安徽理工大学毕业论文
号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行交换，放大和处理，再通过计算机和相应的数据处理软件，经过基线解算，网平差等，求出测站点的三维坐标。 2.4 GPS信号
GPS卫星发射两种频率的载波信号, 即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波,它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍,它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。
L1载波：fl=154310.23=157542MHz，波长为入1=19.032cm L2载波：f2=120310.23=12276MHz'波长为x 2=24.42cm
(式中：10.23MHz为时钟基本频率)
在L1和L2上又分别调制着多种信号,这些信号主要有:
(1) C/A码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,是1MHz的伪随机噪声码( PRN码) ,其码长为1023位(周期为1m s)。由于每颗卫星的C/A码都不一样,因此, 我们经常用它们的PRN号来区分它们。C /A 码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。
(2) P码又被称为精码,它被调制在L1 和L2载波上,是10MH z的伪随机噪声码, 其周期为七天在实施AS时, P码与W码进行模二相加生成保密的Y码,此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。
(3)导航信息: 导航信息被调制在L1 载波上, 其信号频率为50H z, 包含有GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置, 导航信息也被称为广播星历。
2.5 GPS定位原理
GPS定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图2所示, 在待测点Q设置GPS接收机, 在某一时刻tk 同时接收到3颗(或3颗以上)卫星S1、S2、S3 所发出的信号。通过数据处理和计算, 可求得该时刻接收机天线中心(测站点) 至卫星的距离?1、?2、?3。根据卫星星历可查到该时刻3颗卫星的三维坐标( Xj,
Yj, Zj) , j= 1, 2, 3, 从而由下式解算出Q 点的三维坐标( X, Y, Z):
?1??X?X1???Y?Y1???Z?Z1?2222
2?2??X?X22?2??Y?Y2???Z?Z2?2
?3??X?X22?3??Y?Y3???Z?Z3?22安徽理工大学毕业论文
图2.定位测量原理
根据接收到的不同卫星信号和处理方法不同，GPS卫星定位的主要方式可分为伪距测量定位、载波相位测量定位和差分GPS定位。对于待定点，根据运动状态可分为静态定位和动态定位。单台GPS接收机进行的定位成为单点定位或绝对定位；两台或两台以上接收机分别安置在不同的待测点上，通过同步观测卫星信号，确定待测点的相对位置，成为相对定位。 （一）伪距测量：
（1）卫星依据自己时钟（钟脉冲）发出某一结构的测距码，经过△t时的传播到达GPS接收机。
（2）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。 （3）通过时延器使之延迟时间T，对两码进相关比较。
（4）直至两码完全对齐，相关系数R（t）= max =1，则该时间延迟T即为传播时间△t( T = △t )。
（5）距离ρ=c2△t=c2T 。
由于实际中卫星钟和接收机钟存在着误差，所以上述方法求出的距离将受到两台钟不同步的误差影响。此外，卫星信号还需要穿过电离层和对流层到达地面观测站，在电离层和对流层中信号传播的速度 V 不等于 C ，所以上述公式求得的距离不是真实的距离，称为伪距。
当对伪距进行各项误差纠正，精确计算时，卫星信号由卫星到达测站的钟面传播时间：
?tij?ti?tj?ti?GPS??tj?GPS???ti?t???tj?t?
安徽理工大学毕业论文
在不顾及大气折射等误差影响的情况下，由钟面传播时间乘以光速，就得到卫星至测站的伪距。
?j(t)?c?t?c[t(GPS)?t(GPS)]?c(?t(t)??t(t))?Dj(t)?c?tj(t)Diijijii现顾及大气折射影响
? ij(t)?Dij(t)??Iij(t)??Tij(t)?c??ti(t)?c??tj(t)D) ? ? D i ( t) ? ? I i ( t ? T i (t ) ? c ? ? t (t )
ijjjj ti (GPS D i ? c ? ( ) ?t( GPS ))jjj为理想距离。
j?Ii(t):电离层延迟改正 ?Ti(t):对流层延迟改正
显然，伪距观测方程中是非线性项，表示测站与卫星之间的几何距离：
Di(t)?[(X(t)?Xi)?(Y(t)?Yi)?(Z(t)?Zi)]jj2j2j212由于方程为非线性方程，需要对上述方程进行线性化，线性化后的方程为：
~Di(t)?(Di(t))0?ki(t)?Zi?mi(t)?Zi?c?ti(t)??Ii(t)??Ti(t)?i(t)?Ni(t0)?(t)?Ni(t0)?In(?)?Fri(?)?i(t)??(t)??j(t)?Nj(t)?iiiii0?i(t0)??i(t0)??(t0)?Ni(t0)?Fr0(?)jjjjjjjjjjjjjj
有三个测站未知数 ? X i, ? Z i 以及一个钟差未知数 ? ti j( t ) 电离层和对流, ? Yi层改正一般通过专门的数学模型另行处理。这样，接收机至少需要跟踪4颗卫星，才能求解。
（二）载波相位观测
GPS载波信号存在着两种频率的正弦波： L1： f?1575.43MHz,1
L2： f2?1227.60MHz,?1?19cm?2?24cm对卫星信号进行调制和解调后被GPS接收机接受，载波相位的测量原理为（图3）卫星信号传至接收机的过程（图4）。
安徽理工大学毕业论文
?S接收机根据自身的钟在tR时刻所接收到卫星在t时刻所发送信号的相位S?(tR)接收机根据自身的钟在tR时刻复制信号的相位?(t)SS??????tR????t???R图3：载波相位观测原理
图4：信号传播示意图
在实际进行载波相位测量的时候，当接收机跟踪上卫星信号，并在起始历 元瞬间t0进行首次载波相位测量时，只能测到不足一整周的相位，因为载波是 一种单纯的正弦， 没有任何标志，不能测得第几周，于是出现了整周模糊度， 相位差公式应为：
?(t)?Nj(t)?In(?)?Fr(?) ?ij(t)?Nij(t0)??i0i?i(t)??(t)??j(t)?Nj(t) ?iiiii0j ?i(t0)??i(t0)??(t0)?Ni(t0)?Fr0(?)
jjj安徽理工大学毕业论文
载波相位观测示意图（图5）：
图5：载波相位信号传播图
由于接收机的频率漂移比较小，一般可以忽略，即：考虑到接收机钟差，相位观测方程可表示为：
?i(t)?f[ti?t(GPS)]?f?ti(t)?f?t(t)?Ni(t0)??f???f?ti(t)?f?t(t)?Ni(t0)jjjjjjfj?fi?f
而 ? ?? 1D j(t) 电流层和对流层都会对传播相位产生影响，载波相位观测方程
i可表示为：
?i(t)? ?jcfc[Di(t)??Ii(t)??Ti(t)]?f?ti(t)?f?t(t)?Ni(t0)
cfjjjjj式子两边都乘以? ? 可转化为：
?jjjjjjDi(t)?Di(t)??Ii(t)??Ti(t)?c?ti(t)?c?t(t)??Ni(t0)
