(yùn)動狀態(tài)。在絕對定位和相對定位中，又都包含靜態(tài)和動態(tài)

2、兩種形式。GPS定位方法分類Slide3GPS觀測量的基本概念無論采取何種GPS定位方法，都是通過觀測GPS衛(wèi)星而獲得某種觀測量來實現(xiàn)的。GPS衛(wèi)星信號含有多種定位信息，根據(jù)不同的要求，可以從中獲得不同的觀測量，主要包括：?根據(jù)碼相位觀測得出的偽距。?根據(jù)載波相位觀測得出的偽距。?由積分多普勒計數(shù)得出的偽距。?由干涉法測量得出的時間延遲。Slide4GPS觀測量的基本概念采用積分多普勒計數(shù)法進(jìn)行定位時，所需觀測時間較長，一般數(shù)小時，同時觀測過程中，要求接收機(jī)的震蕩器保持高度穩(wěn)定。干涉法測量時，所需設(shè)備較昂貴，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。這兩種方法在GPS定位中，尚難以

3、獲得廣泛應(yīng)用。目前廣泛應(yīng)用的基本觀測量主要有碼相位觀測量和載波相位觀測量。Slide5GPS偽距測量偽距法定位是由GPS接收機(jī)在某一時刻測出的到四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用距離交會的方法（原理與觀測方程將隨后介紹）求定接收機(jī)天線所在點的三維坐標(biāo)。Slide6什么叫偽距？所測偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時間乘以光速所得出的量測距離。由于衛(wèi)星時鐘、接收機(jī)時鐘的誤差以及無線電信號經(jīng)過電離層和對流層中的延遲，實際測出的距離與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離有一定差值，因此一般稱量測出的距離為偽距。用C/A碼進(jìn)行測量的偽距為C/A

4、碼偽距，用P碼測量的偽距為P碼偽距。Slide7偽距法定位特點偽距法定位雖然一次定位精度不高，P碼定位誤差約為10m，C/A碼定位誤差為20-30m，但因其具有定位速度快，且無多值性問題等優(yōu)點，仍然是GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的最基本方法。同時，所測偽距又可作為載波相位測量中解決整波數(shù)不確定問題（整周模糊度）的輔助資料。Slide8sj(t1)sj(t2)XYZYiXiZi?ij(t1)?ij(t2)GPS定位的幾何關(guān)系Slide9偽距定位觀測方程假設(shè)衛(wèi)星至觀測站的幾何距離為?ij，在忽略大氣影響的情況下可得相應(yīng)的偽距：當(dāng)衛(wèi)星鐘與接收機(jī)鐘嚴(yán)格同步時，上式所確

5、定的偽距即為站星幾何距離。為偽距，為真正幾何距離，為接收機(jī)和衛(wèi)星之間鐘差。Slide10通常GPS衛(wèi)星的鐘差可從衛(wèi)星發(fā)播的導(dǎo)航電文中獲得，經(jīng)鐘差改正后，各衛(wèi)星之間的時間同步差可保持在20ns以內(nèi)。如果忽略衛(wèi)星之間鐘差影響，并考慮電離層、對流層折射影響，可得：偽距定位觀測方程Slide11偽距定位觀測方程幾何距離與衛(wèi)星坐標(biāo)（Xs,Ys,Zs）和接收機(jī)坐標(biāo)（X,Y,Z）之間有如下關(guān)系：其中衛(wèi)星坐標(biāo)可根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文求得，所以式中只包含接收機(jī)坐標(biāo)三個未知數(shù)。由于電離層改正數(shù)和對流層改正數(shù)可以按照一定的模型求解出，那么如果將接收機(jī)鐘差也作為未知數(shù)，則共有四個未知

6、數(shù)。因此，接收機(jī)必須同時至少測定四顆衛(wèi)星的距離才能解算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)值。Slide12測碼偽距觀測方程的常用形式如下：偽距定位觀測方程式中j為衛(wèi)星數(shù)，j＝1，2，3…。Slide13第三部分GPS導(dǎo)航定位原理偽距測量載波相位測量絕對定位和相對定位導(dǎo)航原理與方法GPS測量誤差來源Slide14GPS載波相位測量載波相位測量是測量接收機(jī)接收到的具有多普勒頻移的載波信號，與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差，通過相位差來求解接收機(jī)位置。由于載波的波長遠(yuǎn)小于碼長，C/A碼碼元寬度293m，P碼碼元寬度29.3m，而L1載波波長為19.03cm，L2載波波長

7、為24.42cm，在分辨率相同的情況下，L1載波的觀測誤差約為2.0mm，L2載波的觀測誤差約為2.5mm。而C/A碼觀測精度為2.9m，P碼為0.29m。載波相位觀測是目前最精確的觀測方法。Slide15載波相位觀測的主要問題：無法直接測定衛(wèi)星載波信號在傳播路徑上相位變化的整周數(shù)，存在整周不確定性問題。此外，在接收機(jī)跟蹤GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測過程中，常常由于接收機(jī)天線被遮擋、外界噪聲信號干擾等原因，還可能產(chǎn)生整周跳變現(xiàn)象。有關(guān)整周不確定性問題，通?？赏ㄟ^適當(dāng)數(shù)據(jù)處理而解決，但將使數(shù)據(jù)處理復(fù)雜化。載波相位測量的主要問題Slide16載波相位測量觀測方程載波相

8、位觀測的的觀測量是GPS接收機(jī)所接收的衛(wèi)星載波信號與接收機(jī)本振參考信號的相位差。