GPS的原理与应用

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第二章全球定位系统及其应用

2.1基础知识（1）GPS定位系统的发展历史GPS的实施计划，它可以分为三个阶级：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从硬件和软件上进行了试验，试验结果令人满意。

第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时测地型接收机也相继问世。试验表明，GPS的定位精度远远超过设计标准，利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级，达到14m。

第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入工程建设阶段。这种工作卫星称为

BlockⅡ和BlockⅡA卫星。这两组卫星的差别是：BlockⅡA卫星增强了军事应用功能，扩大了数据存储容量；BlockⅡ卫星只能存储供14天用的导航电文(每天更新三次)；而BlockⅡA卫星能存储供180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用型的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

（2）其它独立的卫星导航与定位系统

GLONASS卫星星座欧洲EGNOS系统伽利略系统日本MSAS系统

卫星定位系统种类星座卫星数目（颗）卫星平均高度（km）卫星运行周期（min）载波频率（MHz）L1L2GPS(美国)21+3202007181565～15861217～1238GLONASS(前苏联)21+3191006751603～16161246～1256NAVSAT(欧洲空间局)12+6201787201561～15691224～1232伽利略系统3024000／／／

（3）GPS定位系统的特点

GPS相对于其它导航与定位系统的特点

（1）全球地面连续覆盖。GPS有24颗卫星，且分布合理，所以在地球上和近地空间上任何一点，均可以连续同步地观测4颗以上卫星、实现全球、全天候连续导航定位。（2）功能多，精度高。GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置，三维速度和时间信息。一般来说，目前其单点实时定位精度可达5m～10m，静态相对定位精度可达1~0.01ppm，测速精度为0.1m/s，而测时精度约为数十纳秒。随着GPS测量技术和数据处理技术的发展，其定位、测速和测时的精度将进一步提高。

（3）实时定位速度快。利用全球定位系统一次定位和测速工作在一秒至数秒钟内便可完成，这对高动态用户来说尤为重要。（4）被动式全天候导航定位。这种导航定位不仅隐蔽性好，而且可以容纳无数多用户。（5）抗干扰性能好，保密性强。由于GPS采用了数字通讯的特殊编码技术，即伪随机噪声码技术，因而GPS卫星所发送的信号，具有良好的抗干扰性和保密性。

GPS应用于测量的特点

相对于经典的测量学来说，这一新技术的主要特点如下：（1）观测站之间无需通视。

（2）定位精度高。在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1～2×10-6，而在100km～500km的基线上可达10-6～10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度达到或优于10-8。（3）观测时间短。

（4）提供三维坐标。（5）操作简便。

（6）全天候作业。

2全球定位系统GPS的组成概况

全球定位系统（GPS）主要由三部分组成，即由GPS卫星组成的空间部分、由若干地面站组成的控制部分和以接收机为主体的广大用户部分.

1空间部分

（1）

GPS空间卫星星座的构成

全球定位系统的空间卫星星座，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55º，各轨道平面升交点（与赤道交点）之间的角距为60º。相邻轨道之间的卫星还要彼此叉开40º。轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分。因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。GPS卫星及其功能

GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg(包括310kg燃料)，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星装有4台高精度原子钟(2台铷钟和2台铯钟)，这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度的时间标准。地面监控部分

GPS的地面监控部分，目前主要由分布在全球的5个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。

GPS地面监控部的分布地面监控系统图(1)监测站

监测站，是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机和若干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。(2)主控站

主控站一个，设在科罗拉多·斯平土(ColoradoSprings)的联合空间执行中心。主控站除协调和管理地面监控系统的工作外，其主要任务是:●根据本站和其它监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。●提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原于钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站。●调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。●启用备用卫星以代替失效的工作卫星。

注入站现有3个，分别设在印度洋的迭哥加西亚(DiegoGarcia)；南大西洋的阿松森岛(Ascencion)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。注入站的主要设备包括二台直径为3.6m的天线、一台C波段发射机和一台计算机。其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。

(3)注入站

用户设备部分

全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用GPS定位的目的。用户设备的主要任务是，接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。

用户设备，主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处理机及其终端设备组成，而GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源。

GPS发展趋势

①继续向小型化、轻型化发展；②结构模块化，减少易损的接口；③控制器小型化，以便用户操作，提高自动化程度；④降低功率消耗；⑤改善存储器管理，增大存储容量；⑥增加接收机的通道数，以便同时跟