GPS 基础概念

GPS (Global Position System) 是美国国防部研制和维护的中距离圆形轨道卫星导航系统. GPS 定位由 3 个部分组成:

  1. 空间部分系统
  2. 地面控制系统
  3. 用户端设备

GPS 卫星发射的信号以下 4 个部分组成:

  1. 基本频率
  2. 载波 (L1, L2, L5)
  3. 测距码 (C/A 码, P 码)
  4. 导航电文 (D 码/数据码)

测距码和导航电文都属于低频信号

在数字通讯技术中, 为了有效地传播信息, 一般均将低频信号加载到高频的载波上, 这时原低频信号称为调制信号, 而加载信号后的载波就称为已调波. GPS 信号调制, 是采用调相技术实现的

在进行 GPS 卫星定位测量时, 既然用户接收机收到的 GPS 卫星信号是一种已调波, 那么, 随之产生的一个技术问题, 就是怎样从接收到的已调波中分离出测距码信号, 导航电文信号以及纯净的载波信号, 这项技术称为信号的解调. 当用户接收机收到 GPS 卫星信号后, 通常可采用以下两种方法进行信号的解调:

  1. 码相关解调技术
  2. 平方解调技术

GPS 定位原理

观测 GPS 卫星所发射的无线电信号的方法包括:

  • 伪距 (Pseudo Range) 观测
  • 载波相位观测

二者原理都是通过距离交会原理求解 GPS 接收器的三维坐标. 只要同时观测三个卫星, 就能通过各个卫星的空间位置和各个卫星到接收器的距离, 计算出接收器的位置

误差来源:

  • 与卫星有关的误差
    • 卫星星历 (轨道) 误差
    • 卫星时钟误差
    • 相对论效应
    • 信号在卫星内的延迟
    • 卫星天线相位中心误差
  • 与传播途径有关的误差
    • 电离层误差
    • 对流层误差
    • 多路径效应
  • 与接收设备有关的误差
    • 接收机时钟误差
    • 已知的接收机的位置误差 (定轨, 授时)
    • 接收机的测量噪声
    • 接收机天线相位中心的偏差
    • 信号在接收机内的时延

References