导航定位原理

3.3.2　GPS导航定位原理

GPS的基本工作原理是根据已知的卫星位置，首先测量出卫星到用户接收机之间的距离，然后通过综合多颗卫星的数据确定接收机在地面上的具体位置(图3-4)。要实现这一目的，实际上需要回答三个问题。

第一个问题是，如何确定卫星在太空中的位置?我们知道，卫星并不是静止的，它在太空中绕着地球不断高速运动，那么如何获取某一具体时刻卫星的坐标位置呢?前面我们已经提到，GPS由24颗卫星构成了一个卫星星座。而这个星座中每个卫星的运行轨迹早已经设计好了。记录卫星运行轨迹的记录称为卫星星历。通过查询某一时间点的卫星星历我们就可以获得卫星在太空中的位置。

第二个问题是，如何计算已知位置的卫星到地面用户之间的距离?这个问题其实很简单。距离=速度×时间。这里的速度是电波的速度(等于光速)。我们知道，电波传播的速度是一个很准确的恒定值，即3×10⁵km/s。因此，时间的获取至关重要，微小的时间差就可能导致巨大的距离误差。例如即使万分之一秒的误差也将会带来30km的偏差!为了准确记录时间，在每一颗GPS卫星上都装配有2台原子钟，这些原子钟可以保证GPS接收机接收到准确至纳秒级的时间信息。通过这种方法得到的距离可以精确到10～20m。

第三个问题是，如何根据测定的星地之间的距离确定地面用户的位置呢?我们知道，三个星地之间的距离构成的球面在三维空间相交于两点，逻辑上排除不在地球上的点，剩下的那个点就是GPS接收机在地面上的坐标位置了。但是，事实上，根据三颗卫星确定的位置并不是理论上的三维坐标，而只是经纬度的二维坐标。这是因为，我们忽略了GPS工作的一个关键因素——时间，即卫星的时钟与接收机时钟之间的时间差(称为钟差)。因此实际上有4个未知数，经度、纬度、高程和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和海拔高程。因此，GPS接收机最少需要监测到4颗卫星，才能得到三维坐标。

理论上，通过GPS导航定位的原理就是如此。但实际上，情况并不是如此简单。例如，用户到卫星的距离是通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以电波的速度得到。但是由于电离层、大气层的干扰，实际观测的距离并不是用户与卫星之间的真实距离，所以称之为伪距(PR)。此外，由于卫星轨道的误差、卫星原子钟误差等，都可能影响计算的准确性。如何消除GPS系统的误差是GPS的一项重要内容。为了提高定位精度，目前普遍采用了称为差分的技术，即通过建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站的精确坐标，通过与观测值的比较，从而得出修正系数，以此来消去大部分误差。目前通过差分GPS技术，定位精度可提高到厘米级和毫米级。

图3-4　GPS工作原理示意图