GPS測距定位系統(tǒng)設計

1、中北大學2012屆畢業(yè)設計說明書1 緒論1.1 論文背景意義 GPS是英文Navigation system timing and ranging/global positioning system的字頭縮寫詞NAVSTAR/GPS的簡稱，通常稱之為全球定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)是美國從20世紀70年代由美國國防部開始研制的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可向人類提供高精度的導航、定位和授時服務。它由24顆在沿距地球約20200km高度的軌道上運行的GPS衛(wèi)星組成1。 GPS作為繼子午衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展起來的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)，具有全球性、全天候、連續(xù)性等優(yōu)點的三維導航和定位能力，以及具有良好的抗

2、干擾性和保密性。它已成為美國導航技術現(xiàn)代化的最重要標志，并被視為20世紀美國繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的又一重大科技成就2。在測量領域較早就開始采用GPS技術，最初，它主要用于建立各種類型和等級的測量控制網(wǎng)，目前它除了仍大量用于這些方面外，在測量領域的其它方面也得到了充分的應用。尤其在各種類型的測量控制網(wǎng)的建立這一方面，GPS定位技術已基本上取代了常規(guī)測量手段，成為主要的技術手段3。 1.2 GPS全球定位系統(tǒng)的組成 GPS全球定位系統(tǒng)從1973年方案論證開始，經(jīng)歷了設計、研制、試驗、組網(wǎng)，到1994年3月組建完成，前后共歷時20多年，同時也耗費了大量的人力財力，是美國繼“阿波羅”登月

3、計劃和航天飛機后第三大航天技術工程。GPS全球定位系統(tǒng)有三個獨立的段組成:空間段、地面控制/檢測網(wǎng)絡和用戶接收設備4。1） 空間段即衛(wèi)星星座，由24顆在軌衛(wèi)星構(gòu)成，如圖1.1所示。在這種配置下，衛(wèi)星位于6個地心軌道平面內(nèi)，每個軌道面4顆衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星的額定軌道周期是半個恒星日即1lh58min。各軌道接近于圓形，且沿赤道以600間隔均勻分布，相對于赤道面的傾斜角額定為550。軌道半徑(即從地球質(zhì)心到衛(wèi)星的額定距離)大約為26600km。位于地平面以上的衛(wèi)星數(shù)隨著時間和地點的不同而不同，最少可見到4顆，最多可見到n顆。這一衛(wèi)星星座為全球用戶提供24h的導航和時間確定能力。 圖1.1 GPS衛(wèi)星

4、星座 2）地面控制段負責監(jiān)測、指揮、控制GPS衛(wèi)星星座，包括一個主控站、三個注入站和五個檢測站，如圖1.2所示。就其功能而言，地面控制段監(jiān)測下行L波段導航信號，更新導航電文，解決衛(wèi)星異常情況。此外，地面控制段還監(jiān)測衛(wèi)星的健康狀況，管理與衛(wèi)星位置保持機動和電池充電相關的任務，指揮衛(wèi)星有效載荷。地面控制段的另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準-GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站檢測各顆衛(wèi)星的時間，并求出時鐘差，然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導航電文發(fā)給用戶設備。 圖1.2 GPS地面監(jiān)控段框圖 3）用戶設備接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號，以獲取必要的導航和定位信息，經(jīng)各種數(shù)據(jù)處理，完成導航和定位工作

5、。用戶設備主要由GPS設備、數(shù)據(jù)處理軟件、微處理機及其終端設備組成；GPS設備包括天線、接收機、電源、輸入輸出設備等，主要用于接收GPS衛(wèi)星信號，以獲得導航和定位信息；GPS軟件部分是指各種后處理軟件包，其作用是對觀測數(shù)據(jù)進行精加工，以獲取精密定位結(jié)果。1.3 GPS應用發(fā)展現(xiàn)狀 隨著GPS接收機的逐步商用化，特別是美國政府取消了SA5(selective Availability)政策(選擇可用性政策，其目的是為了降低非特許用戶GPS定位定時的精度)后，GPS的定位定時精度得到了很大的提高；GPS機價格的進一步降低使得其在民用領域得到迅速的發(fā)展6。1）精密授時 在定位能力受到普遍注意的同時，

6、GPS作為全球精密時間源，其授時服務也在迅速增長。實際上，GPS作為精密時間源，它對商業(yè)和產(chǎn)業(yè)基礎設施的影響要比導航或跟蹤更大。因此，有人建議將系統(tǒng)更名為全球定位和時間服務系統(tǒng)(GPTS)。2）精密定位 大地測量學家采用了原先為無線電天文學開發(fā)的技術，利用GPS載波相位測量在相對定位中達到了毫米級精度。借助這種精密定位的能力可將GPS應用于監(jiān)測大型工程建筑結(jié)構(gòu)在實際載荷條件下的變形，也可以用于農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)和采礦業(yè)中的機械實時控制。另外，將GPS和PC組合，可以收集大量位置數(shù)據(jù)，并將其組織到地理信息系統(tǒng)中(GIS)，最簡單的典型系統(tǒng)可由背包中帶電池和GPS卡的計算機，手持鍵盤和顯示單元組成。一個

7、如此裝備的用戶可以邊走邊采集數(shù)據(jù)，并隨時將信息輸入，產(chǎn)生或更新數(shù)據(jù)庫。3）航空和空間導航 1983年，南朝鮮航班由于導航問題偏離航路，進入蘇聯(lián)空域而被擊落，這次災難引起了人們對GPS應用于民用航空帶來的潛在好處的關注。直到數(shù)年前，民用航空仍完全依靠機載導航系統(tǒng)和地面無線電導航設施進行導航，但無線電導航設施的運行和維護成本昂貴，因而世界大部分地方連基本的無線電導航基礎設施也甚為缺乏。GPS被普遍認為是在無線電出現(xiàn)后民用航空最重要的進步，極大地增強了航空運行的經(jīng)濟性和安全性。在不久的將來，GPS將用做所有飛行階段導航的主要系統(tǒng)，包括自動著陸、機場避撞以及地面交通預警。GPS同樣也給太空活動帶來了極

8、大的好處。與星載定軌軟件組合在一起的GPS接收機和閉環(huán)推進系統(tǒng)能實現(xiàn)衛(wèi)星軌道自主保持。國際空間站正在設計將GPS用于導航、定姿、跟蹤接近空間站的飛行器。航天飛機的導航系統(tǒng)正在將GPS升級改造為返回和著陸時的主要導航手段。4）陸上和海事導航 GPS在陸上運輸中的應用，特別是車輛導航和跟蹤，已成長為一類巨大的產(chǎn)業(yè)?；贕PS的系統(tǒng)和服務，在汽車、商務車隊、公共運輸和急救響應領域有著巨大的需求鐵路公司用GPS進行實時地列車控制?；贕PS的收費系統(tǒng)，確定商務卡車在收費路段上的行使時間和距離，已在歐洲投入使用。世界上有數(shù)以百萬計的游艇、漁船、渡口、巡航線、貨運線和油船均從GPS的應用中獲益7。5）消費

9、市場 通過與無線電技術、互聯(lián)網(wǎng)技術和地理數(shù)據(jù)庫等其他技術的結(jié)合，GPS的功能在民事應用中發(fā)揮的淋漓盡致。GPS的消費產(chǎn)品市場顯示出急劇增長，其推動力是價格低廉的GPS接收機芯片，它可以集成到一系列消費產(chǎn)品中，如手機、個人數(shù)字助理(PDA)，以及汽車、計算機等個人財物的安全設備。車輛信息系統(tǒng)技術提供移動信息，使得獲取運動物體的位置坐標變得十分容易。越來越多的汽車用戶選擇將GPS作為自己的導航工具，利用內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫可以輕而易舉的為用戶在不熟悉的地方提供更好的到達其目的地的路線，以及方便用戶找加油站、飯店或旅游景點等。 GPS潛在的巨大應用是增強GN(E911)。聯(lián)邦通信委員會(FCC)法令要求，至

10、2005年年底美國境內(nèi)的所有移動電話應裝備定位功能，以便在急救中精確確定其位置?？傊?，GPS在工業(yè)、商業(yè)、科學和人們?nèi)粘Ｉ钪械膽每磥硎峭耆珶o限的，新的應用正以不可思議的速度飛速發(fā)展。1.4 利用GPS進行工程測量 GPS定位技術以其精度高、速度快、費用省、操作簡便等優(yōu)良特性被廣泛應用于大地控制測量中，給工程測繪領域帶來了根本性的變革。時至今日，可以說GPS定位技術已完全取代了用常規(guī)測角、測距手段建立的大地控制網(wǎng)。在工程測量領域，GPS定位技術正在日益發(fā)揮其巨大作用。例如利用GPS可進行各級工程控制網(wǎng)的測量、GPS用于精密工程測量和工程變形監(jiān)測、利用GPS進行機載航空攝影測量、利用實時動態(tài)差

11、分法(RTK)技術進行點位的測設等。在災害監(jiān)測領域，GPS可用于地震活躍區(qū)的地震監(jiān)測、大壩監(jiān)測、油田下沉、地表移動和沉降監(jiān)測等，此外還可用來測定極移和地球板塊的運動。1.4.1 GPS測量的特點 GPS可為各類用戶連續(xù)提供動態(tài)目標的三維位置、三維速度及時間信息。GPS測量主要特點如下8 ： 1）功能多、用途廣 GPS系統(tǒng)不僅可以用于測量、導航，還可以用于測速、測時、測速的精度可達0.1s，測時的速度可達幾十毫微妙，其應用領域不斷擴大。2）定位精度高 大量的實驗和工程應用表明，用載波相位觀測量進行靜態(tài)相對定位，在小于50km的基線上，相對定位精度可達110-6，而在100-500km的基線上可達

12、10-6-10-7。隨著觀測技術與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于100km的距離上，相對定位精度達到或優(yōu)于10-8。在RTK和實時差分定位(RTD)方面，定位精度可達到厘米級和分米級，能滿足各種工程測量的要求9。3）實時定位 利用全球定位系統(tǒng)進行導航，即可實時確定運動目標的三維位置和速度，保障運動載體沿預定航線運行，亦可選擇最佳路線。特別是對軍事上動態(tài)目標的導航，具有十分重要的意義。4）觀測時間短 目前，利用經(jīng)典的靜態(tài)相對定位模式，觀測20Km以內(nèi)的基線所需觀測時間，對于碩士論文基于GPS的無線測量系統(tǒng)單頻接收機在l h左右，對于雙頻接收機僅需1520min。采用實時動態(tài)定位模式，流動站初始化

13、觀測15min后，并可隨時定位，每站觀測僅需幾秒鐘。利用GPS技術建立控制網(wǎng)，可縮短觀測時間，提高作業(yè)效益。5）觀測站之間無需通視 經(jīng)典測量技術需要保持良好的通視條件，又要保障測量控制網(wǎng)的良好圖形結(jié)構(gòu)。而GPS測量只要求測站15以上的空間視野開闊，與衛(wèi)星保持通視即可，并不需要觀測站之間相互通視，因而不再需要建造規(guī)標。這一優(yōu)點即可大大減少測量工作的經(jīng)費和時間(一般造標費用約占總經(jīng)費的30%50%)。同時，也使選點工作變得非常靈活，完全可以根據(jù)工作的需要來確定點位，可通視也使電位的選擇變得更靈活，可省去經(jīng)典側(cè)量中的傳算點、過渡點的測量工作。不過也應指出，GPS測量雖然不要求觀測站之間相互通視，但為

14、了方便使用常規(guī)方法聯(lián)測的需要，在布設GPS點時，應該保證至少一個方向通視。6）操作簡便 GPS測量的自動化程度很高。目前GPS接收機已趨小型化和操作傻瓜化，觀測人員只需將天線方向調(diào)整好，再將電源打開即可進行自動觀測，利用數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行處理即求得測點三維坐標。而其它觀測工作如衛(wèi)星的捕獲，跟蹤觀測等均由儀器自動完成。7）可提供全球統(tǒng)一的三維地心坐標 經(jīng)典大地測量對平面和高程采用不同方法分別施測。GPS測量中，在精確測定觀測站平面位置的同時，可以精確測量觀測站的大地高程。GPS測量的這一特點，不僅為研究大地水準面的形狀和確定地面點的高程開辟了新途徑，同時也為其在航空物探、航空攝影測量及精密導

15、航中的應用提供了重要的高程數(shù)據(jù)。GPS定位是在全球統(tǒng)一的WGS-84坐標系統(tǒng)中計算的，因此在全球不同點的測量成果是相互關聯(lián)的。8）全球全天候作業(yè) GPS衛(wèi)星較多，且分布均勻，保證了全球地面被連續(xù)覆蓋，使得在地球上任何地點、任何時候進行項觀測工作，通常情況下，除雷雨天氣不宜觀測，一般不受天氣狀況的影響。 因此，GPS定位技術的發(fā)展是對經(jīng)典測量技術的一次重大突破。一方面，它使經(jīng)典的測量理論與方法產(chǎn)生了深刻的變革；另一方面，也進一步加強了測量學與其他學科之間的相互滲透，從而促進了測繪科學技術的現(xiàn)代化發(fā)展。1.4.2 GPS工程應用展望 GPS測量作業(yè)有著極高的精度。使用GPS進行測量不受環(huán)境和距離限

16、制，非常適合于地形條件困難地區(qū)、常規(guī)測量儀器難以施展的地區(qū)等。 1）GPS測量可以大大提高工作及成果質(zhì)量。它不受人為因素的影響，整個作業(yè)過程全由電子技術、計算機技術控制，自動記錄、自動數(shù)據(jù)預處理、自動平差計算。 2）GPS RTK技術將徹底改變公路測量模式。RTK能實時地獲得所在位置的空間三維坐標。這種技術非常適合路線、橋、隧道勘察，它可以直接進行實地實時放樣、點位測量等。 3）GPS測量可以極大地降低勞動作業(yè)強度，減少野外砍伐工作量，提高作業(yè)效率。 4）GPS高精度高程測量同高精度的平面測量一樣，是GPS測量應用的重要領域。特別是在當前高等級公路逐漸向山嶺重丘區(qū)發(fā)展的形勢下，往往由于這些地區(qū)

17、地形條件的限制，實施常規(guī)水準測量有困難時，GPS高程測量無疑是一種有效的手段10。GPS在公路高程測量中的應用，對高等級公路的勘測手段和作業(yè)方法產(chǎn)生了革命性的變革，極大地提高了勘測精度和勘測效率，特別是實時動態(tài)(RTK)定位技術將在公路勘測、施工和后期養(yǎng)護、管理方面有著廣闊的應用前景11。1.5 本論文的主要內(nèi)容 本文介紹了一種基于GPS的測距硬件系統(tǒng)的設計方法，并在此基礎上詳細介紹了本系統(tǒng)軟、硬件的設計方法。 第一章介紹全球定位系統(tǒng)的發(fā)展背景意義及在工程測繪上的應用，以及本論文的主要研究內(nèi)容。 第二章介紹GPS定位、測距的基本原理，然后引入了全球定位系統(tǒng)所采用的坐標系WGS84大地系，并在此

18、基礎上介紹了兩種根據(jù)經(jīng)緯度計算距離的算法，提出測距系統(tǒng)的整體設計方案。 第三章詳細說明系統(tǒng)硬件部分的設計，包括GPS模塊，無線收發(fā)模塊，USB串口通信模塊，系統(tǒng)電源解決方案，LCD顯示模塊以及系統(tǒng)的核心部分主控器模塊的設計方案以及原理圖。第4章 設計系統(tǒng)的靈魂部分軟件部分，系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)主要包括LCD顯示，數(shù)據(jù)處理、存儲以及USB讀寫的實現(xiàn)方法及相關程序設計。第5章 對系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)進行分析處理，并得出系統(tǒng)的測距精度值，通過與官方公布的數(shù)據(jù)進行對比，得出此系統(tǒng)測量的準確性，系統(tǒng)統(tǒng)性能指標達到了預期效果，是令人滿意的。2 基于GPS的硬件測距系統(tǒng)設計方案2.1 GPS測距系統(tǒng)整體設計方案2.1.

19、1 總體設計當前，GPS OEM板因其功能全面，使用方便，機械尺寸小，以及功耗進一步降低的優(yōu)點已經(jīng)在越來越多的系統(tǒng)中得到應用。本設計中的無線測量功能實現(xiàn)了對目標距離、運動速度等數(shù)據(jù)的測量12。置于待測目標上的GPS手持機部分接收衛(wèi)星信號并解算后，產(chǎn)生包含速度，經(jīng)緯度等信息的定位語句。該定位語句一方面可以由SDT11模塊接收，保存在片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器中，并通過一片分辨率為12864的LCD屏幕有選擇性的將所需信息顯示出來；另一方面，也可以通過無線數(shù)據(jù)發(fā)射模塊將定位語句整體發(fā)送到數(shù)據(jù)接收端，無線數(shù)據(jù)接收模塊將數(shù)據(jù)還原后通過MAX23213電平轉(zhuǎn)換模塊把TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232標準，最終實現(xiàn)與計算機的

20、串口通信，最后在PC端使用軟件方式對定位信號進行采集和數(shù)據(jù)處理，求出所需要的各項數(shù)據(jù)。具體的系統(tǒng)框圖表示如圖2.1和圖2.2： 圖2.1 測距發(fā)射機系統(tǒng)在圖2.1和圖2.2所示的測距系統(tǒng)中，工作過程為：采用兩個GPS分別測量發(fā)射機和接收機處的經(jīng)緯度信息，并利用高速遠距離擴頻通信設備完成從發(fā)射機到接收機的數(shù)據(jù)傳輸，接收機將兩測試點處的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸?shù)诫娔X中，通過上位機軟件完成對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化和距離的測量。此外，發(fā)射機上帶有片上Flash，也可完成對接收數(shù)據(jù)的存儲功能，以便進行離線處理。 圖2.2 測距接收機系統(tǒng)接收機天線部分完成射頻信號的接收，即把衛(wèi)星播發(fā)的電磁波轉(zhuǎn)換成便于處理的電信號。擴頻

21、模塊通過將天線饋送來的微弱信號進行放大、變頻，最終輸出較低的中頻信號并經(jīng)過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字中頻，并送到信號處理部分。微控器是整個接收機系統(tǒng)的核心部分，包括信號的捕獲、跟蹤、解調(diào)，還要根據(jù)信號所反映的信息進行測量值的計算，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時的計算出測站的位置，同時也接受用戶輸入的信息。PC機是連接處理器和用戶信息的橋梁，用戶通過他來輸入和接收測量信息并能存儲信息，相當于鍵盤和顯示器的功能。GPS模塊是提取有用基帶信號，將有用信號傳送給信號處理器。FLASH是接收機的存儲單元。2.1.2 系統(tǒng)所實現(xiàn)的目標與功能完成基于GPS的測距

22、硬件系統(tǒng)設計；并設計相關電路和簡易的軟件平臺；具體要求： (1)測量距離：不小于10km (2)測距精度：10m以內(nèi) (3)USB接口通信速率：1.22Mbps2.2 通過衛(wèi)星產(chǎn)生的測距信號確定位置的原理GPS利用到達時間(TOA)測距原理來確定用戶的位置。這種原理需要測量信號從位置已知的發(fā)射源(例如霧號角、無線電信標或衛(wèi)星)發(fā)出至到達用戶接收機所經(jīng)歷的時間，將這個稱為信號傳播時間的時間段乘以信號的速度(如音速或光速)，便得到從發(fā)射源到接收機的距離。接收機通過測量從多個位置已知的發(fā)射源(即導航臺)所廣播的信號的傳播時間，便能確定自己的位置14。借助于對多顆衛(wèi)星的TOA測量，便可以確定出三維位置

23、。在地心地固(ECEF)坐標系中，假定有一顆衛(wèi)星正在發(fā)射測距信號，該衛(wèi)星上的一個時鐘控制著測距信號廣播的定時。理想情況下，這個時鐘和星座內(nèi)每一顆衛(wèi)星上的時鐘與一個記為GPS系統(tǒng)時的內(nèi)在系統(tǒng)時標有效同步。用戶接收機也包含有一個時鐘，假定它與系統(tǒng)時鐘同步，定時信息內(nèi)嵌在衛(wèi)星的測距信號中，使接收機能夠計算出信號離開衛(wèi)星的時刻。記下接收到衛(wèi)星的時刻，便可以算出衛(wèi)星至用戶的傳播時間，將其乘以光速便求得衛(wèi)星至用戶的距離R。假設當前用戶處于以第一顆衛(wèi)星為球心的球面上的某個位置，此時第二顆衛(wèi)星發(fā)送測距信號進行測量，則用戶又處于以第二顆衛(wèi)星為球心的球面上，這樣該用戶將同時處于兩個球面相交圓周上的一個地方，如圖2

24、.3所示。 圖2.3用戶位于兩球相交的圓周上 利用第三顆衛(wèi)星再次進行上述的測距過程，那么用戶又將出現(xiàn)在以第三顆衛(wèi)星為圓心的球面上，第一顆和第二顆衛(wèi)星相交產(chǎn)生的圓周與這個球面交于兩個點，如圖2.4所示，這兩個交點相對于衛(wèi)星平面來說互為鏡像。然而，其中只有一個是用戶的正確位置，對于地球表面上的用戶來說，很顯然較低的一點是真實位置15。 圖2.4 用戶位置 了解了用衛(wèi)星測距信號和多個球體求解用戶三維位置的原理后，下面具體的研究一下用戶三維位置的求解過程。 圖2.5用戶位置的矢量表示在圖2.5中，設u代表用戶接收機相對于ECEF坐標系原點的位置，矢量s則代表衛(wèi)星相對于坐標原點的位置，而矢量r表示用戶到

25、衛(wèi)星的偏移量，可以用矢量式表示為 （2.1）矢量r的幅值為 （2.2）令為r的幅值，有 （2.3）設用戶位置坐標為衛(wèi)星的坐標為，則上式可改寫為，(2.4)然而接收機的時鐘一般與衛(wèi)星的系統(tǒng)時之間有一個偏移誤差，因此前面的方程式可記為：，(2.5)為了確定用戶的三維位置和偏移量，只要對4顆衛(wèi)星進行偽距測量，即可得到方程組 ，（2.6）式中，j的范圍是1-4，指4顆不同的衛(wèi)星。上式可展開成以。和等未知數(shù)表示的聯(lián)立方程： (2.7) (2.8) (2.9) (2.10)求解該方程組就可以得到用戶的位置（）。2.3 用戶大地坐標(緯度、經(jīng)度和高度)的確定2.3.1 WGS84大地坐標系在GPS中所使用的

26、標準地球模型是圖2.7中所示的美國國防部世界大地1984(WGS84)16。其幾何定義是:原點是地球質(zhì)心，Z軸指向國際時間局(BIH)1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)方向，X軸指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點，Y軸與Z軸、X軸構(gòu)成右手坐標系。WGS84提供了地球形狀的橢球模型，如圖2.6所示。 圖2.6 WGS-84大地坐標系 圖2.7 地球的橢球模型(與赤道面正交的橫截面)在這種模型中地球平行于赤道的橫截面為圓，而地球赤道得橫截面半徑為6378.137km,這是地球的平均赤道半徑。在WGS84地球模型中，垂直于赤道面的地球橫截面是橢圓在包含有z軸的橢圓橫截面中，長軸與

27、地球赤道的直徑相重合，因此半長軸a的值與面給出的平均赤道半徑相同。圖2.7所示的橢圓橫截面的短軸與地球的極半徑相對應在WGS-84中半短軸b取為6356.7523152km，因而地球橢球的偏心率e可由式2.23確定: （2.23）WGS-84中取=0.00669437999014。 從導航電文中獲取的GPS衛(wèi)星位置使用WGS-84坐標表示的，計算得到用戶位當然也是WGS-84坐標值。衛(wèi)星軌道時GPS控制段根據(jù)在地面監(jiān)控站對碼和載波相測量的結(jié)果計算出來的。對監(jiān)控站W(wǎng)GS-84系下的坐標值的精確推算是GPS實際應用WGS-84坐標系關鍵的一步。1980年，坐標值的精度為12m。此后根據(jù)更精確的監(jiān)控

28、坐標值(現(xiàn)在到了厘米級)。有時也用另一參數(shù)來描述參考橢球的特征，即第二偏心率，其定義為 (2.24)WGS84中取=0.00673949674228。 表2.1 WGS84基本參數(shù)(1997年修改）參數(shù)值橢球半徑6378137.0m橢球扁度的倒數(shù)298.257223563地球角速度7292225.010-11rad/s地球重力常量3986004.418108m3/s3真空中的光速2.99792458108m/s2.3.2 求解大地坐標 ECEF(earth centered earth fixed地心地固)坐標系是固定在WGS-84參考橢球上的，圖2.6所示，點o相應于地球中心。現(xiàn)在可以相對于

29、參考橢球來定義緯度、經(jīng)度和高度參數(shù)了。當用這個方式進行定義時，這些參數(shù)稱為大地坐標。在ECEF系中給定了接收機的位置矢量u=()的條件下，可以用平面中測量的用戶與x軸之間的角度計算出大地經(jīng)度(): (2.25) 在式(2.25)中，負的角度相應于西經(jīng)度數(shù)。緯度()和高度(h)等大地參數(shù)用用戶接收機處的橢圓法線來定義。在圖2.7中，橢球法線用單位矢量n來表示。GPS接收機相對于WGS-84橢球計算其高度，然而，在一些地方由于WGS-84橢球與大地水面(當?shù)仄骄Ｆ矫?之間的差異，在地圖上給出的海拔高度可能與從GPS導出的高度有較大的差異。 大地高度就是用戶(在矢量u的末端點)和參考橢球之間的最小距離。大地緯度橢球法線矢量n和n在赤道()平面上的投影之間的夾角。一般情況下，如果0(亦即用戶在北半球)，必取正值;而如果100