GNSS测量原理及应用.pdf

GNSS 测量原理及应用 一、 GNSS 测量原理（以 GPS 为代表） （一）、GPS 基本原理 GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离， 然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位 置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过 记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层 的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（ PR）：当 GPS 卫 星正常工作时，会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导 航电文。 GPS 系统使用的伪码一共有两种， 分别是民用的 C/A 码和军用的 P(Y ）码。C/A 码频率 1.023MHz ，重复周期一毫秒，码间距 1 微秒，相当于 300m；P 码频率 10.23MHz，重复周期 266.4 天，码间距 0.1 微秒，相当于 30m。而 Y 码是在 P 码的 基础上形成的，必威体育官网网址性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电 离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以 50b/s 调 制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s。前三帧各 10 个 字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共 15000b。导航电文中的内容 主要有遥测码、转换码、第 1、2、3 数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户 接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用 户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用 户在 WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。 可见 GPS 导航系统 卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫 星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标 x 、y 、z 外，还要引进一个 Δt 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用 4 个方程将这 4 个未知数解 出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到 4 个卫星的信号。 GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几 个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历， 精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化） ；以及 GPS 系统信息，如卫星状 况等。 GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟 的误差及大气传播误差，故称为伪距。对 0A 码测得的伪距称为 UA 码伪距，精度 约为 20 米左右，对 P 码测得的伪距称为 P 码伪距，精度约为 2 米左右。 GPS 接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉 后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受 多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。 一般在 接收机钟确定的历元时刻量测， 保持对卫星信号的跟踪， 就可记录下相位的变化值， 但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数 也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精 度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测 值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位