1、GPS导航原理与应用导航原理与应用 接收机工作原理与伪距测量定位接收机工作原理与伪距测量定位宇航学院航天导航、制导与控制系刘昊上节回顾上节回顾22023-1-1 伪随机码测距原理伪随机码测距原理（1）基本原理（2）测距模糊度（3）抗干扰特性 GPS伪随机码及其特性伪随机码及其特性（1）P码和C/A码（2）导航电文D码本节概述本节概述32023-1-1 GPS接收机工作原理接收机工作原理（1）码的捕获（2）码的锁定跟踪（3）电文码解调伪距测量定位伪距测量定位（1）GPS定位的基本概念（2）伪距测量的绝对定位4测距定位分三步：捕获、锁定跟踪、解调计算2023-1-15.1 GPS接收机基本工作原理
2、接收机基本工作原理5码的捕获是检测伪随机码与本地码相关输出的极大值。步骤：1.选取某一初相位的本地码与接收到的卫星码进行相关检测，如果输出电平低，则移动本地码（通常移动半个码元）；2.再看相关输出，如果仍为低电平，则再次移动本地码，直到取得最大相关输出。2023-1-15.1 GPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理62023-1-15.1 GPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理7 tDtPts tPtDtPtPtstDGPS发送扩频调制信号接收机对该信号进行解调，得到D码P(t)D(t)P(t)D(t)P(t)D(t)调制解调2023-1-15.1 GPS接收机基本工作原理接收机基本工
3、作原理2023-1-18 载波的跟踪 伪随机码都是调制在载波信号上发射并接收的。5.1 GPS接收机基本工作原理接收机基本工作原理 接收机通道 一个信号通道跟踪多个卫星信号，如序贯通道和多路复用通道。多个分离的硬件通道，每个通道连续跟踪一个卫星，称为多通道接收机。动态导航定位大多采用这种通道的接收机。目前，已有12通道的GPS接收机，可同时跟踪观测12颗GPS卫星。几个基本概念几个基本概念o 绝对定位与相对定位绝对定位与相对定位 （1 1）绝对定位）绝对定位 在一个待定点上，利用在一个待定点上，利用GPS接收机观测接收机观测4颗颗以上的以上的GPS卫星，独立确定待定点在地固坐标卫星，独立确定待
4、定点在地固坐标系的位置（目前为系的位置（目前为WGS-84坐标系），称之为坐标系），称之为绝对定位。绝对定位。5.2 GPS伪距测量定位伪距测量定位主要问题：主要问题：易受卫星星历误差和大气延迟误差的影响易受卫星星历误差和大气延迟误差的影响定位精度较低定位精度较低 绝对定位的优点：绝对定位的优点：1.只需用一台接收机即可独立定位，只需用一台接收机即可独立定位，2.观测的组织与实施简便，观测的组织与实施简便，3.数据处理简单。数据处理简单。在舰船、飞机、车辆导航、地质矿产勘探、陆军、在舰船、飞机、车辆导航、地质矿产勘探、陆军、空降兵等作战中应用广泛空降兵等作战中应用广泛5.2 GPS伪距测量定位
5、伪距测量定位（2）相对定位）相对定位 在两个或若干个测量站上，设置在两个或若干个测量站上，设置GPS接收机，接收机，同步跟踪观测相同的同步跟踪观测相同的GPS卫星，测定它们之间卫星，测定它们之间的相对位置，称为相对定位。的相对位置，称为相对定位。知道其中一点或几个点在知道其中一点或几个点在WGS-84坐标系的坐标，坐标系的坐标，称之为基准点。称之为基准点。5.2 GPS伪距测量定位伪距测量定位 用几点同步观测用几点同步观测GPS卫星的数据进行定位卫星的数据进行定位 有效地削除或减弱许多相同的或基本相同的误差，如卫有效地削除或减弱许多相同的或基本相同的误差，如卫星钟的误差、卫星星历误差、卫星信号
6、在大气中的传播星钟的误差、卫星星历误差、卫星信号在大气中的传播延迟误差和延迟误差和SA的影响等，的影响等，可获得很高的定位精度。可获得很高的定位精度。相对定位的优点：相对定位的优点：各站接收机必须同步跟踪观测相同的卫星各站接收机必须同步跟踪观测相同的卫星 作业组织和实施较为复杂作业组织和实施较为复杂 两点间的距离受到限制，一般在两点间的距离受到限制，一般在1000km以内以内相对定位的缺点：相对定位的缺点：5.2 GPS伪距测量定位伪距测量定位 （3）差分定位（）差分定位（DGPS）相对定位的一种特殊应用相对定位的一种特殊应用 高精度相对定位采用的是载波相位测量定位高精度相对定位采用的是载波相
7、位测量定位 差分定位则采用伪随机码伪距测量定位差分定位则采用伪随机码伪距测量定位 基本方法：基本方法：在定位区域内，在一个或若干个已知点上设置在定位区域内，在一个或若干个已知点上设置GPS接收机作接收机作 为基准站，连续跟踪观测视野内所有可见的为基准站，连续跟踪观测视野内所有可见的GPS卫星的伪距，卫星的伪距，经与已知距离比对，求出伪距修正值（称为差分修正参数），经与已知距离比对，求出伪距修正值（称为差分修正参数），通过数据传输线路，按一定格式发播测区内的所有待定点接通过数据传输线路，按一定格式发播测区内的所有待定点接 收机，除跟踪观测收机，除跟踪观测GPS卫星伪距外，同时还接收基准站发来卫星
8、伪距外，同时还接收基准站发来 的伪距修正值，对相应的的伪距修正值，对相应的GPS卫星伪距进行修正。卫星伪距进行修正。5.2 GPS伪距测量定位伪距测量定位差分定位精度：差分定位精度：修正参数改正观测伪距修正参数改正观测伪距 大大消减卫星星历误差、电离层和对流层延迟误大大消减卫星星历误差、电离层和对流层延迟误 差及差及SA的影响的影响 提高定位精度提高定位精度，定位精度可达定位精度可达1015m，事后处，事后处 理的定位精度可达理的定位精度可达35m。但需要数据传播路线，用户接收机要有差分数但需要数据传播路线，用户接收机要有差分数 据接口据接口 一个基准站的控制距离约在一个基准站的控制距离约在2
9、00 300km范围范围5.2 GPS伪距测量定位伪距测量定位 静态定位与动态定位静态定位与动态定位（1）静态定位）静态定位 若待定点相对于地固坐标系，没有可觉察到的运动，若待定点相对于地固坐标系，没有可觉察到的运动，或者虽有微小的运动，但在一次观测期间（数小时或若或者虽有微小的运动，但在一次观测期间（数小时或若干天）无法觉察到，确定这样的待定点位置，称为干天）无法觉察到，确定这样的待定点位置，称为静态静态定位定位。基本特点是：基本特点是：待定点的位置参数（坐标）是个常量，且无速度分量待定点的位置参数（坐标）是个常量，且无速度分量 其基本任务，就是确定点位坐标其基本任务，就是确定点位坐标 可通
10、过大量的重复观测，以提高定位精度可通过大量的重复观测，以提高定位精度5.2 GPS伪距测量定位伪距测量定位（2）动态定位）动态定位 若待定点相对于地固坐标系有显著的运动，则这样的点若待定点相对于地固坐标系有显著的运动，则这样的点的定位称为的定位称为动态定位。动态定位。可分为：可分为：一是一是导航动态定位导航动态定位 需实时地确定用户的位置和速度，并根据预先选定的终点需实时地确定用户的位置和速度，并根据预先选定的终点和运动路线，引导用户沿预定航线到达目的地。和运动路线，引导用户沿预定航线到达目的地。另一种是另一种是精密动态定位精密动态定位 精确确定用户各个时刻的位置和速度。精确确定用户各个时刻的
11、位置和速度。精密动态定位精度要求较高，如定位误差小于精密动态定位精度要求较高，如定位误差小于0.1 m，测速，测速小于小于0.01 m/s。5.2 GPS伪距测量定位伪距测量定位 伪距测量绝对定位伪距测量绝对定位o 1、基本观测量与定位模型、基本观测量与定位模型 利用利用伪随机码测距的原理伪随机码测距的原理，其实质就是通过，其实质就是通过接收机的本地码与卫星信号的伪随机码进行相接收机的本地码与卫星信号的伪随机码进行相关处理，测定信号从卫星至接收机的传播时关处理，测定信号从卫星至接收机的传播时间间 。基本观测量基本观测量 与时钟密切相关，因此先引入与时钟密切相关，因此先引入时间符号：时间符号：表
12、示统一的表示统一的 标准时；标准时；表示卫星表示卫星 时钟的表面时；时钟的表面时；表示接收机表示接收机 时钟时钟 的表面时。的表面时。)(GPSTGPSstsktk5.2 GPS伪距测量定位伪距测量定位 设卫星钟和接收机时钟相对于设卫星钟和接收机时钟相对于 标准标准 时的钟差分别为时的钟差分别为 和和 ，其定义为，其定义为 现设卫星现设卫星S于卫星钟于卫星钟 时刻发射信号（相应于时刻发射信号（相应于GPS时时 ），于接收机时钟），于接收机时钟 时刻（相应于时刻（相应于 时时刻）到达接收机，通过伪随机码测定基本观测刻）到达接收机，通过伪随机码测定基本观测量量 ，则，则)(GPSTstktstsT
13、ktkTkkksssttTttTsksksksskkskttttTTtTtTtt)()()()(5.2 GPS伪距测量定位伪距测量定位 将上式将上式 两端同乘以两端同乘以 ，得，得 式中：式中：为实测的伪距，为实测的伪距，为为 时刻的卫星位置至时刻的卫星位置至 时刻接收机之间的几何距离；时刻接收机之间的几何距离；为接收机钟差为接收机钟差的等效距离的等效距离 ；为卫星钟钟差的改正数，为卫星钟钟差的改正数，可由导航电文中求得。可由导航电文中求得。skttcsksktcbRtctcccRstktkbkktcbst)()()()()()(222kksskksskksstZtZtYtYtXtXR5.2
14、GPS伪距测量定位伪距测量定位o 因为在因为在GPS观测中，仅能获得接收机时钟的观测观测中，仅能获得接收机时钟的观测时刻时刻 ，而不能获得，而不能获得 ，因此需首先按，因此需首先按 计算计算 ；然后，根据广播星历；然后，根据广播星历 计算卫星的坐标计算卫星的坐标。方程方程 即为即为伪距测量定位的基本模型。伪距测量定位的基本模型。现设一观测站现设一观测站K点上，在观测时刻点上，在观测时刻 ，同时测得，同时测得4颗以上的颗以上的GPS卫星卫星 的伪距的伪距 ，则可，则可得到得到 个方程：个方程：ktstctttkksststsksktcbRtctcccktjS)4,3,2,1(jjkj5.2 GP
15、S伪距测量定位伪距测量定位o 上式中，未知参数为待定点坐标上式中，未知参数为待定点坐标 和接和接收机钟差参数收机钟差参数 ；卫星；卫星 的坐标的坐标 和钟和钟差差 由广播星历按由广播星历按 求得；伪距求得；伪距 为为观测量。显然，当观测卫星个数观测量。显然，当观测卫星个数 ，即可求，即可求得得4个未知参数。个未知参数。这也就是伪距测量定位的基本原理。这也就是伪距测量定位的基本原理。),2,1()()()(222jtcbZZYYXXjkkjkjkjjk),(kkkZYXkbjS),(jjjZYXjtcttjkkSjjk4jskjkjktcbR5.2 GPS伪距测量定位伪距测量定位本节小结本节小结222023-1-1 GPS接收机工作原理接收机工作原理（1）码的捕获（2）码的锁定跟踪（3）电文码解调伪距测量定位伪距测量定位（1）GPS定位的基本概念（2）伪距测量的绝对定位
