GPS導航的定位原理 GPS定位系統是如何定位的

一、GPS定位系統是如何定位的

24顆GPS衛星在離地面1萬2千公里的高空上，以12小時的周期環繞地球運行，使得在任意時刻，在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。

由于衛星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛星到接收機的距離，利用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置(X,Y,Z)?？紤]到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的誤差，實際上有4個未知數，X、Y、Z和時鐘差，因而需要引入第4顆衛星，形成4個方程式進行求解，從而得到觀測點的經緯度和高程。

事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星，這時，接收機可按衛星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

由于衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技術，建立基準站(差分臺)進行GPS觀測，利用已知的基準站精確坐標，與觀測值進行比較，從而得出一修正數，并對外發布。接收機收到該修正數后，與自身的觀測值進行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準確的位置。實驗表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

車用導航系統主要由導航主機和導航顯示終端兩部分構成。內置的GPS天線會接收到來自環繞地球的24顆GPS衛星中的至少3顆所傳遞的數據信息，由此測定汽車當前所處的位置。導航主機通過GPS衛星信號確定的位置坐標與電子地圖數據相匹配，便可確定汽車在電子地圖中的準確位置。

在此基礎上，將會實現行車導航、路線推薦、信息查詢、播放AV/TV等多種功能。駕駛者只須通過觀看顯示器上的畫面、收聽語音提示，操縱手中的遙控器即可實現上述功能，從而輕松自如地駕車。

全球定位系統（Global Positioning System）是美國第二代衛星導航系統。是在子午儀衛星導航系統的基礎上發展起來的，它采納了子午儀系統的成功經驗。和子午儀系統一樣，全球定位系統由空間部分、地面監控部分和用戶接收機三大部分組成。

按目前的方案，全球定位系統的空間部分使用24顆高度約2.02萬千米的衛星組成衛星星座。21 3顆衛星均為近圓形軌道，運行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時間上連續的全球導航能力。

地面監控部分包括四個監控站、一個上行注入站和一個主控站。監控站設有GPS用戶接收機、原子鐘、收集當地氣象數據的傳感器和進行數據初步處理的計算機。監控站的主要任務是取得衛星觀測數據并將這些數據傳送至主控站。主控站設在范登堡空軍基地。它對地面監控部實行全面控制。主控站主要任務是收集各監控站對GPS衛星的全部觀測數據，利用這些數據計算每顆GPS衛星的軌道和衛星鐘改正值。上行注入站也設在范登堡空軍基地。它的任務主要是在每顆衛星運行至上空時把這類導航數據及主控站的指令注入到衛星。這種注入對每顆GPS衛星每天進行一次，并在衛星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。

全球定位系統具有性能好、精度高、應用廣的特點，是迄今最好的導航定位系統。隨著全球定位系統的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經濟各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。

二、GPS導航的定位原理

d1=[(x1-x2)^2 （y1-y2）^2 （z1-z2）^2]^1/2 c(Vt1-Vt0)

d2=[(x2-x)^2 （y2-y）^2 （z2-z）^2]^1/2 c(Vt2-Vt0)

d3=[(x3-x)^2 （y3-y）^2 （z3-z）^2]^1/2 c(Vt3-Vt0)

d4=[(x4-x)^2 （y4-y）^2 （z4-z）^2]^1/2 c(Vt4-Vt0)

上述四個方程式中待測點坐標x、y、z和Vto為未知參數，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。

di(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4到接收機之間的距離。

△ti(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的信號到達接收機所經歷的時間。

c為GPS信號的傳播速度（即光速）。

四個方程式中各個參數意義如下：

x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標。

xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4在t時刻的空間直角坐標，可由衛星導航電文求得。

Vt i(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的衛星鐘的鐘差，由衛星星歷提供。

Vto為接收機的鐘差。

由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z和接收機的鐘差Vto。

GPS的基本定位原理是：衛星不間斷地發送自身的星歷參數和時間信息，用戶接收到這些信息后，經過計算求出接收機的三維位置，三維方向以及運動速度和時間信息。

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