算法_GPS定位基本常识

原理

    GPS是利用几何与物理的一些基本原理，通过空间分布的卫星以及卫星与地面间距离交会出地面点位置的方法，也就是利用了测量学中的测距交会的原理进行定位的。若假定有三颗卫星，且它们的位置是已知的，通过一定的方法我们准确测定出地面点 A 至卫星间的距离，那么 A 点一定位于以卫星为中心，以所测得的距离为半径的圆球上。若我们能同时测得点A至三颗卫星的距离，则该点一定处在三个圆球相交的两个点上。根据地理知识，我们很容易就能确定其中一个点就是我们所需要的点位。在以上假设下，即只要卫星位置已知，同时又已经测得三颗卫星的距离，即可完成定位。但是由于 GPS 卫星是分布在2000多公里高空的运动载体，只能是在同一时间测定三个距离才可定位，要实现同步必须具有统一的时间基准，从解析几何角度出发， GPS 定位包括确定一个点的三维坐标和实现同步四个未知数，因此必须通过测定到至少 4 颗卫星的距离才能完成定位。由此可见，要实现精确定位，必须解决以下两个问题：（1）确定卫星在某一时刻的精确位置；（2）准确测定卫星至地球上我们所在点的间距。

    距离测量主要有两种方法：一种是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；另一种则是测量具有载波多普勒频移的 GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。通过对 4 颗或 4 颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。

定位过程

    卫星时钟基本频率驱动下产生GPS信号，离开卫星发射天线，穿越大气层，通过接收机天线进入接收机内部，并与接收机自身产生的信号（复制测距码）相比较，最终得到GPS观测值（伪距）。

    观测方程必须要反映在这个过程中，即观测值与站星之间的几何距离、卫星和接收机时钟的误差、大气折射延迟、多路径效应以及相对论延迟等一系列参数之间的函数关系。

定位类型

（1）根据定位时接收机天线的运动状态可将卫星定位分为静态定位和动态定位；

    静态定位的接收机位置固定不动，因而可以进行大量的重复测试，所以静态定位的可靠性强，定位精度高，主要应用于测定板块运动、检测地壳形变、大地测量、紧密工程测量、地球动力学及地震监测等领域。

    动态定位的特点：1、用户多样性；2、速度多异性；3、定位的实时性，如卫星入轨的三分钟，需要每秒采集一次数据；4、数据采集的短时性，如导弹飞行过程定位。

（2）根据定位模式可将卫星定位分为绝对定位（也称单点定位）、相对定位、差分定位；

    绝对定位目前GPS采用WGS-84坐标系统，定位精度较差，只能达到米级。在船舶、飞机的导航、海洋捕鱼及低精度测量领域有着广泛的应用。

    相对定位精度较高，但组织实施困难，数据处理繁琐。主要应用在大地测量，工程测量和地壳形变检测等精密定位领域。

    差分定位是指在一个观测站对两个目标的观测量或两个观测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。

（3）根据观测类型可将卫星定位分为伪距测量（也称伪距法定位）和载波相位测量；

（4）根据定位时效可将卫星定位分为实时定位和事后定位。

观测的精度

    GPS定位精度主要取决于两个因素：测量误差和卫星的几何分布。

测量误差

    GPS测量误差主要来源于GPS卫星、信号的传播过程和接收机。高精度测量中，定位精度还会受到与地球整体运动有关的固体潮汐、负荷潮以及相对论效应等的影响。

    与卫星有关的误差：卫星时钟误差和卫星星历误差。

    与信号传播有关的误差：GPS信号经过大气层之后的大气延迟，电磁波经周围物体反射多次后的多径效应。大气延迟又可分为电离层延迟和对流层延迟。

    与接收机有关的误差：接收机的时钟误差、接收机的位置误差、各部分电子器件的热噪声、信号量化误差、测定码相位与载波相位的算法误差以及接收机软件中的计算误差。

卫星几何分布

    GPS绝对定位的误差与精度因子有关，而精度因子与所测卫星的几何分布情况有关，因此，精度因子也称为观测卫星的图形强度因子。理论分析得到，假设观测站与4颗卫星构成一六面体，精度因子GDOP与该六面体体积V的倒数成正比。在满足卫星高度角要求的条件下，尽可能使六面体体积接近最大。

参考文献

《卫星导航原理与系统》