《GNSS定位测量技术》 课件 子项目3、4 GPS的组成与GPS的信号、GPS定位的基本原理

GPS测量定位技术精品课程第二章GPS卫星定位系统学习目标：

了解GPS信号的结构，测距码是怎样产生的，导航电文的内容，天线的作用与分类。理解监控系统的作用，投入的可用GPS卫星状况，用户接收机的用途，卫星的运动及其轨道。掌握GPS定位系统的组成共三部分：①地面监控部分。②空间卫星部分。③用户接收部分。子项目三GPS卫星信号及卫星运动任务一GPS卫星的载波信号 任务二GPS卫星的测距码信号任务三GPS卫星的导航电文任务四GPS卫星的无摄运动 任务五GPS卫星的受摄运动 任务六GPS卫星星历GPS系统包括地面监控部分，空间卫星部分，用户接收部分等三大部分。

三大部分之间用数字通信技术联络传达各种信号信息，靠各种计算软件处理繁复的数据，最后由用户接收信号来解决导航定位问题。

任务一GPS定位系统的组成

任务一GPS定位系统的组成

GPS定位系统包括三大部分：（1）地面监控部分；（2）空间卫星部分；（3）用户接收部分。

一、空间卫星部分

24颗卫星(21+3)6个轨道平面

55º轨道倾角

20200km轨道高度(地面高度)12小时(恒星时)轨道周期（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）每颗卫星有5个多小时出现在地平线以上

任务一GPS定位系统的组成

任务一GPS定位系统的组成

一、空间卫星部分

星座的分布保证了地球上任何地点、任何时刻至少可以同时观测到四颗卫星，最多时可以达到11颗。任务一GPS定位系统的组成一、空间卫星部分GPS卫星

作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置导航电文存储器GPS卫星类型试验卫星：BlockⅠ工作卫星：BlockⅡBlockⅡ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力BlockⅡA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率任务一GPS定位系统的组成任务一GPS定位系统的组成BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同类型的GPS卫星任务一GPS定位系统的组成二、地面监控部分（GroundSegment）组成主控站：1个注入站：3个监测站：5个通讯与辅助系统二、地面监控部分

一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森(Ascencion)

迭哥•伽西亚(DiegoGarcia) 卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)1.地面监控站的分布

组成如下页图所示任务一GPS定位系统的组成

12卡瓦加兰（注入站）夏威夷科罗拉多（主控站）狄哥伽西亚（注入站）阿森松岛（注入站）地面监控系统任务一GPS定位系统的组成

作用：

a、管理、协调地面监控系统各部分的工作（监测与协调

）

b、收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星（收集数据

与数据处理）

c、监控卫星状态，向卫星发送控制指令（控制卫星）

d、卫星维护与异常情况的处理。（维护卫星）地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。二、地面监控部分2.监控系统的作用

（1）主控站二、地面监控部分2.监控系统的作用

（2）监控站监控站伪距导航数据气象数据卫星状态数据主控站测传送作用地点：夏威夷、主控站及三个注入站二、地面监控部分2.监控系统的作用

（3）注入站

注入站的主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，供卫星向用户发送。

地点：阿松森群岛（大西洋）迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）作用16地面监控系统流程图接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数据处理机L1L2S波段GPS卫星GPS卫星任务一GPS定位系统的组成

二、地面监控部分地面控制部分的作用监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行；跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户；保持各颗卫星的时间同步；必要时对卫星进行调度。任务一GPS定位系统的组成

用户接收部分GPS接收机接收跟踪GPS卫星发射的无线电信号，获得定位信息数据处理软件相应的用户设备三、用户接收部分

GPS信号接收机天线前置放大器射电部分微处理器电源部分数据存器显示控制器供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制任务一GPS定位系统的组成

射电部分：即信号通道，是接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。任务一GPS定位系统的组成

三、用户接收部分

GPS接收机结构天线单元接收单元三、用户接收部分按用途按携带形式

按工作原理

按载波频率

GPS信号接收机分类

导航型、测地型和授时型

码接收机和无码接收机

单频接收机和双频接收机

袖珍式、背负式、车载式、舰用式、空（飞机）载式、弹载式和星载式任务一GPS定位系统的组成

任务一GPS定位系统的组成天线的作用接收来自卫星的信号放大进行频率变换对信号进行跟踪、

处理、量测天线基本类型单极天线微带天线四丝螺旋天线扼流圈天线三、用户接收部分任务一GPS定位系统的组成天线单元单极天线—单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单微带天线—结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛锥形（螺旋）天线1）四丝螺旋天线—单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板2）空间螺旋天线—双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称扼流圈天线

—可有效地抑制多路径误差的影响。但体积大，重量重。三、用户接收部分任务一GPS定位系统的组成GPS接收机天线应满足以下要求天线与前置放大器应密封为整体，以应对恶劣天气，减小小信号损失；能接收天空任何方向的卫星信号；应有防护和屏蔽多路径效应的措施；保持天线相位中心高度稳定，并与其几何中心一致。三、用户接收部分任务一GPS定位系统的组成接收单元接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。存储器微处理器输入输出设备电源三、用户接收部分任务一GPS定位系统的组成GPS接收机分类按用途分：导航型接收机：精度5~10米测量性接收机：厘米级甚至更高授时型接收机：用于时间频标的同步测定测量型接收机按载波频率又分为：单频接收机：只接收L1载波信号双频接收机：同时接收L1，L2载波信号三、用户接收部分GPS接收机导航型29GPS接收机知名品牌测量型GPS美国天宝30GPS接收机知名品牌瑞士徕卡GPS接收机知名品牌日本拓普康GPS接收机国产品牌中海达33GPS接收机国产品牌南方GPS接收机国产品牌华测任务二GPS卫星信号用户接收机接收GPS卫星发射的信号来测定测站坐标，那么究竟什么是GPS卫星信号呢?任务二GPS卫星信号GPS卫星信号结构任务二GPS卫星信号

GPS卫星播发的信号，包含载波信号、测距码、数据码等多种分量，它能满足多用户系统的导航、高精度定位的需要。

GPS信号的产生

GPS卫星信号的组成部分载波L1L2测距码C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）卫星（导航）电文GPS卫星信号的生成关键设备–原子钟任务二GPS卫星信号由卫星上的原子钟直接产生基准频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频一、GPS卫星信号的生成二、GPS卫星信号的内容GPS载波信号L1载波GPS的测距码C/A码P码数据码卫星的星历卫星工作状态时间系统卫星钟运行状态轨道摄动改正大气折射改正L2载波GPS卫星信号任务二GPS卫星信号三、GPS信号的结构

GPS卫星信号的构成示意图。图中说明所有信号分量是根据同一基准频率（图中A点）产生的，其中包括载波（B点），（C点），调制在载波上的调相信号C/A码（D点），P码（F点）和数据码（G点），经卫星发射天线（H点）发射的信号分量包括：C/A码信号（J点），L1—P码信号（K点）和L2—P码信号（L点）。GPS信号的构成

任务二GPS卫星信号任务二GPS卫星信号作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1–

频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–

频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5–

频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm四、载波任务二GPS卫星信号特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）四、载波任务二GPS卫星信号作用测距性质为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1五、测距码任务二GPS卫星信号码表达信息的二进制数及其组合，是一组二进制的数码序列每一个二进制数称为一个码元或一个比特。数码率：每分钟传输的比特数。任务二GPS卫星信号码码可以看作是以0和1为幅度的时间函数，用u(t)来表示。······t01

111101011000100100······信号波形信号序列GPS卫星码信号45任务二GPS卫星信号GPS卫星的伪随机测距码(PRN)周期性二进制序列具有良好相关特性具有确定的编码规则可人工复制任务二GPS卫星信号C/A码码长较短，易于捕获；但码元宽度较大，测距精度较低。

C/A码的码长：码元宽度：一个码元对应的距离：293.1m

周期：数码率：

任务二GPS卫星信号C/A码特点易捕获，可用于捕获P码，捕获码。在GPS导航和定位中，为了捕获C/A码以测定卫星信号传播时间，通常需要对C/A码逐个进行搜索。因为C/A码总共只有1023个码元，若以每秒50个码元的速度搜索，约需20.5s便可达到目的，易捕获。精度低，粗码。由于C/A码的码元宽度较大，如果两个序列的码元对齐误差为码元宽度的1/10～1/100，相应的测距精度为29.3～2.9m。公开的明码，全球免费使用。只调制在L1载波上，无法精确消除电离层延迟。任务二GPS卫星信号P码P码即精密测距码或称精码。它的特征是：码长：码元宽度：一个码元对应距离：29.3m；周期：数码率：50任务二GPS卫星信号P码码长较长，借助C/A码信息捕获。P码的周期被分成38部分，每一部分为7d，其中5部分给地面监测站使用，32部分分配给不同的卫星，1个部分闲置。这样，每颗卫星使用P码的不同部分，码长和周期相同，但结构不同。码元宽度小，测距精度高。由于P码的码元宽度为C/A码的1/10，如果码元的对齐精度仍为码元宽度的1/10～1/100，则由此引起的距离误差约为2.93～0.29m，仅为C/A码的1/10，所以P码用于精密的导航和定位。任务二GPS卫星信号P码结构不公开，专供美国军方及特许用户使用。目前P码的结构正逐渐被大家所熟悉而难以继续保密，所以美国从1994年开始实施AS政策，即将P码再加密生成Y码，以防止电子干扰和电子欺骗。测距精度高。P码同时调制在L1和L2载波上，可以较完善的消除电离层延迟，测距更为精确。任务二GPS卫星信号任务二GPS卫星信号伪码测距卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出测距码U（t），经过△t时的传播到达GPS接收机。接收机在自己钟脉冲驱动下，产生一组结构完全相同的复制码U‘（t）。通过时延器使之延迟时间τ，对两码进相关比较。直至两码完全对齐，相关系数R（t）=max=1，则该时间延迟τ即为传播时间△t（τ=△t）伪距：ρ=c·△t=c·τ六、GPS信号的传播

GPS采用了信号扩频调制，把窄带信号扩展到一个很宽的频带上发射出去，以达到抗干扰、保密和省电的目的。

在信息理论中我们把一组不包含我们想要的有用信息的量称为噪声。

任务二GPS卫星信号七、导航电文

GPS卫星的导航电文主要包括卫星星历、时钟改正、电离层时延改正、工作状态和捕获C/A码转换到捕获P码的信息。

将这些信息以数据，即以二进制码的形式向用户发送，所以导航电文又称为数据码，即D码。

任务二GPS卫星信号任务二GPS卫星信号作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息基本结构七、导航电文七、导航电文123451234567891030s6s0.02s0.6s25页10个字30比特导航电文的基本构成

任务二GPS卫星信号GPS测量定位技术精品课程任务二GPS卫星信号基本内容七、导航电文一个子帧6s长，10个字，每字30比特1帧30s1500比特任务二GPS卫星信号遥测码（TLM–TelemetryWord）每一子帧的第1个字主要作用是指明卫星注入数据的状态用作捕获导航电文的前导共30bit。其中，1-8bit为同步码，识别电文内容的先兆，使用户易于解调导航电文；9-22bit为遥测电文，包括注入数据时的状态信息、诊断信息和其他信息，指示用户是否选用该卫星；23-24bit为连接作用；25-30bit为奇偶检验码，用于发现并纠正个别错误，确保正确地传送导航电文。七、导航电文任务二GPS卫星信号转换码（HOW–HandOverWord）每一子帧的第2个字主要内容：帮助用户从获得的C/A码换到P码的捕获。其中，1-17bit为Z计数；获得Z计数，即知道了观测瞬间在P码周期中所处的准确位置，可样便可顺利捕获P码。七、导航电文任务二GPS卫星信号第一数据块第1子帧的第3~10个字内容：WN–GPS周L1所调制测距码标识符–

“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码传输参数N–URATgd–

信号在卫星内部的时延星钟数据龄期AODC星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）七、导航电文任务二GPS卫星信号第二数据块第2、3子帧的第3~10个字内容该发送信号卫星的星历－广播星历星历参数

—开普勒轨道六参数

—轨道摄动九参数

—时间二参数七、导航电文任务二GPS卫星信号第三数据块第4、5子帧的第3~10个字内容：所有卫星历书（概略星历）概略星历时钟改正卫星工作状态等第三数据块的内容每12.5分钟重复一次七、导航电文GPS卫星星历卫星运动理论卫星运动取决于所受到的各种力的作用：地球引力太阳、月球及其他天体引力大气阻力、地球潮汐作用力等为了研究卫星基本运动规律，将作用力分为：地球质心引力，主要作用力摄动力，非中心引力任务三卫星的运行及其轨道一、理想情况下的卫星运动(无摄运动）

摄动力与中心引力相比，仅为10-3

量级。地球引力决定了卫星运动的基本规律。所谓理想情况下的卫星运动，是将地球视作匀质球体，且不顾及其它摄动力的影响，卫星只是在地球质心引力作用下而运动。

它是卫星运动的第一近似描述研究意义它是至今唯一能得到的严密分析解的运动它是全部作用力下的卫星运动更精确解的基础GPS测量定位技术精品课程一、理想情况下的卫星运动

开普勒第一定律——卫星运行的轨道是一个椭圆，地球质心位居椭圆的一个焦点上。

该定律表明，卫星相对于地球质心的运动轨道是一个椭圆，该椭圆有着固定的形状和大小，椭圆上距离地球质心最远的一点称为远地点，距离地球质心最近的一点称为近地点。

卫星运行轨道椭圆任务三卫星的运行及其轨道

GPS测量定位技术精品课程一、理想情况下的卫星运动

开普勒第二定律——卫星的地心向径，即地球质心与卫星质心间的距离向量，在相同的时间内所扫过的面积相等。

开普勒第二定律表明，卫星沿轨道椭圆的运行速度在不断变化，在近地点处速度最大，在远地点处速度最小。

相等时间地心向径扫过的面积任务三卫星的运行及其轨道

GPS测量定位技术精品课程一、理想情况下的卫星运动

开普勒第三定律——卫星围绕地球运行的周期的平方与轨道椭圆长半径的立方成正比，其比值等于地球引力常数的倒数。开普勒第三定律的数学形式为：

式中——

T为卫星运动的周期

任务三卫星的运行及其轨道

GPS测量定位技术精品课程二、卫星运行的轨道

待解问题轨道椭圆的形状和大小（as,es)轨道平面与地球体的相关位置(i,Ω)轨道椭圆在轨道平面上的方位（ωs）卫星在轨道上的瞬时位置(ν（fs）)卫星轨道参数

任务三卫星的运行及其轨道

as：长半径es：轨道偏心率i：轨道面的倾角Ω：升交点赤经ωs：近地点角ν（fs）：真近点角GPS测量定位技术精品课程三、摄动力对卫星运行轨道的影响

地球体不规则及质量分布不均匀而引起的作用力太阳和月球的引力太阳的直接与间接辐射压力大气的阻力摄动力的影响地球潮汐的作用力、磁力任务三卫星的运行及其轨道

GPS测量定位技术精品课程任务四卫星星历与卫星位置计算

一、GPS卫星星历

卫星的星历就是一组对应某一时刻的轨道参数值，它是计算卫星瞬时位置的依据。

广播星历（预报星历）实测星历（精密星历）GPS卫星星历GPS测量定位技术精品课程一、GPS卫星星历1.广播星历

卫星将地面监测站注入的有关卫星轨道的信息，通过发射导航电文传递给用户，用户接收到这些信号进行解码即可获得所需要的卫星星历，即广播星历。GPS用户所接收到的卫星广播星历中，包括15个卫星星历参数和2个时间参数。广播星历参数

任务四卫星星历与卫星位置计算

GPS测量定位技术精品课程一、GPS卫星星历2.实测星历

实测星历是一些国家根据自己的卫星跟踪站观测资料，经过事后处理直接计算的卫星星历，它向广大用户提供有偿服务，所以大大提高了卫星星历的精度。

任务四卫星星历与卫星位置计算

GPS测量定位技术精品课程二、卫星在其轨道平面内的位置计算

计算真近点角Vk计算卫星运行的平均角速度n计算归化时间tk计算升交距角u0计算经过摄动改正的升交距角、卫星地心距离及轨道倾角计算卫星的轨道平面直角坐标计算任务四卫星星历与卫星位置计算

GPS测量定位技术精品课程三、卫星在地心空间直角坐标系中的位置计算

计算观测时刻的升交点赤经ΩK计算卫星在地心空间直角坐标系中的坐标

计算任务四卫星星历与卫星位置计算

GPS测量定位技术精品课程任务五GPS信号的接收

GPS卫星所发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。所以用户需要一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，也就是GPS信号接收机。GPS测量定位技术精品课程一、信号接收设备的组成GPS信号接收系统的结构

任务五GPS信号的接收GPS测量定位技术精品课程二、天线单元

GPS信号接收机的天线单元为接收设备的前置部分。天线单元包含接收天线和前置放大器两部分。其中天线部分可能是全向振子天线或小型螺旋天线或微带天线，但从发展趋势来看，以微带天线用的最广、最有前途。

任务五GPS信号的接收GPS测量定位技术精品课程三、接收单元信号通道存储器微处理机电源相关型通道平方型通道码相位通道接收单元任务五GPS信号的接收GPS测量定位技术精品课程本章小结接收单元卫星在地心空间直角坐标系中的位置计算小结1.GPS定位系统的组成

2.卫星的运行及其轨道

3.卫星的星历与卫星位置计算

地面监控部分空间卫星部分用户接收部分理想情况下的卫星运动卫星运行的轨道摄动力对卫星运行轨道的影响GPS卫星星历GPS卫星信号的内容、GPS信号的结构测距码的产生、GPS信号的传播导航电文信号接收设备的组成天线单元卫星在其轨道平面内的计算4.GPS卫星信号5.GPS信号的接收GPS测量定位技术精品课程思考题与习题

1.主控站的主要作用有哪几条？2.地面监控部分的工作程序？3.GPS工作卫星为什么采用二万公里高近于圆形的轨道？4.GPS卫星的主要作用有哪三方面？5.GPS卫星的空间布局和运行速度决定了地面观测者具备哪些观测条件？6.什么是时间间隙段？怎样避开时间间隙段对测量定位的影响？7.GPS信号接收机按用途可分为哪三种？按携带形式可分为哪七种。8.什么是理想情况下的卫星运动？9.广播星历的优缺点？10.GPS信号接收设备的结构和作用？11.相关型通道的主要优点有哪些？12.微带天线的优缺点？子项目四GPS卫星定位原理子项目四GPS卫星定位原理●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。学习目标子项目四GPS卫星定位原理

任务一

GNSS卫星定位原理概况

任务二

载波相位测量

任务三

伪距测量

任务四

GNSS绝对定位

任务五

GNSS相对定位

本项目小结子项目四GPS卫星定位原理

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。

子项目四GPS卫星定位原理需解决的两个关键问题如何确定卫星的位置如何测量出星站距离？GPS定位方法分类定位模式（1）绝对定位（单点定位）（2）相对定位（3）差分定位定位时接收机天线的运动状态（1）静态定位－天线相对于地固坐标系静止（2）动态定位－天线相对于地固坐标系运动获得定位结果的时效（1）事后定位（2）实时定位观测值类型（1）测码伪距测量（2）载波相位测量

GPS定位方法分类按参考点的不同位置划分为：（1）绝对定位（单点定位）：在地球协议坐标系中，确定观测站相对地球质心的位置。（2）相对定位：在地球协议坐标系中，确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置。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。GPS定位方法分类相对定位（差分定位）优点：获得较高的精度缺点：增加了外业组织和实施难度按用户接收机作业时所处的状态划分：（1）静态定位：在定位过程中，接收机位置静止不动，是固定的。静止状态只是相对的，在卫星大地测量中的静止状态通常是指待定点的位置相对其周围点位没有发生变化，或变化极其缓慢，以致在观测期内可以忽略。（2）动态定位：在定位过程中，接收机天线处于运动状态。在绝对定位和相对定位中，又都包含静态和动态两种形式。GPS定位方法分类GPS定位方法分类静态定位与动态定位的不同点静态定位可靠性强，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。动态定位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。GPS定位方法分类主动式测距（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。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。GPS定位方法分类主动式测距的优点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。GPS定位方法分类被动式测距（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。GPS定位方法分类用户无需发射信号，便于隐蔽自己；所需装置也较简单，仅接收设备即可。被动式测距的优点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。GPS观测量的基本概念无论采取何种GPS定位方法，都是通过观测GPS卫星而获得某种观测量来实现的。GPS卫星信号含有多种定位信息，根据不同的要求，可以从中获得不同的观测量，主要包括：

（一）卫星射电干涉测量（二）多普勒定位法（三）测距码伪距定位法（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，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，可以求得两站间距离。干涉法测量时，所需设备较昂贵，数据处理复杂。（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。采用积分多普勒计数法进行定位时，所需观测时间较长，一般数小时，同时观测过程中，要求接收机的震荡器保持高度稳定。（三）测距码伪距定位法

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。基本原理测距码伪距定位法的优点一次定位的精度并不高，但定位速度快，经几小时的定位也可达到米级。若再增加观测时间，精度还可以提高。（三）测距码伪距定位法（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。

任务二

测距码伪距测量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。

任务二

测距码伪距测量一、测定伪距的方法二、伪距法定位的原理三、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由卫星发射机将调制信号发出接收机收到测距码接收机产生复制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以伪距作基本观测量定位的方法伪距法定位二、伪距法定位的原理电离层折射延迟改正接收机钟的改正数卫星钟的改正数信号离开卫星的时刻（由卫星钟测定）信号到达接收机的时刻（由接收机钟测定）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（x、y、z）（X、Y、Z）—卫星坐标—接收机坐标四、测距码伪距法定位的应用

利用测距码进行测距的优点采用的是CDMA（码分多址）技术（即每颗卫星都采用特定的伪随机噪声码）易于捕获微弱的卫星信号便于对系统进行控制和管理（如AS）利用测距码进行测距的缺点精度低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。

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。我们接收到的GPS信号是调制波，即在载波上搭载着测距码及导航电文，使得接收到的载波的相位不再连续，所以在使用载波信号测量之前必须先要进行重建载波的工作第三节载波相位测量重建载波--将非连续的载波信号恢复成连续的载波信号。载波调制了导航电文之后变成了非连续的波重建载波的方法码相关法方法将所接收到的调制信号（卫星信号）与接收机产生的复制码相乘。技术要点卫星信号（弱）与接收机信号（强）相乘。特点限制：需要了解码的结构。优点：可获得导航电文，可获得全波长的载波，信号质量好（信噪比高）平方法方法将所接收到的调制信号（卫星信号）自乘。技术要点卫星信号（弱）自乘。特点优点：无需了解码的结构缺点：无法获得导航电文，所获载波波长为原来波长的一半，信号质量较差（信噪比低，降低了30dB）互相关（交叉相关）方法在不同频率的调制信号（卫星信号）进行相关处理，获取两个频率间的伪距差和相位差技术要点不同频率的卫星信号（弱）进行相关。特点优点：无需了解Y码的结构，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了27dB）Z跟踪方法：将卫星信号在一个W码码元内与接收机复制出的P码进行相关处理。在一个W码码元内进行卫星信号（弱）与复制信号（强）进行相关。特点优点：无需了解Y码结构，可测定双频伪距观测值，可获得导航电文，可获得全波波长的载波，信号质量较平方法好（信噪比降低了14dB）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、载波相位测量的特点一、载波相位测量原理将测距码和数据码调制到载波上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接收机产生基准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、载波相位测量原理二、载波相位测量观测方程观测值整周计数整周未知数（整周模糊度）整周未知数

（整周模糊度Ambiguity）只与开机时间有关，与卫星有关，开机后，对同一颗卫星而言，整周未知数不变整周未知数确定整周未知数N0是载波相位测量的一项重要工作，常用的方法有下列几种：1、伪距法2、经典方法－将整周未知数作为待定参数求解3、多普勒法（三差法）4、快速确定整周未知数法整周未知数1、伪距法伪距法是在进行载波相位测量的同时又进行了伪距测量，将伪距观测值减去载波相位测量的实际观测值（化为以距离为单位）后即可得到λ×N0。但由于伪距测量的精度较低，所以要有较多的观测值取平均值后才能获得正确的整波段数。整周未知数2、经典方法把整周未知数当作平差计算中的待定参数来加以估计和确定。分两种方法：（1）整数解由于误差影响，解得得整周未知数往往不是一个整数，然后将其固定为整数，并重新进行平差计算。也称为固定解（fixedsolution）（2）实数解当误差消除得不够完全时，整周未知数无法估计很准确，此时直接将实数解作为最后解。也称为浮点解（floatingsolution）整周未知数3、多普勒法（三差法）由于连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含有相同的整周未知数，所以将相邻两个观测历元的载波相位相减，就将该未知数消去，从而直接接触坐标参数，这就是多普勒法。由于三差法可以消除许多误差，所以使用较广泛。整周未知数4、快速确定整周位置数法1990年E.Frei和G.Beutler提出了快速模糊度（即整周未知数）解算法进行快速定位的方法。采用这种方法进行短基线定位时，利用双频接收机只需观测一分钟便能成功的确定整周未知数。整周跳变（周跳–CycleSlips）在某一特定时刻的载波相位观测值为如果在观测过程接收机保持对卫星信号的连续跟踪，则整周模糊度将保持不变，整周计数也将保持连续，但当由于某种原因使接收机无法保持对卫星信号的连续跟踪时，在卫星信号重新被锁定后，就不会与前面的值保持连续，这一现象称为整周跳变。周跳T

产生周跳的原因主要原因就是信号失锁信号被遮挡，导致卫星信号无法被跟踪仪器故障，导致差频信号无法产生卫星信号信噪比过低，导致整周计数错误接收机在高速动态的环境下进行观测，导致接收机无法正确跟踪卫星信号卫星瞬时故障，无法产生信号周跳的特点只影响整周计数

－周跳为波长的整数倍将影响从周跳发生时刻（历元）之后的所有观测值周跳T

因周跳而丢失的周数将使周跳发生后的所有相位观测值都含有这个周数的偏差解决周跳问题的方法探测与修复设法找出周跳发生的时间和大小常用的方法有下列几种方法：1、屏幕扫描法（也就是手工编辑）2、多项式拟合法3、卫星间求差法4、根据平差后的残差发现和修复整周跳变参数法将周跳标记出来，引入周跳参数，进行解算三、载波相位测量的特点优点精度高，测距精度可达0.1mm量级难点整周未知数问题整周跳变问题任务四绝对定位原理定义单独利用一台接收机确定待定点在地固坐标系中绝对位置的方法，又叫做单点定位定位结果

－与所用星历同属一坐标系的绝对坐标采用广播星历时属WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrames（国际地球参考框架）特点优点：一台接收机单独定位，观测简单，可瞬时定位缺点：精度主要受系统性偏差的影响，定位精度低应用领域低精度导航、资源普查、军事、...单点定位的误差源及应对方法卫星星历精密星历卫星钟差精密钟差、地面跟踪电离层延迟双频改正对流层延迟模型改正精密单点定位PPP–PrecisePointPositioning特点主要观测值为载波相位采用精密的卫星轨道和钟数据采用复杂的模型定位精度亚分米级用途全球高精度测量卫星定轨定位精度评价——精度衰减因子DOP值DOP（DilutionOfPrecision）值DOP值与定位精度DOP值的性质DOP值与单点定位时，所观测卫星的数量与分布有关，它所表示的是定位的几何条件DOP值恒大于1，最高精度为1.DOP值越小，定位的几何条件越好定位精度评价——精度衰减因子DOP值在实践中，根据不同要求，可选用不同的精度评价模型和相应的精度因子，通常有：※平面位置精度因子HDOP(horizontalDOP)※高程精度因子VDOP(VerticalDOP)※空间位置精度因子PDOP(PositionDOP)※接收机钟差精度因子TDOP(TimeDOP)※几何精度因子GDOP(GeometricDOP)，描述空间位置误差和时间误差综合影响的精度因子任务五GPS相对定位定义

确定进行同步观测的接收机之间相对位置的定位方法，称为相对定位。定位结果与所用星历同属一坐标系的基线向量（坐标差）及其精度信息采用广播星历时属WGS-84采用IGS–InternationalGPSService精密星历时为ITRF–InternationalTerrestrialReferenceFrame基线向量中含有：2个方位基准（一个水平方法，一个垂直方位）和1个尺度基准，不含有位置基准优点：定位精度高缺点：多台接收共同作业，作业复杂；数据处理复杂；不能直接获取绝对坐标应用高精度测量定位及导航

相对定位也分静态定位和动态定位。安置在基线端点的接收机固定不动，通过连续观测，取得充分的多余观测数据，改善定位精度。静态相对定位一般均采用载波相位观测值（或测相伪距）为基本观测量。静态相对定位T1T2S1S2S3S4在两个观测站或多个观测站同步观测相同卫星的情况下，卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差等对观测量的影响具有一定的相关性，利用这些观测量的不同组合（求差）进行相对定位，可有效地消除或减弱相关误差地影响，从而提高相对定位的精度。静态相对定位观测量的线性组合GPS相对定位是通过观测量的不同组合求差得到的差分观测值的定义将相同频率的GPS载波相位观测值依据某种方式求差所获得的新的组合观测值（虚拟观测值）差分观测值的特点可以消去某些不重要的参数，或将某些对确定待定参数有较大负面影响的因素消去或消弱其