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第四章 GPS 卫星定位的基本原理. 第四章 GPS 卫星定位的基本原理. 学习目标. ● 了解 GPS 测速原理和定时 原理。 ●理解主动式测距和被动式测距、伪距 及测定与计算、动态定位的特点。 ●掌握 GPS 定位、静态定位、动态定位、 单点定位、相对定位等的基本概念和 载波相位测量方法。. 第四章 GPS 卫星定位的基本原理. 第一节 GPS 定位概述 第二节 伪距法定位 第三节 载波相位的测量 第四节 GPS 动态定位原理 本章小结. 第一节 GPS 定位概述.
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第四章GPS卫星定位的基本原理 学习目标 ●了解GPS测速原理和定时原理。 ●理解主动式测距和被动式测距、伪距 及测定与计算、动态定位的特点。 ●掌握GPS定位、静态定位、动态定位、 单点定位、相对定位等的基本概念和 载波相位测量方法。
第四章GPS卫星定位的基本原理 第一节 GPS定位概述 第二节 伪距法定位 第三节 载波相位的测量 第四节 GPS动态定位原理 本章小结
第一节 GPS定位概述 一、静态定位与动态定位 二、单点定位和相对定位 三、主动式测距和被动式测距 四、用GPS定位的基本方法
第一节 GPS定位概述 GPS的定位实质： 把卫星视为“动态”的控制点，在已知 其瞬时坐标的条件下，进行空间距离 后方交会，确定用户接收机天线所处 的位置。
第一节 GPS定位概述 定位方式： • 按接收机天线所处的状态不同 （1）静态定位 （2）动态定位 • 按参考点位置的不同 （1）单点定位 （2）相对定位。
一、静态定位与动态定位 静态定位 GPS接收机在进行定位时，待定点 的位置相对其周围的点位没有发生 变化，其天线位置处于固定不动的 静止状态。
一、静态定位与动态定位 动态定位 在定位过程中，接收机位于运动着的 载体，天线也处于运动状态的定位。 按照接收机载体的运动速度 （1）低动态（几十米/秒） （2）中等动态（几百米/秒） （3）高动态（几千米/秒）
一、静态定位与动态定位 静态定位与动态定位的不同点 静态定位 动态定位 可靠性强，定位精度高，在大地测量、工程测量中得到了广泛的应用，是精密定位中的基本模式。 可测定一个动点的实时位置、运动载体的状态参数。如速度、时间和方位等。
二、单点定位与相对定位 单点定位 在一个测站上同步观测4个伪距 观测值，求解出4个未知参数 （3个点位坐标分量和1个钟差 系数）。
二、单点定位与相对定位 相对定位（差分定位） 采用两台以上的接收 机同步观测相同的GPS 卫星，以确定接收机 天线间的相互位置关 系的一种方法。 优点： 获得较高的精度 缺点： 增加了外业组织和实施难度
三、主动式测距与被动式测距 主动式测距（双程测距） 用电磁波测距仪发射测距信号，通过 反射器反射回来，再由测距仪接收。 根据测距信号的传播时间求解距离ρ 。
三、主动式测距与被动式测距 主动式测距的优点 只要求仪器钟自身能在信号往、返 时间段中保持稳定，不影响测距精度。 主动式测距的缺点 用户须发射信号，因而难以隐蔽自己。 对军事用户十分不利。
三、主动式测距与被动式测距 被动式测距（单程测距） 发射站在规定时刻内准确发出信号，用 户根据自己的时钟记录信号到达时间， 根据时差Δt 求解距离ρ。
三、主动式测距与被动式测距 被动式测距的优点 用户无需发射信号，便于隐蔽自己； 所需装置也较简单，仅接收设备即可。 被动式测距的缺点 接收机钟和各卫星钟不能与GPS时间 系统保持绝对同步，由此所引起的 钟差对测距带来了影响。
四、GPS定位的基本方法 （一） 卫星射电干涉测量 （二） 多普勒定位法 （三） 伪距定位法 （四） 载波相位测量
（一）卫星射电干涉测量 利用GPS卫星射电信号具有白噪声的 特性，由两个测站同时观测一颗GPS 卫星，通过测量这颗卫星的射电信号 到达两个测站的时间差，可以求得站 间距离。
（二）多普勒定位法 根据多普勒效应原理，利用GPS卫星 较高的发射频率，由积分多普勒记数 得出伪距差。
（三）伪距定位法 基本原理 在某一瞬间利用GPS接收机同时测定 至少四颗卫星的伪距，根据已知的 卫星位置和伪距观测值，采用距离 交会法求出接收机的三维坐标和时 钟改正数。
（三）伪距定位法 伪距定位法的优点 • 一次位的精度并不高，但定位速度快， 经几小时的定位也可达米级。 • 若再增加观测时间，精度还可以提高。
（四）载波相位测量 把载波作为量测信号，对载波进行 相位测量可以达到很高的精度。通 过测量载波的相位而求得接收机到 GPS卫星的距离。
第二节 伪距法定位 导航定位的最基本方法 优越性 速度快、无多值性问题，利用增加 观测时间可以提高定位精度 虽然测量定位精度低，但足以满足 部分用户的需要。
第二节 伪距法定位 一、测定伪距的方法 二、伪距法定位的原理 三、伪距法定位的计算 四、伪距定位法的应用
一、测定伪距的方法 将测距码和数据码调制到载波上 接收机产生复制码 由卫星发射机将调制信号发出 接收机收到测距码 测距码和复制码作相关处理
一、测定伪距的方法 由时延器测定出两信号间的时间延迟。 在理想的情况下，时间延迟τ等于卫星信号的传播时间。将τ乘以光速c，就可以求得卫星至接收机的距离ρ。
一、测定伪距的方法 卫星钟和接收机钟不完全同步 自相关系数最大条件下求得的时延 τ和真空中光速c的乘积含有误差， 这个乘积就称为 伪距 伪距法定位 以伪距作基本观测量定位的方法
二、伪距法定位的原理 • 将观测时得到的伪距改正为卫星 至接收机之间的实际距离ρ。 —伪距 —电离层折射改正 —对流层折射改正 —卫星的钟差 —接收机的钟差
二、伪距法定位的原理 • 列出实际距离与卫星坐标和接收机 坐标的关系 —卫星坐标 —接收机坐标 （x、y、z） （X、Y、Z）
二、伪距法定位的原理 卫星坐标可以根据收到的卫星电文 求得，再对三颗卫星同时进行伪距 测量，可以求出接收机的位置。
二、伪距法定位的原理 实际应用中将接收机的钟差vta也 视作未知数，建立数学模型。 当方程式的个数大于4时，可用最小二乘法求解（X，Y，Z）和vta的最 或是值。
三、伪距法定位的计算 由伪距表达式写出误差方程 根据最小二乘原理求解得 给出测站坐标初始值，进行 迭代计算，可获得满意结果。
四、伪距法定位的应用 （1）间接相对定位 各同步测站分别进行单点定位， 求得各测站坐标，然后相减求得 坐标差。
四、伪距法定位的应用 （2）直接相对定位 当两个测站进行同步观测时， 产生两个数学式，相减后建立 起伪距定位法用于相对定位的 数学模型，然后解算出坐标差。
第三节 载波相位测量 伪距以测距码作为量测信号，因测距 码的波长较长，难以达到较高的精度。 而载波相位测量不使用测距码信号， 不受测距码控制，属于非测距码测量 系统。
第三节 载波相位测量 载波信号是一种周期性的正弦信号， 相位测量只能测定起不足一个波长 的小数部分，无法测定起正波长个 数。因而存在着整周数的不确定性 问题，使得解算过程复杂化。
第三节 载波相位测量 一、载波相位测量原理 二、载波相位测量观测方程 三、载波相位测量差分法
一、载波相位测量原理 将测距码和数据码调制到载波上 接收机产生基准信号 由卫星发射机将调制信号发出 接收机解调出纯净的载波信号 载波信号和基准信号求相位差
若在t0 时刻接收机产生的基准信号 的相位是 ，接收机接收到的 载波信号的相位是 ，若能测定 出二者相位之差 ，则 由载波波长λ就可以求出该瞬间从 卫星至接收机的距离： 一、载波相位测量原理
由载波相位观测量与接收机天线 相位中心和卫星位置的函数关系 得到线性化的载波相位测量基本 观测方程： 二、载波相位测量观测方程
二、载波相位测量观测方程 上式更多地用于相对定位。由于作 为已知量的卫星位置，其误差远比 相位观测值误差大，加之大气延迟 改正的精度也难以与相位观测的精 度匹配，所以在相对定位中常采用 差分法解决这些问题。
三、载波相位测量差分法 常用的差分法有三种形式： （一）在接收机间求一次差（单差） （二）在接收机和卫星间求二次差 （双差） （三）在接收机、卫星和观测历元间 求三次差（三差）
（一）在接收机间求一次差 将观测值直接相减的过程 叫做求一次差。所获得的 结果被当做虚拟观测值， 也叫做载波相位观测值的 一次差或单差。 单差可消去卫星钟差参数
（二）在接收机和卫星间求二次差 对载波相位观测值的一次 差分观测值继续求差，所 得的结果仍可作为虚拟观 测值，叫做载波相位观测 值的二次差或双差。 双差可消去两测站接收机的相对钟差改正
（三）在接收机、卫星和观测历元间求三次差 对二次差继续求差称为 求三次差。引入三差的 目的，主要是为了协助 解决整周未知数的问题。 三差消除了初始整周未知数项 N0。
第四节 GPS 动态定位原理 一、动态定位的特点 二、单点动态定位 三、伪距差分动态定位 四、GPS测速 五、GPS定时
一、动态定位的特点 （1）用户的广泛性 （2）定位的实时性 （3）速度的多异性 在用户天线以每秒几米到几公里的 速度相对于地球运动的情况下，需 要用GPS信号测定它们的七维状态 参数：三维坐标、三维速度、时间。
二、单点动态定位 又叫绝对动态定位。为获得瞬时定位 结果，必须至少同步观测4颗卫星， 以便获取4个同步伪距观测值，解得4 个未知参数。单点定位的基本方程为
三、伪距差分动态定位 在汽车和飞机上的差分动态定位 实验表明，载波相位测量能高有 效地用于动态定位，并且已取得 了厘米级的三维位置精度。
四、GPS测速 基于站星距离的测量，将动态用户 三维速度和接收机时钟偏差变化率 （时速）看作未知数。观测四颗在 视GPS卫星，解得四个未知数。最 后求得运动载体的运动速度。
