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(一) 基本原理

地面接收機(jī)可以在任何地點(diǎn)、任何位置、任何氣象條件下進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并且在時(shí)鐘的控制下，測(cè)出衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間Δt，進(jìn)而確定衛(wèi)星與接收機(jī)之間的距離ρ:

ρ = c×?t +∑δ i

式中， c 為信號(hào)傳播速度， ∑δ i 為有關(guān)的改正數(shù)之和。

GPS 定位就是把衛(wèi)星看成是移動(dòng)的控制點(diǎn)，根據(jù)測(cè)量的星站距離進(jìn)行空間距離后方交會(huì)，確定地面接收機(jī)的位置。

GPS 定位的基本原理圖

如上圖所示，A、B、C 為已知瞬時(shí)位置的衛(wèi)星點(diǎn)，接收機(jī)的位置坐標(biāo)可由下式計(jì)算：

式中：XA，YA，ZA 為 A 點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)；XB，YB，ZB 為 B 點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)；XC，YC，ZC為 C 點(diǎn)的空間直角坐標(biāo)。

(二) 偽距法定位原理

衛(wèi)星根據(jù)自己的星載時(shí)鐘發(fā)出含有測(cè)距碼的調(diào)制信號(hào)，經(jīng)過(guò) ?t 時(shí)間的傳播后到達(dá)接收機(jī)，此時(shí)接收機(jī)的偽隨機(jī)噪聲碼發(fā)生器在本機(jī)時(shí)鐘的控制下，又產(chǎn)生一個(gè)與衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼結(jié)構(gòu)完全相同的“復(fù)制碼”。通過(guò)機(jī)內(nèi)的可調(diào)延時(shí)器將復(fù)制碼延遲時(shí)間 τ ，使得復(fù)制碼與接收到的測(cè)距碼“對(duì)齊”。在理想情況下，時(shí)延 τ 就等于衛(wèi)星信號(hào)的傳播時(shí)間 ?t ，將傳播速度 c 乘以時(shí)延τ ，就可以求得衛(wèi)星至接收機(jī)的距離 ρ ：

ρ = c ×τ

考慮到衛(wèi)星時(shí)鐘和接收機(jī)時(shí)鐘不同步的影響、電離層(高度在 50～1000km 的大氣層)和對(duì)流層(高度在 50km 以下的大氣層)對(duì)傳播速度的影響，所以稱(chēng)作偽距。真正距離 ρ 和偽距 ρ 之間的關(guān)系式：

式中：δρ ion，δρ trop 分別表示電離層和對(duì)流層的折射改正；vta ，vtb 分別表示衛(wèi)星時(shí)鐘的鐘差改正和接收機(jī)的鐘差改正。

(三) 載波相位測(cè)量法定位原理(差分法)

載波相位測(cè)量的觀測(cè)量是 GPS 接收機(jī)所接收的衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)本振參考信號(hào)的相位差。以

表示 k 接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時(shí)刻 tk 時(shí)所接收到的 j 衛(wèi)星載波信號(hào)的相位值,

表示接收機(jī)在鐘面時(shí)刻所產(chǎn)生的本地參考信號(hào)的相位值，則 k 接收機(jī)在接收機(jī)鐘面時(shí)刻 tk 時(shí)觀測(cè) j 衛(wèi)星所取得的相位觀測(cè)量為：

接收機(jī)與觀測(cè)衛(wèi)星的距離為：

通常的相位或相位差測(cè)量只是測(cè)出一周以內(nèi)的相位值，實(shí)際測(cè)量中，如果對(duì)整周進(jìn)行計(jì)數(shù)，則自某一初始取樣時(shí)刻( t0)以后就可以取得連續(xù)的相位測(cè)量值。

如下圖所示，在初始 t0 時(shí)刻，測(cè)得小于一周的相位差為

，其整周數(shù)為

，此時(shí)包含整周數(shù)的相位觀測(cè)值應(yīng)為：

接收機(jī)繼續(xù)跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，不斷測(cè)得小于一周的相位差

，并利用整波計(jì)數(shù)器記錄從 t0 到 ti 時(shí)間內(nèi)的整周數(shù)變化量

，只要衛(wèi)星從 t0 到 ti 之間信號(hào)沒(méi)有中斷，則初始時(shí)刻整周模糊度

就為一常數(shù)，這樣，任一時(shí)刻 ti 衛(wèi)星到 k 接收機(jī)的相位差為：

載波相位測(cè)量原理圖