GPS導航系統的基本原理及GPS定位原理簡(jiǎn)介

GPS是由27顆美國國防部發(fā)射的導航衛星組成的無(wú)線(xiàn)電導航系統，由衛星、地面站、接收機三部分組成。在地面上，只要用一部GPS接收機測出3-4顆衛星信號到達本接收機的時(shí)間，就可準確推算出接收機所在地(可以是地面或天上任何位置)的經(jīng)緯度、海拔高度、時(shí)間、運動(dòng)速度等數據。

1、GPS系統的組成

GPS由三個(gè)獨立的部分組成：

● 空間部分：21顆工作衛星，3顆備用衛星。

● 地面支撐系統：1個(gè)主控站，3個(gè)注入站，5個(gè)監測站。

● 用戶(hù)設備部分：接收GPS衛星發(fā)射信號，以獲得必要的導航和定位信息，經(jīng)數據處理，完成導航和定位工作。

GPS接收機硬件一般由主機、天線(xiàn)和電源組成。

2、GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根據高速運動(dòng)的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會(huì )的方法，確定待測點(diǎn)的位置。如圖所示，假設t時(shí)刻在地面待測點(diǎn)上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時(shí)間△t，再加上接收機所接收到的衛星星歷等其它數據可以確定以下四個(gè)方程式：

上述四個(gè)方程式中待測點(diǎn)坐標x、 y、 z 和Vto為未知參數，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4到接收機之間的距離。

△ti (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的信號到達接收機所經(jīng)歷的時(shí)間。

c為GPS信號的傳播速度(即光速)。

四個(gè)方程式中各個(gè)參數意義如下：

x、y、z 為待測點(diǎn)坐標的空間直角坐標。

xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4在t時(shí)刻的空間直角坐標，

可由衛星導航電文求得。

Vt i (i=1、2、3、4) 分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的衛星鐘的鐘差，由衛星星歷提供。

Vto為接收機的鐘差。

由以上四個(gè)方程即可解算出待測點(diǎn)的坐標x、y、z 和接收機的鐘差Vto 。

3、GPS導航系統的基本原理

GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶(hù)接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛星的位置可以根據星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛星星歷中查出。而用戶(hù)到衛星的距離則通過(guò)紀錄衛星信號傳播到用戶(hù)所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶(hù)與衛星之間的真實(shí)距離，而是偽距(PR)：當GPS衛星正常工作時(shí)，會(huì )不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機碼(簡(jiǎn)稱(chēng)偽碼)發(fā)射導航電文。GPS系統使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復周期一毫秒，碼間距1微秒，相當于300m;P碼頻率10.23MHz，重復周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛星信號中解調制出來(lái)，以50b/s調制在載頻上發(fā)射的。導航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(cháng)6s。前三幀各10個(gè)字碼;每三十秒重復一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數據塊，其中最重要的則為星歷數據。當用戶(hù)接受到導航電文時(shí)，提取出衛星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對比便可得知衛星與用戶(hù)的距離，再利用導航電文中的衛星星歷數據推算出衛星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶(hù)在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。

可見(jiàn)GPS導航系統衛星部分的作用就是不斷地發(fā)射導航電文。然而，由于用戶(hù)接受機使用的時(shí)鐘與衛星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶(hù)的三維坐標x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)Δt即衛星與接收機之間的時(shí)間差作為未知數，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數解出來(lái)。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛星的信號。

GPS接收機可接收到可用于授時(shí)的準確至納秒級的時(shí)間信息;用于預報未來(lái)幾個(gè)月內衛星所處概略位置的預報星歷;用于計算定位時(shí)所需衛星坐標的廣播星歷，精度為幾米至幾十米(各個(gè)衛星不同，隨時(shí)變化);以及GPS系統信息，如衛星狀況等。

GPS接收機對碼的量測就可得到衛星到接收機的距離，由于含有接收機衛星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱(chēng)為偽距。對0A碼測得的偽距稱(chēng)為UA碼偽距，精度約為20米左右，對P碼測得的偽距稱(chēng)為P碼偽距，精度約為2米左右。

GPS接收機對收到的衛星信號，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調制在載波上的信息去掉后，就可以恢復載波。嚴格而言，載波相位應被稱(chēng)為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻 移影響的衛星信號載波相位與接收機本機振蕩產(chǎn)生信號相位之差。一般在接收機鐘確定的歷元時(shí)刻量測，保持對衛星信號的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開(kāi)始觀(guān)測時(shí)的接收機和衛星振蕩器的相位初值是不知道的，起始歷元的相位整數也是不知道的，即整周模糊度，只能在數據處理中作為參數解算。相位觀(guān)測值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對定位、并有一段連續觀(guān)測值時(shí)才能使用相位觀(guān)測值，而要達到優(yōu)于米級的定位 精度也只能采用相位觀(guān)測值。

按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對定位(差分定位)。單點(diǎn)定位就是根據一臺接收機的觀(guān)測數據來(lái)確定接收機位置的方式，它只能采用偽距觀(guān)測量，可用于車(chē)船等的概略導航定位。相對定位(差分定位)是根據兩臺以上接收機的觀(guān)測數據來(lái)確定觀(guān)測點(diǎn)之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀(guān)測量也可采用相位觀(guān)測量，大地測量或工程測量均應采用相位觀(guān)測值進(jìn)行相對定位。

在GPS觀(guān)測量中包含了衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差，在定位計算時(shí)還要受到衛星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對定位時(shí)大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機可以根據兩個(gè)頻率的觀(guān)測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機間距離較遠時(shí)(大氣有明顯差別)，應選用雙頻接收機。