gps工作原理及定位方法,GPS定位误差来源

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导读

全球定位系统（GPS）全称为“全球定位导航系统”（Global Positioning System），是由美国国防部于1970年代研发，1994年完成部署的全天候、全天时、高精度的卫星导航系统。它取代了早期依赖陆基无线电导航系统的角色（如罗兰系统），成为目前世界上最广泛使用的卫星导航技术。

工作原理

GPS的核心原理是基于多个高轨道运动的同步卫星，在全球范围内不断广播精确的导航消息。用户设备（如手机、车载导航仪、手提电脑等拥有的GPS模块）通过接收到至少4颗卫星发送的信号，可以确定自己的三维地理坐标（纬度、经度、海拔）和精确时间。

关键步骤：

1. 卫星网络构成： GPS系统空间部分由地球静止轨道（实际上是在地球与月球引力作用下的中圆轨道）上均匀分布的约30颗（实际运行数量通常维持在24-32颗或更多）卫星组成。这些卫星分布在6个不同的轨道平面上，保证任何地点、任何时间段，用户至少可以同时接收到4颗卫星的信号。
2. 信号发送： 每颗卫星包含：
   • 原子钟： 提供极其精确的授时信号。
   • 卫星位置数据： 卫星根据内置星历（精确的轨道参数）计算自身当前精确位置（同时向地面广播）。
   • 导航电文： 包括卫星星历数据（精确轨道）、卫星钟差、系统健康状态等。
   • 伪随机噪声码： 主要分为两类：
     • 粗捕获码（C/A码）： 替代了早期的精码P码，用于民用市场。码速率较低，抗干扰能力相对较弱。
     • 精码（P码/Y码）： 码速率高，具有更强的抗干扰性能。P码密度更高，通常只授权给特定用户或军事用途，Y码是加密后的P码用于增强保密性。
     • 结构： 每个伪随机码都对应不同的频率信号进行调制。
3. 定位过程（空间三角测量）： 用户接收机的任务是：
   • 捕获信号： 接收并解码来自GPS卫星的C/A或P码信号。
   • 测量伪距： 接收机自身产生完全相同的伪随机码（需知道码相位），通过比较接收到的码信号与本地码信号产生的时序偏差（码相位差），并结合卫星广播的电码结构（如Gold码）、导航电文中的必要信息（C/A码直接使用，P码需要解密），最终换算出从该卫星发出信号的光速传播时间（一个非常关键但略有不精确的地方）。
   • 计算位置： 从用户接收机到各颗参考卫星的距离，理论上可以通过信号传播时间乘以光速得到精确的距离（称为“真距离”或“欧几里得距离”）。但由于卫星精确轨道（星历）、卫星时钟偏差等因素未完全准确考虑（接收体会先用粗略星历计算），计算出的距离是包含时钟误差修正后的近似距离，称为“伪距”。
   • 三边定位/多边定位： 接收到至少三颗信号后，接收机可以以至少三颗卫星作为已知点，计算自己的位置是这些三维球面的交点（理论上四颗卫星确定唯一解，但在平面接近处理中三颗也可定位并提供海拔）。接收机内部携带的“接收机钟差”仍然是一个未知数，影响计算精度（导致引入第四个卫星用于校准时间），所以至少需要四颗卫星信号来获得最佳定位解，并同步接收机时钟。

定位方法

GPS定位的核心是受（伪）码调制的信号和测量卫星到用户的距离（伪距）。最关键的定位方法如下：

1. 点位置估计与三角测量（或称三边测量）：发送给用户的信息是卫星的精确位置以及用于计算接收时间的精确时钟。用户接收机测量从信号发射起始时间到接收该信号的时间。虽然接收机的内部时钟和卫星的时钟并非完全相同，但卫星发送的信号中包含了卫星的精确时间。

   • 通常至少需要连接到三条独立的GPS卫星，才能确定单位边界的相对位置。
   • 接收机计算出（称为“伪距”）到每个卫星的距离。
   • 然后使用（若为RTK或PPP）漂移修正来跟踪并校正初始计算中的系统误差。

2. 多普勒频移法： 除了码相位测量之外，接收机还可以计算多普勒频移。由于运动的卫星相对于用户接收机运动，接收的频率会发生频移（类似汽车鸣笛越靠近音调越高）。通过分析频率变化，可以提供关于接收机相对于卫星移动速度的信息（也用于辅助精确定位和相对定位）。

定位误差来源

尽管GPS信号理论上能提供高精度定位，但实际应用中测量到的位置总会有误差，主要来源包括：

1. 卫星钟差：卫星原子钟虽极其稳定但存在微小误差。
2. 卫星轨道误差：使用的星历数据与卫星实测轨道总有偏差。
3. 接收机时钟误差与偏差：GPS接收机自身时钟精度难以与卫星原子钟相比。
4. 多径效应：GPS信号从反射表面（如建筑物、山岭、高层构筑物、水面等）反射后到达接收机，使二次信号与直接到达的信号同时被接收，干扰了原始信号的码相位测量。
5. 电离层延迟：GPS信号穿过电离层时，频率会发生变化，传播速度减慢，引入延迟。
6. 对流层延迟：GPS信号穿过对流层（地面以上10-50公里）时也会由于大气折射而导致信号延迟，虽然精度低于电离层，但更难修正。
7. 接收机噪声与硬件误差：接收设备固有的误差。
8. SA政策（Selective Availability，虽已被取消但曾存在）：美国曾故意在卫星时钟和星历中加入不断变化的干扰信息，降低非军事用户的定位精度，但该政策已于2000年5月关闭。

信号结构与频率

GPS信号使用码分多址（CDMA）技术，在GPS基本频率（L1、L2、L5）上传输多个不同码序列（Glonass、BeiDou等也有各自的频率）。

主要公开服务频率（用于全球民用）：

1. L1频段：1575.42 MHz

   • 载波频率
   • 信号类型：
     • C/A（Coarse/Acquisition）伪码：采用较短的二进制码，适合一般定位应用，代码捕获，速率较低（1.023 MHz）。
     • P(Y)伪码：无加密的P(Y)码速率非常快（10.23 MHz），它可用于精确测量（取代标称的P码-P码实际上WGS84系统使用的P码由一个称为“导航电文差分码”的钥匙保护），但Y码未公开。

2. L2频段（通常1227.60 MHz）

   • 载波频率
   • 信号类型：
     • P(Y)伪码：与L1一样采用10.23 MHz的高性能导航P(Y)码信号（用于军事和高精度用户）。

随着系统现代化，新的频率被引入：

• L2C频段：通常也在1227.60 MHz，是L2的一个改进，使用一种与L1C类似的较短码序列（1.227 MHz）来提供类似C/A码的高质量定位精度，但其编码是公开的。
• L5频段：1176.45 MHz
  • 由Glonass引入并应用于GPS，具有更高的载波频率。
  • 信号类型：
    • 开放服务的高质量、高精度调制信号L5：专门设计用于航空和精确时间/频率应用（这信号通常由标准码（SP）和保护测距码（P(R)）调制，P(R)是更高速率的测距码，类似于未加密的Y码）。
  • 特点：更高的频率、更快的更新率、更少的大气延迟效应，适用于需要高精度和快速刷新的应用场景。

总结：

GPS通过一颗颗在轨运行的卫星广播包含精确（卫星认为的）时间和自身位置的导航信号。用户设备通过解码至少4颗卫星的信号，测量信号传播时间（转换为伪距），并利用卫星位置和接收机时间解修正（和至少第4个卫星的校准），交叉定位这些距离，最终确定出用户在地球上的精确位置坐标。虽然原理简单，但实际的误差来源相当多，需要各种模型修正和先进技术（如差分GPS、实时动态定位RTK、精密单点定位PPP）不断改进定位精度。