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(hào)

一、GPS的信號(hào)結(jié)構(gòu)

• 每個(gè)GPS衛(wèi)星播發(fā)一組信號(hào)

• 每組信號(hào)包括兩個(gè)不同頻率的載波信號(hào)(L1和L2)、兩個(gè)不同的測(cè)距碼信號(hào)(C/A碼調(diào)制在L1載波上，P碼或Y碼同時(shí)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(zhǎng)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(guó)家安全的考慮，美國(guó)國(guó)防部刻意以無線電訊號(hào)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(duì)GPS公眾服務(wù)信號(hào)降低精度（SA政策)的措施。民用GPS精度將會(huì)提高10倍以上。

三、P碼 (Precise Code)  [精碼 ]

碼長(zhǎng)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(shí)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(guó)國(guó)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(cè)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(guó)也發(fā)展展頻技術(shù)，將可防止各種訊號(hào)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(qiáng)的L1、L2民用信號(hào)和M碼外，將在1176.45兆赫增加第3個(gè)民用信號(hào)（L5），位于960-1215MHZ

• L2載波上增加的第二個(gè)民用信號(hào)是L2C，能補(bǔ)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(cè)定原理

(1)C/A碼測(cè)距

(2)L1/L2測(cè)距

1.測(cè)距偽隨機(jī)碼

1. 每一衛(wèi)星播發(fā)一個(gè)偽隨機(jī)測(cè)距碼信號(hào)，該信號(hào)大約每1毫秒播發(fā)一次

2. 接收儀同時(shí)復(fù)制出一個(gè)同樣結(jié)構(gòu)的信號(hào)并與接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行比較

3. 由信號(hào)的延遲時(shí)間(dT)推算出衛(wèi)星至接收儀的距

4. 接收儀時(shí)鐘應(yīng)與衛(wèi)星鐘校時(shí)

２、載波相位測(cè)距

信號(hào)量測(cè)精度優(yōu)于波長(zhǎng)的1/100

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

所以，GPS測(cè)量采用載波相位觀測(cè)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(diǎn)位測(cè)定原理

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

2個(gè)球面相交成一個(gè)圓弧點(diǎn)位被限制在一曲線上。

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

但是實(shí)際上因?yàn)樾l(wèi)地距離是通過信號(hào)的傳播時(shí)間差Δt乘以信號(hào)的傳播速度v而得到的。其中，信號(hào)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(duì)時(shí)間差Δt進(jìn)行非常準(zhǔn)確的測(cè)定，如果稍有偏差，那么測(cè)得的衛(wèi)地距離就會(huì)謬以千里。而時(shí)間差Δt是通過將衛(wèi)星處測(cè)得的信號(hào)發(fā)射時(shí)間tS與接收機(jī)處測(cè)得的信號(hào)達(dá)到的時(shí)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(shí)間與GPS時(shí)吻合；接收機(jī)處的時(shí)鐘是石英鐘，穩(wěn)定度一般，我們認(rèn)為它的時(shí)鐘時(shí)間與GPS時(shí)存在時(shí)間同步誤差，并將這種誤差作為一個(gè)待定參數(shù)。這樣，對(duì)于每個(gè)地面點(diǎn)實(shí)際上需要求解就有4個(gè)待定參數(shù)，因此至少需要觀測(cè)4顆衛(wèi)星至地面點(diǎn)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(shí)間四個(gè)未知數(shù),這就類似于測(cè)邊交會(huì)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(shí)間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置，三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。

三、 GPS定位的分類

按定位方式：?jiǎn)吸c(diǎn)定位，相對(duì)定位（差分定位）

按接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分：動(dòng)態(tài)定位，靜態(tài)定位

絕對(duì)定位(單點(diǎn)定位)

絕對(duì)位置，即某一坐標(biāo)系下的絕對(duì)坐標(biāo)

相對(duì)定位(差分定位)

基線向量，即進(jìn)行同步觀測(cè)的兩點(diǎn)間的坐標(biāo)差

１、絕對(duì)定位

單點(diǎn)定位結(jié)果的獲取

單點(diǎn)定位解可以理解為一個(gè)后方交會(huì)問題

衛(wèi)星充當(dāng)軌道上運(yùn)動(dòng)的控制點(diǎn)，觀測(cè)值為測(cè)站至衛(wèi)星的偽距（由時(shí)延值推算得到）

由于接收機(jī)時(shí)鐘與衛(wèi)星鐘存在同步誤差

所以要同步觀測(cè)4顆衛(wèi)星，解算四個(gè)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(shí)時(shí)——單機(jī) ——靜態(tài)

誤差為 ( ±30m/±15 m; ±10m; ±5m)，適合于手持機(jī)

(3) 實(shí)時(shí)動(dòng)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)