GPS定位原理經典詳解

2021-01-18 麵包板社區


常規定位基本原理：

條件：1.一個已知點測試(圓心)，2.待測點和已知點的距離R1；

求解：待測點的位置；

答案：待測點是個圓

條件：1.兩個已知點測試(兩個圓心)，2.待測點和已知點的距離r1和r2；



條件：1.兩個已知點測試(兩個圓心)，2.待測點和已知點的距離r1和r2；

求解：待測點的位置；

答案：待測點是A和B



條件：1.三個已知點測試(三個圓心)，2.待測點和已知點的距離r1和r2和r3；

求解：待測點的位置；

答案：待測點是A



GPS定位基本原理：待測點相當於A點，待測點與衛星1的距離為r1，待測點與衛星2距離為r2,待測點與衛星3距離為r3,三個圓自然會匯聚到一個點上，也就是A點。

基礎知識：

組成部分：地面監控系統+衛星+待測設備=待測設備的位置

地面監控系統：主要作用是檢測和維護衛星的，在此不做過多介紹，有興趣的同學可以去了解一下相關知識，因為關鍵時候(戰爭時期)會影響定位精準度的。

衛星：總數24顆，分布在6個軌道上（21顆使用，3顆備用）在不停的圍繞地球轉動，工作任務一方面是從監控站獲取衛星編號，位置和時間等信息的指令，另一方面是連續發送帶有運行軌道、衛星時鐘的改正參數、電離層延遲修正參數及衛星的工作狀態等信息的二進位碼導航電文，供GPS接收機接收。

待測設備：接受衛星信號，根據信號的傳播時間計算出接收機和衛星的距離，進而解算出接收機自己的位置。

C/A碼：粗碼/捕捉碼Coarse Acqusition Code，數碼率1.023Mbt/s,只調製在L1(1575.42MHz)上，一般給民用。

P碼：精碼Precise Code，數碼率10.23Mbt/s，調製在L1(1575.42MHz)和L2(1227.6MHz)上，不易受幹擾，給軍用。


GPS與待測點直接的距離的計算：

方法一：偽距測量。

原理：通過測量導航電文從衛星發射到待測設備接收的時間差△t,有已知光速V，利用公式D(距離)=V(光速)*t(時間差)△t,就可以確定偽距。安裝以上常規定位原理試想一下，一顆衛星可以確定一個圓形，兩顆衛星可以確定兩個圓，三顆衛星可以確定三個圓，三圓交界點就是測試待測點位置。

三維空間中，每一顆衛星對應一個三維坐標(X，Y，Z)，而各個衛星的xyz坐標為已知數，即可度根據空間距離公式「根號下(x1-x2)^2+(y1-y2)^2+(z1-z2)^2」=d算出衛星到待測設備的距離d，這樣通過四顆以上定位衛星就可以列出關於屬X，Y，Z和△t的4個以上方程組，解方程組就可以算出X，Y，Z，這樣位置出來了。



每一衛星播發一個偽隨機測距碼信號，該信號大約每1毫秒播發一次，接收設備同時複製出一個同樣結構的信號並與接收到的衛星信號對比，根據比對可以推算出延遲多少長時間△t，由信號的延遲時間(△t)推算出衛星至接收設備的偽距，同時接收設備的時鐘應與衛星鐘校時。


方法二：載波相位測量。

原理：通過測量從GPS衛星發射的原始載波相位到待測設備接收的載波相位之差，得到載波傳輸距離。和測試偽距原理一樣計算待測點和衛星之間的距離，利用多個方程式計算待測點XYZ坐標。

簡單邏輯圖如下，具體算法不做過多詳解，有興趣的同學可以去了解。

來源：「https://www.sohu.com/a/392885019_120638422」





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