本篇以GPS為例介紹衛(wèi)星定位原理

GPS技術(shù)原理——衛(wèi)星信號

一,、GPS的信號結(jié)構(gòu)

• 每個GPS衛(wèi)星播發(fā)一組信號

• 每組信號包括兩個不同頻率的載波信號(L1和L2),、兩個不同的測距碼信號(C/A碼調(diào)制在L1載波上，P碼或Y碼同時調(diào)制在L1及L2載波上)以及衛(wèi)星的軌道信息

二,、C/A碼(Coarse Acqusition Code)[粗碼,、捕捉碼]

碼長1023bt

周期1ms

數(shù)碼率1.023Mbt/s,、

碼元寬293.1m。

頻率為 1.023 MHZ,，僅在L1載波上作調(diào)變,，每1023位重復(fù)一次，以 1 MHZ 的資料作調(diào)度,，提供給一般民間使用,。但基于國家安全的考慮，美國國防部刻意以無線電訊號干擾衛(wèi)星上的原子鐘,，并宣告一些不準(zhǔn)確的軌道參數(shù)來造成定位誤差,。這即是所謂的SA (Selective Availability)效應(yīng)。

Selective Availability (選擇可用性技術(shù))

SA—選擇可用性 

①ε技術(shù),，使Xi,、Yi、Zi有誤差

② δ技術(shù),，使pi有誤差

2000年5月1日,，白宮宣布從午夜開始中止對GPS公眾服務(wù)信號降低精度（SA政策)的措施。民用GPS精度將會提高10倍以上,。

三,、P碼 (Precise Code)  [精碼 ]

碼長2.35′1014比特、

周 267天(分為38部分,，分配給不同衛(wèi)星)、

周期1.5s

數(shù)碼率10.23Mbt/s

碼元寬29.3m

頻率為10.23MHZ,，每七天重復(fù)一次可同時采用L1及L2載波變,，主要提供軍事用途P碼的頻率大約是C/A碼的10倍不但更為精確，也更不易被干擾,，另外美國國防部增加了一種 A.S.碼 (Anti - Spoofing),，以將 P碼加密之后轉(zhuǎn)換成 Y碼，一般用戶無法譯碼,，因此必須加裝譯碼器,，才可取得較高精度的觀測量，況使用P(Y) 碼必須經(jīng)過相關(guān)單位的核準(zhǔn),，因此,，這種偽亂碼大部份只提供軍方來使用，現(xiàn)在美國也發(fā)展展頻技術(shù),，將可防止各種訊號的干擾,。

四、M碼

• 除了IIR衛(wèi)星,，2005年發(fā)射了波音IIF衛(wèi)星

• ⅡF批次衛(wèi)星除發(fā)射增強的L1,、L2民用信號和M碼外,，將在1176.45兆赫增加第3個民用信號（L5），位于960-1215MHZ

• L2載波上增加的第二個民用信號是L2C,，能補償大氣傳輸不穩(wěn)定性,，提高民用導(dǎo)航精度到3-10米

• M碼采用新型的調(diào)制方法，和新一代加密技術(shù),，軍用和民用碼分離

GPS技術(shù)原理——GPS定位原理

一,、距離測定原理

(1)C/A碼測距

(2)L1/L2測距

1.測距偽隨機碼

1. 每一衛(wèi)星播發(fā)一個偽隨機測距碼信號，該信號大約每1毫秒播發(fā)一次

2. 接收儀同時復(fù)制出一個同樣結(jié)構(gòu)的信號并與接收到的衛(wèi)星信號進行比較

3. 由信號的延遲時間(dT)推算出衛(wèi)星至接收儀的距

4. 接收儀時鐘應(yīng)與衛(wèi)星鐘校時

２,、載波相位測距

信號量測精度優(yōu)于波長的1/100

載波波長（?L1=19cm, ?L2=24cm)比C/A碼波長   (?C/A=293m)短得多

所以,，GPS測量采用載波相位觀測值可以獲得比偽距（C/A碼或P碼）定位高得多的成果精度

二、點位測定原理

當(dāng)只有一顆衛(wèi)星時,，我們只能確定以R1為半徑的圓上的某個點 上,。

2個球面相交成一個圓弧點位被限制在一曲線上。

3個球面相交成一個點,，3個距離段可以確定緯度,、經(jīng)度和高程點的空間位置被確定。

但是實際上因為衛(wèi)地距離是通過信號的傳播時間差Δt乘以信號的傳播速度v而得到的,。其中,，信號的傳播速度v接近于真空中的光速，量值非常大,。因此,，這就要求對時間差Δt進行非常準(zhǔn)確的測定，如果稍有偏差,，那么測得的衛(wèi)地距離就會謬以千里,。而時間差Δt是通過將衛(wèi)星處測得的信號發(fā)射時間tS與接收機處測得的信號達到的時間tR求差得到的。其中,，衛(wèi)星上安置的原子鐘,，穩(wěn)定度很高，我們認(rèn)為這種鐘的時間與GPS時吻合,；接收機處的時鐘是石英鐘,，穩(wěn)定度一般，我們認(rèn)為它的時鐘時間與GPS時存在時間同步誤差,，并將這種誤差作為一個待定參數(shù),。這樣，對于每個地面點實際上需要求解就有4個待定參數(shù),，因此至少需要觀測4顆衛(wèi)星至地面點的衛(wèi)地距離數(shù)據(jù),。

4段或更多的距離就解決了緯度，經(jīng)度，高程和時間四個未知數(shù),這就類似于測邊交會問題的解決原理,。

衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息,，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算求出接收機的三維位置,，三維方向以及運動速度和時間信息,。

三,、 GPS定位的分類

按定位方式：單點定位，相對定位（差分定位）

按接收機的運動狀態(tài)分：動態(tài)定位，靜態(tài)定位

絕對定位(單點定位)

絕對位置,，即某一坐標(biāo)系下的絕對坐標(biāo)

相對定位(差分定位)

基線向量,，即進行同步觀測的兩點間的坐標(biāo)差

１,、絕對定位

單點定位結(jié)果的獲取

單點定位解可以理解為一個后方交會問題

衛(wèi)星充當(dāng)軌道上運動的控制點,，觀測值為測站至衛(wèi)星的偽距（由時延值推算得到）

由于接收機時鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差

所以要同步觀測4顆衛(wèi)星，解算四個未知參數(shù)：經(jīng)度,、緯度 ,、高程、鐘差

常用處理方法:

(1)事后處理—— 差分—— 靜態(tài)定位

誤差為（10-8 ~ 10-6 ）,，適合于基礎(chǔ)控制網(wǎng)

(2)實時——單機 ——靜態(tài)

誤差為 ( ±30m/±15 m; ±10m; ±5m),，適合于手持機

(3) 實時動態(tài)差分(RTD/RTK) 或后處理差分

誤差為±(1~3)m/±(1~3)cm

坐標(biāo)系

空間大地坐標(biāo)系(B,L,H)；空間直角坐標(biāo)系(X,Y,Z),；高斯平面直角坐標(biāo)系(x,y,H),。

常見坐標(biāo)系

空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

1、七參數(shù)法(空間)

2,、四參數(shù)法(平面)