第四章 GPS卫星定位的基本原理

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GPS测量定位技术 测量定位技术第四章 学习目标 第一节 第二节 第三节 第四节 本章小结 思考题与习题 GPS定位概述 伪距法定位 载波相位测量 GPS动态定位原理本章小结

GPS卫星定位的基本原理 GPS卫星定位的基本原理

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GPS测量定位技术 测量定位技术第四章学习目标 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，伪距及其测定与计 算，动态定位的特点。 掌握GPS定位的基本概念，静态定位与动态定位，单 点定位和相对定位，伪距定位，载波相位测量原理及 载波相位测量方法。

GPS卫星定位的基本原理 GPS卫星定位的基本原理

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GPS测量定位技术 测量定位技术第一节一、静态定位与动态定位静态定位是指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。此时接收机可以连续地在不同历元同步观 测不同的卫星，获得充分的多余观测量，根据GPS卫星的 已知瞬间位置，解算出接收机天线相位中心的三维坐标。 由于接收机的位置固定不动，就可以进行大量的重复观测， 所以静态定位可靠性强，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。

GPS定位概述 GPS定位概述

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GPS测量定位技术 测量定位技术一、静态定位与动态定位准静态定位是指静止不动只是相对的。在卫星大地测量学 中，在两次观测之间(一般为几十天到几个月)才能反映出发 生的变化。 动态定位是指在定位过程中，接收机位于运动着的载体， 天线也处于运动状态的定位。动态定位是用GPS信号实时地测 得运动载体的位置。如果按照接收机载体的运行速度，还可将 动态定位分为低动态(几十米/秒)、中等动态(几百米/秒)、 高动态(几公里/秒)三种形式。其特点是测定一个动点的实 时位置，多余观测量少、定位精度较低。目前导航型的GPS接 收机，可以说是一种广义的动态定位，它除了要求测定动点的 实时位置外，一般还要求测定运动载体的状态参数，如速度、 时间和方位等。

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GPS测量定位技术 测量定位技术二、单点定位和相对定位GPS单点定位也叫绝对定位，就是采用一台接收机进行定位 的模式，它所确定的是接收机天线在WGS-84世界大地坐标系统 中的绝对位置，所以单点定位的结果也属于该坐标系统。 GPS单点定位的实质，即是空间距离后方交会。对此，在一 个测站上观测3颗卫星获取3个独立的距离观测量就够了。但是 由于GPS采用了单程测距原理，此时卫星钟与用户接收机钟不能 保持同步，所以实际的观测距离均含有卫星钟和接收

机钟不同 步的误差影响，习惯上称之为伪距。其中卫星钟差可以用卫星 电文中提供的钟差参数加以修正，而接收机的钟差只能作为一 个未知参数，与测站的坐标在数据的处理中一并求解。因此， 在一个测站上为了求解出4个未知参数(3个点位坐标分量和1个 钟差系数),至少需要4个同步伪距观测值。也就是说，至少必 须同时观测4颗卫星。

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GPS测量定位技术 测量定位技术二、单点定位和相对定位相对定位又称为差分定位，是采用 两台以上的接收机(含两台)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。其 最基本的情况是用两台接收机分别安 置在基线的两端(左图),同步观测 相同的GPS卫星，确定基线端点在世界 大地坐标系统中的相对位置或坐标差 (基线向量),在一个端点坐标已知 的情况下，用基线向量推求另一待定 点的坐标。相对定位可以推广到多台 接收机安置在若干条基线的端点，通 过同步观测GPS卫星确定多条基线向量。图4-1 相对定位示意图

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GPS测量定位技术 测量定位技术二、单点定位和相对定位由于同步观测值之间有着多种误差，其影响是相同的 或大体相同的，这些误差在相对定位过程中可以得到消除 或减弱，从而使相对定位获得极高的精度。当然，相对定 位时需要多台(至少两台以上)接收机进行同步观测。故 增加了外业观测组织和实施的难度。 在单点定位和相对定位中，又都可能包括静态定位和 动态定位两种方式。其中静态相对定位一般均采用载波相 位观测值为基本观测量。这种定位方法是当前GPS测量定位 中精度最高的一种方法，在大地测量、精密工程测量、地 球动力学研究和精密导航等精度要求较高的测量工作中被 普遍采用。

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GPS测量定位技术 测量定位技术三、主动式测距和被动式测距主动式测距(右图)是用电磁波 测距仪发射测距信号，通过另一端 的反射器反射回来，再由测距仪接 收。根据测距信号的往、返传播时 间求解出往返距离2 ρ 。由于电磁波 测距仪需在测站点上主动发出测距 信号，故称这种测距方式为主动式 测距。主动式测距只要求仪器钟自 身能在信号往、返时间段中保持稳 定，就不会影响测距精度。其缺点 是用户必须发射信号因而难以隐蔽 自己，这对军事用户十分不利。此 外要求用户同时具有发射设备和接 收设备，装置较为复杂。

图4-2 双程测距(EDM) 与单程测距(GPS)

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GPS测量定位技术 测量定位技术三、主动式测距和被动式测距被动式测距是发射站(例如卫星)在规定的时刻内准 确地发出信号，用户则根据自己的时钟记录信号到达的

时 间，根据时差 t 求得单程距离 ρ 。由于用户只需被动的接 收信号，故称为被动式测距。其优点是用户无需发射信号， 因而便于隐蔽自己，用户装置也较简单，只配备接收设备 即可。为了众多用户同时工作，要求接收机钟和各卫星钟 都要和GPS 时间系统保持同步，所以对钟的稳定度提出了 很高的要求，或者要求采取特殊措施解决钟差对测距带来 的影响。

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GPS测量定位技术 测量定位技术四、用GPS定位的基本方法 GPS定位的基本方法前面所述的静态定位或动态定位，所依据的观测量都是所测的卫 星至接收机天线的伪距。但是，伪距的基本观测量又区分为码相位观 测(简称测码伪距)和载波相位观测(简称测相伪距)。这样，根据 GPS信号的不同观测量，可以区分为四种定位方法： 1)卫星射电干涉测量 以银河系以外的类星体作为射电源的甚长 基线干涉测量(VLBI)具有精度高，基线长度几乎不受限制等优点。 因类星体离我们十分遥远，射电信号十分微弱，因而必须采用笨重、 昂贵的大口径抛物面天线、高精度的原子钟和高质量的记录设备，所 需的设备比较昂贵，数据处理较为复杂，从而限制了该技术的应用。 GPS卫星的信号强度比类星体的信号强度大10万倍，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。由 于在进行干涉测量时，只把GPS卫星信号当作噪声信号来使用，因而无 需了解信号的结构，所以这种方法对于无法获得P码的用户是很有吸引 力的。其模型与在接收机间求一次差的载波相位测量定位模型十分相 似。

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GPS测量定位技术 测量定位技术四、用GPS定位的基本方法 GPS定位的基本方法2)多普勒定位法 多普勒效应是1942年奥低利物理学家 多普勒首先发现的。它的具体内容是：当波源与观测者做相 对运动时，观测者接收到的信号频率与波源发射的信号频率 不相同。这种由于波源相对与观测者运动而引起的信号频率 的移动称为多普勒频移，其现象称为多普勒效应。根据多普 勒效应原理，利用GPS卫星较高的射电频率，由积分多普勒 计数得出伪距差。当采用积分多普勒计数法进行测 …… 此处隐藏：2883字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……