GPS卫星定位原理及应用简介

GPS卫星定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接收机天线之间距离的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标确定用户接收机所对应的位置，即待定点的三维坐标（x，y，z）。由此可见，GPS卫星定位的关键是测定用户接收机至GPS卫星之间的距离。

GPS卫星发射的测距码信号到达接收机天线所经历的时间为t，该时间乘以光速c，就是卫星至接收机的空间几何距离ρ，即

在这种情况下，距离测量的特点是单程测距，要求卫星时钟与接收机时钟要严格同步。但实际上，卫星时钟与接收机时钟难以严格同步，存在一个不同步误差。另外，测距码在大气传播中还受到大气电离层折射及大气对流层的影响，产生延迟误差。因此，实际所求得的距离并非真正的站星几何距离，习惯上将其称为“伪距”，用表示，通过测伪距来定点位的方法称为伪距法定位。

伪距与空间几何距离ρ之间的关系为

式中　Vion——电离层延迟改正；

　　　Vtrop——对流层延迟改正；

　　　VtS——卫星钟差改正；(www.xing528.com)

　　　VtR——接收机钟差改正。

也可以利用GPS卫星发射的载波作为测距信号。由于载波的波长比测距码波长要短得多，因此对载波进行相位测量，可以获得高精度的站星距离。站星之间的真正几何距离ρ与卫星坐标（xs，ys，zs）和接收机天线相位中心坐标（x，y，z）之间有以下关系：

卫星的瞬时坐标（xs，ys，zs）可以根据接收到的卫星导航电文求得，所以，在式（5-25）中，仅有待定点三维坐标（x，y，z）三个未知数。如果接收机同时对三颗卫星进行距离测量，从理论上说，即可以推算出接收机天线相位中心的位置。因此，GPS单点定位的实质，就是空间距离后方交会，如图5-23所示。

图5-23　GPS卫星定位的基本原理

实际测量时，为了修正接收机的计时误差，计算出接收机钟差，将钟差也当作未知数。这样，在一个测站上实际存在四个未知数。为了求得四个未知数至少应同时观测四颗卫星。

以上定位方法为单点定位。这种定位方法的优点是只需要一台接收机，数据处理比较简单，定位速度快；但其缺点是精度较低，只能达到米级的精度。

为了满足高精度测量的需求，目前广泛采用的是相对定位法。相对定位是位于不同地点的若干台接收机，同步跟踪相同的GPS卫星，以确定各台接收机之间的相对位置，由于同步观测值之间存在着许多数值相同或相近的误差影响，它们在计算相对位置过程中得到消除或削弱，使相对定位可以达到较高的精度。因此，静态相对定位在大地测量、精度工程测量等领域有着广泛的应用。