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GPS导航定位原理以及定位解算算法

全球定位系统(GPS)是英文GlobalPositioningSystem的字头缩写词的简称。它的含义是

利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。它是由美国国防部主导开发的一套具

有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统。

GPS用户部分的核心是GPS接收机。其主要由基带信号处理和导航解算两部分组成。

其中基带信号处理部分主要包括对GPS卫星信号的二维搜索、捕获、跟踪、伪距计算、导

航数据解码等工作。导航解算部分主要包括根据导航数据中的星历参数实时进行各可视卫星

位置计算；根据导航数据中各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响、信

号传输误差(主要包括电离层实时传输误差及对流层实时传输误差)等各种实时误差的计算，

并将其从伪距中消除；根据上述结果进行接收机PVT（位置、速度、时间）的解算；对各精

度因子(DOP)进行实时计算和监测以确定定位解的精度。

本文中重点讨论GPS接收机的导航解算部分，基带信号处理部分可参看有关资料。本文

讨论的假设前提是GPS接收机已经对GPS卫星信号进行了有效捕获和跟踪，对伪距进行了

计算，并对导航数据进行了解码工作。

1地球坐标系简述

要描述一个物体的位置必须要有相关联的坐标系，地球表面的GPS接收机的位置是相

对于地球而言的。因此，要描述GPS接收机的位置，需要采用固联于地球上随同地球转动

的坐标系、即地球坐标系作为参照系。

地球坐标系有两种几何表达形式，即地球直角坐标系和地球大地坐标系。地球直角坐

标系的定义是：原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林威

治子午圈的交点(即0经度方向)，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系(即指向东经90

度方向)。

地球大地坐标系的定义是：地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转

轴重合。地球表面任意一点的大地纬度为过该点之椭球法线与椭球赤道面的夹角φ，经度

为该点所在之椭球子午面与格林威治大地子午面之间的夹角λ，该点的高度h为该点沿椭

球法线至椭球面的距离。设地球表面任意一点P在地球直角坐标系内表达为P(x，y，z)，

在地球大地坐标系内表达为P(φ，λ，h)。则两者互换关系为：大地坐标系变为直角坐标

系：

（1）

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式中：n为椭球的卯酉圈曲率半径，e为椭球的第一偏心率。

若椭球的长半径为a，短半径为b，则有

（2）

直角坐标系变为大地坐标系，可由下述方法求得

φ由叠代法获得

φc为地心纬度，ep为椭圆率

可设初始值φ=φc进行叠代，直到|φi=1-φi|小于某一门限为止。

这两种坐标系在定位系统中经常交叉使用，必须熟悉两种坐标系之间的转换关系。

2GPS定位中主要误差及消除算法

GPS定位中的主要误差有：星钟误差，相对论误差，地球自转误差，电离层和对流层

误差。

1）星钟误差

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