课程：

• 1、北斗卫星定位导航原理是怎样的？
• 2、GPS定位的基本原理是什么？
• 3、移动定位的工作原理
• 4、定位系统的原理
• 5、GPS定位系统是靠什么工作的，工作原理是什么？

北斗卫星定位导航原理是怎样的？

北斗卫星定位导航的原理是：卫星至用户间的距离测量是基于卫星信号的发射时间与到达接收机的时间之差，称为伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。

卫星定位实施的是“到达时间差”（时延）的概念：利用每一颗卫星的精确位置和连续发送的星上原子钟生成的导航信息获得从卫星至接收机的到达时间差。

由于卫星的位置精确可知，在接收机对卫星观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。

卫星导航系统时间是由每颗卫星上原子钟的铯和铷原子频标保持的。这些星钟一般来讲精确到世界协调时（UTC）的几纳秒以内，UTC是由美国海军观象台的“主钟”保持的，每台主钟的稳定性为若干个10^-13秒。

扩展资料

北斗导航的应用

1.北斗导航使得农业更“智慧”。在江苏兴化国家粮食生产功能示范区，多种无人农机借助北斗卫星导航系统实现了无人作业。

2.依托北斗卫星导航系统，可以实时查询目标车辆的精确位置和历史轨迹，对公车实行动态监管。

3.广西利用北斗云自动监测新技术，建立起完整的地质监测系统平台，能够迅速对灾害隐患点作出控制措施。

4.江西南昌东湖区彭家桥街道光明社区开展的“北斗+智慧社区”示范应用项目，针对社区老人提供精准定位、位置呼救、位置查询、公共交通、物业管理等便民服务，具有重要的示范意义。

参考资料来源：百度百科-北斗卫星导航系统

GPS定位的基本原理是什么？

GPS系统定位的基本原理是利用测距交会确定点位。一颗卫星信号传播到接收机的时间只能决定该卫星到接收机的距离， 但并不能确定接收机相对于卫星的方向，在三维空间中，GPS接收机的可 能位置构成一个球面；

当测到两颗卫星的距离时，接收机的可能位置被确 定于两个球面相交构成的圆上；当得到第三颗卫星的距离后，球面与圆相 交得到两个可能的点；第四颗卫星用于确定接收机的准确位置。因此，如 果接收机能够得到四颗GPS卫星的信号，就可以进行定位；当接收到信号 的卫星数目多于四个时，可以优选四颗卫星计算位置。

扩展资料：

GPS全球定位系统采用多星高轨测距体制，以距离作为基本观测量，通过对4颗卫星同时进行伪距测量，即可推算出接收机的位置。由于测距可在极短的时间内完成，即定位是在极短的时间内完成的，故可用于动态用户。

现代测距实质上是使用无线电信号测量其传播时间来推算距离。可以测量往返传播延迟，也可以测量单程传播延迟。往返传播测距即主动测距，要求卫星与用户均具备收发能力。对用户来说，这不仅大大增加了仪器的复杂程度，而且从隐蔽性来看也是十分不利的，因为发射信号易造成暴露。单程测距（即被动测距）则在很大程度上避免了上述的缺点。

但单程测距要求卫星与用户接收机的时钟同步。如果两个时钟不同步，那么在所测量的传播延时时间中，除了因卫星至用户接收机之间距离所引起的传播延迟之外，还包含了两个时钟的钟差。要达到卫星与用户时钟同步，在实际工作中很难做到，但可通过适当方法解决。

移动定位的工作原理

在基于移动电信技术的定位的典型方法有：TA(或称为TA+CELLID);AOA、到达时间(TOA)、TDOA、TDOA、AOA：OTD、增强测量时间差(E-OTD);多路径图型辨识;GPS、DGPS、InverseDGPS、GPS辅助(A-GPS)，等 。 或称CellID+TA，指小区识别号+时间提前量。时间提前量TA由基站测量后通知MS提前这段TA时间发送数据，目的是为了扣除基站与MS之间的传输时延。因此，TA方法就是用现有的参数TA估计MS和BTS之间的距离。如果MS在空闲模式，MS可能被寻呼或者主动发起呼叫(如紧急呼叫)，从而使SMLC获得TA和CellID。如果MS在占用模式，SMLC向BSC发送消息获取TA和CellID。SMLC将小区天线中心半径为TA的圆环(对全向天线)或者圆环的部分(对定向天线)范围内区域确定为MS所在区域。

时间提前量通过O?63bit/s来表示，若小区的半径为35km，则定位精度约为550m。通常在小区密集的城市区域，小区的半径很小，可以达到几百米，此时定位的精度就很高了。但这种精度只能表示移动用户和小区中心之间的距离，而不是精确的位置。 测量信号的到达角度(AngleOfArr技ive，简称AOA)也是一种在蜂窝网中常用的定位技术。这种方法需要在基站采用专门的天线阵列来测量特定信号的来源方向。对于一个基站来讲，AOA测量可以得出特定移动站所在方向，当两个基站同时测量同一移动站所发出的信号时，两个基站各自测量AOA所得的方向直线的焦点就是移动站所在的位置。尽管这种定位方法的原理非常简单，但在实际的应用中存在一些难以克服的缺点。首先，AOA定位要求被测量的移动站与参与测量的所有基站之间，射频信号是视线传输(LOS)的。非视线传输(NLOS)将会给AOA定位带来不可预测的误差。即使是在以LOS传输为主的情况下，射频信号的多径效应依然会干扰AOA的测量。其次，由于天线设备角分辨率的限制，AOA的测量精度是随着基站与移动站之问的距离的增加而不断减小的。

由于测量AOA的定位方法具有上述的特点，所以对于处于城市地区的微小区来讲，引起射频信号反射的障碍物多且其到移动站的距离与小区半径可以相比，这样就会引起比较大的角测量误差。在这种情况下，基于AOA的定位方法没有实际的意义。对于宏小区，因为其基站一般处于比较高的位置，与小区的半径相比，引起射频信号反射的障碍物多位于移动站附近，NLOS传输引起的角测量误差比较小。所以测量信号到达角度的定位方法多用于宏小区，或者与其他定位技术混合使用来提高定位的精度。 TOA定位方式可在现有的任何手机上实现，手机无需作任何改动。要定位的手机发出一已知信号，三个或多于三个LMU同时接收该信号，已知信号是手机执行异步切换时发出的接入突发信号;各LMU得到信号到达时的绝对GPS时间后，可得到相对时间差(RTD);根据前两步的信息，SMLC进行两两比较，计算突发信号到达时间差(TDOA)，得出精确位置，并回到应用中。要通过三角计算得出手机精确位置，必须知道另外两个参数：LMU的地理位置和各LMU之间的时间偏移量。例如各LMU必须提供的绝对GPS时间，或在已知位置的地点放置参考LMU可得到实际时间差(RTD)参数。

LMU用接入突发信号确定TOA。当定位请求发出时，LMU被选定，且配置正确的频率，以便接收接入突发信号。此时，手机在业务信道(可能会处于跳频方式)上，以特定功率发送达70个接入脉冲(时长320ms)。各LMU通过多种方式实现和改善TOA的测量结果。利用收到的突发信号可提高测量成功概率和测量精度。采用分集技术(如天线分集和跳频)，可降低多径效应的影响，提高测量精度。当某个应用需要知晓手机位置时，该应用向SMLC发出请求，同时告知手机号码和定位精度要求。被测量的TOA参数及其误差值一同被采集并发送到SMLC，根据该数据，SMLC可计算出应用所需要的手机位置，再将位置信息和误差范围发送回应用。

TOA定位方式需要附加硬件(LMU)，以达到精确计算突发信号到达时间的目的。实现方式有多种：LMU既可集成在BTS内，也可作为单独设备。LMU作为单独设备时，既可有单独的天线，也可与BTS共享天线，通过空中接口实现网络间通信。 一种基于反向链路的定位方法，通过检测移动台信号到达两个基站的时间差来确定移动台的位置，移动台必定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，也就是说需要至少三个以上的基站接收到移动台信号，而两个双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。

TDOA方法不要求知道信号传播的具体时间，还可以消除或减少在所有接收机上由于信道产生的共同误差，在通常情况下，定位精度高于TOA方法。但由于功率控制造成离服务基站近的移动台发射功率小，使得相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站接受到的功率非常小，造成比较大的测量误差，即相邻基站的SNR太小带来的测量误差。针对这种情况已有了一些解决办法，如在E-91l呼叫时将移动台发射功率瞬间调到最大，可以提高定位精度，但会对CDMA网络的容量有一定程度的影响。 E-OTD定位方式是从测量时间差(OTD)发展而来的，OTD指测量所得的时间量，E-OTD指测量的方式。手机无需附加任何硬件便可得到测量结果。对于同步网，手机测量几个BTS信号的相对到达时间;对于非同步网，信号同时还需要被一个位置已知的LMU接收。确定了BTS到手机的信号传输时间，则可确定BTS与手机之间的几何距离，然后再根据此距离进行计算，最终确定手机的位置。

手机收到各基站发来信号，得到TOA参数;LMU得到RTD参数;手机将TOA和RTD参数传送到GSM网。OTD测量需要用同步、标准且模拟的脉冲。当BTS发送的帧未被同步时，网络需要测量BTS之间的RTD。为了进行精确的三角测量，OTD测量和RTD测量(非同步BTS时)均需要3个BTS。获得OTD参数后，手机位置既可在网络中计算，也可在终端计算(要求手机具备各种必要信息)。前者称为手机辅助方式，后者称为手机自主方式。通过手机或网络中的位置计算功能模块，实现位置计算。 比较实用的GPS定位技术是网络辅助的GPS定位，即定位时，网络通过跟踪GPS卫星信号，解调出GPS导航信号，并将这些信息传送给移动台，移动台利用这些信息可以快速的搜索到有效的GPS卫星，接收到卫星信号后，计算移动台位置的工作可以由网络实体或移动台完成。

基于GPS系统的定位技术，其优点是定位精度较高，定位半径可达到几米、十几米。因此利用该重定位技术，可提供对定位精度要求较高的业务，如电子地图显示用户位置等。其缺点是需要移动台内置GPS天线和GPS芯片等模块，并且需要支持IS-801协议，网络侧需要增加PDE和MPC;定位精度受终端所处环境的影响较大，如用户在室内或在高大建筑物之间时，由于可见的GPS卫星数量较少，定位精度将降低，甚至无法完成定位。 A-GPS(AssistedGPS)。A-GPS与GPS方案一样，也需要在手机内增加GPS接收机模块，并改造手机天线，但手机本身并不对位置信息进行计算，而是将GPS的位置信息数据传给移动通信网络，由网络的定位服务器进行位置计算，同时移动网络按照GPS的参考网络所产生的辅助数据，如差分校正数据、卫星运行状态等传递给手机，并从数据库中查出手机的近似位置和小区所在的位置信息传给手机，这时手机可以很快捕捉到GPS信号，这样的首次捕获时间将大大减小，一般仅需几秒的时间。不需像GPS的首次捕获时间可能要2?3分钟时间。而精度也仅为几米，高于GPS的精度。QUALCOMM公司的gpsOne即采用A-GPS方案。

该方式有手机辅助方式和手机自主方式两种：(1)手机辅助GPS定位方式。这种解决方案是将传统GPS接收器的大部分功能转移到网络处理器上实现。该方式需要天线、RF单元和数据处理器等设备。GSM网向手机发送一串极短的辅助信息，包括时间、可视卫星清单、卫星信号多普勒参数和码相位搜索窗口。这些参数有助于内置GPS模块减少GPS信号获得时间。辅助数据来自经手机GPS模块处理后产生的伪距离数据，且可持续数分钟。收到这些伪距离数据后，相应的网络处理器或定位服务器能大致估算出手机的位置。GSM网增加必要的修正后，可提高定位精度。(2)手机自主GPS定位方式。这种手机包含一个全功能的GPS接收器，具有(1)方式中手机的所有功能，再加上卫星位置和手机位置计算功能。运算开始时，需要的数据比手机辅助方式要多，这些数据能够持续4小时以上或根据需要进行更新，通常包括时间、参考位置、卫星星历和时间校验参数等。如果某些应用需要更高的精度，则必须持续(间隔约30s)向手机发差分GPS(DGPS)信号。DGPS信号在非常宽的地域范围有效，以一个参考接收器为中心可服务于较宽的地域范围。最终位置信息由手机本身计算得到，若需要，此定位信息可发送到其它任何应用中。

定位系统的原理

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。

GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。

GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。

按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。

相对论为GPS提供了所需的修正

全球定位系统GPS卫星的定时信号提供纬度、经度和高度的信息，精确的距离测量需要精确的时钟。因此精确的GPS接受器就要用到相对论效应。

准确度在30米之内的GPS接受器就意味着它已经利用了相对论效应。华盛顿大学的物理学家Clifford M. Will详细解释说：“如果不考虑相对论效应，卫星上的时钟就和地球的时钟不同步。”相对论认为快速移动物体随时间的流逝比静止的要慢。Will计算出，每个GPS卫星每小时跨过大约1.4万千米的路程，这意味着它的星载原子钟每天要比地球上的钟慢7微秒。

而引力对时间施加了更大的相对论效应。大约2万千米的高空，GPS卫星经受到的引力拉力大约相当于地面上的四分之一。结果就是星载时钟每天快45微秒， GPS要计入共38微秒的偏差。Ashby解释说：“如果卫星上没有频率补偿，每天将会增大11千米的误差。”(这种效应实事上更为复杂，因为卫星沿着一个偏心轨道，有时离地球较近，有时又离得较远。)

GPS定位系统是靠什么工作的，工作原理是什么？

GPS卫星定位基本原理：测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距。为了计算用户的三维位置和接收机时钟偏差，伪距测量要求至少接收来自4颗卫星的信号。通过接收机时钟得到时间差，从而知道四个信号从卫星到接收机的不准确距离（含同一个误差值，由接收机时钟误差造成），用这四个不准确距离和四个卫星的准确位置构建四个方程，解方程组就得到接收机位置。