1GPS簡介解析可編輯

一、GPS簡介§1.1空間大地測量技術(shù)概述和GPS的產(chǎn)生§1.2GPS系統(tǒng)組成和作用§1.3用戶接收機分類§1.4GPS定位基本原理§1.5美國政府的GPS政策§1.1空間大地測量技術(shù)概述和GPS的產(chǎn)生一、近、現(xiàn)代的常規(guī)定位方法1.采用的儀器設備尺：銦鋼尺、鋼卷尺、皮尺光學儀器：經(jīng)緯儀、水準儀電磁波儀器：測距儀、激光指向器綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀其他：陀螺儀（陀螺經(jīng)緯儀、陀螺全站儀）、羅盤儀2.觀測值角度或方向距離高程3.常規(guī)定位方法的局限性1）需要事先布設大量的地面控制點/地面站3.常規(guī)定位方法的局限性2）觀測點之間需要保證通視需要修建覘標/架設高大的天線邊長受到限制觀測難度大效率低：無用的中間過渡點3.常規(guī)定位方法的局限性5)受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光6)難以確定地心坐標等全球通用坐標3)無法同時精確確定點的三維坐標全站儀-平面；水準儀-高程4)觀測受氣候、環(huán)境條件限制精密測角原則：觀測應在目標成像清晰、穩(wěn)定的有利于觀測的時間進行，以提高照準精度和減小旁折光的影響。二、空間大地測量方法(一)(二)(三)(四)(五)三、GPS的產(chǎn)生（一）什么是GPS？GPS的英文全稱

NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem

簡稱GPS，有時也被稱作：NAVSTARGPS。其意為：“導航星測時與測距全球定位系統(tǒng)”，或簡稱：全球定位系統(tǒng)。（二）衛(wèi)星導航的發(fā)展歷史1957年10月，世界上第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功后，人們就開始了利用衛(wèi)星進行定位和導航的研究。1960年第一次提出衛(wèi)星定位的概念。（二）衛(wèi)星導航的發(fā)展歷史（1）衛(wèi)星激光測距---SatelliteLaserRanging（2）衛(wèi)星測高---SatelliteAltimetr

1.低級階段：把衛(wèi)星當作觀測目標（1）美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)

（衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng),子午衛(wèi)星導航系統(tǒng))（2）GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)全稱為“授時、測距導航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)”2.高級階段：通過軌道參數(shù)接入定位的動態(tài)已知點（三）美國海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)（TRANSITSYSTEM）海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS-NavyNavigationSatelliteSystem因衛(wèi)星軌道為極地軌道，也稱為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）因利用多普勒效應進行導航定位，也稱為衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)子午衛(wèi)星1.子午衛(wèi)星系統(tǒng)組成

空間部分衛(wèi)星：發(fā)送導航定位信號（信號：4.9996MHz

30=149.988MHz；4.9996MHz

80=399.968MHz；星歷）衛(wèi)星星座–由6顆衛(wèi)星構(gòu)成，6軌道面，軌道高度1075km地面控制部分包括：跟蹤站、計算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺用戶部分多普勒接收機大地測量多普勒接收機-1（MX1502）大地測量多普勒接收機-2（CMA751）多普勒聯(lián)測定位多普勒單點定位2.子午衛(wèi)星系統(tǒng)應用領(lǐng)域及精度（1）應用領(lǐng)域海上船舶的定位大地測量（2）精度單點定位：15次合格衛(wèi)星通過，精度約為10m。（兩次通過之間的時間間隔為0.8h~1.6h）聯(lián)測定位：各站共同觀測17次合格衛(wèi)星通過，精度約為0.5m3.子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性系統(tǒng)缺陷衛(wèi)星少，觀測時間和間隔時間長，無法提供實時導航定位服務導航定位精度低衛(wèi)星信號頻率低，不利于補償電離層折射效應的影響衛(wèi)星軌道低，難以進行精密定軌4.子午衛(wèi)星系統(tǒng)小資料TRANSIT系統(tǒng)衛(wèi)星：6顆極地軌道軌道高度：1075km信號頻率：400MHz、150MHz絕對定位精度：1m相對定位精度：0.1m~0.5m定位原理：多普勒定位存在問題：衛(wèi)星少，無法實現(xiàn)實時定位；軌道低，難以精密定軌；頻率低，難以消除電離層影響。（四）GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的提出第一階段（1973.12—1978.2）：方案論證初步試驗、發(fā)射四顆試驗衛(wèi)星、試驗樣機研制、建立地面跟蹤站網(wǎng)

1973年正式開始研發(fā)和布署GPS系統(tǒng)1978年第一批4顆衛(wèi)星發(fā)射成功（BlockⅠ）

第二階段（1979--1987...）：試驗階段發(fā)射7顆試驗衛(wèi)星、地面跟蹤站網(wǎng)完善、接收機研制、試驗觀測（導航、授時和測量應用）。

1983年第一次公開GPS系統(tǒng)（此前為軍事機密）第三階段（1994--…..）正式投入運行

1989年2月4日第一顆工作衛(wèi)星發(fā)射.（BlockⅡ）。1993年底24顆工作衛(wèi)星全部升空，完成組網(wǎng)，衛(wèi)星壽命約5年,開始試運行階段。

1995年4月開始正式運行。1999年公布GPS現(xiàn)代化計劃（五）GPS系統(tǒng)發(fā)展過程（六）GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)現(xiàn)狀（七）GPS系統(tǒng)的技術(shù)特點全球地面連續(xù)覆蓋。地球上任何地點任何時間均可連續(xù)地同步觀測到至少4顆衛(wèi)星。在我國最多可同時觀測到13顆衛(wèi)星。從而保障了全球、全天候連續(xù)地三維定位。定位精度高。

單頻接收機相對定位的精度±（10mm+2×10-6×D），雙頻接收機為±（5mm+1×10-6×D。在大于1000km的基線上，相對定位精度可達10-9；100km可達10-8。觀測簡便。在觀測中測量員的主要任務只是安裝并開關(guān)儀器、量取儀器高、監(jiān)視儀器的工作狀態(tài)和采集環(huán)境的氣象數(shù)據(jù).經(jīng)濟效益好。不要求觀測站之間通視，不需建造覘標。這一優(yōu)點既可大大減少觀測工作的經(jīng)費和時間。同時也使點位的選擇變得更加靈活§1.2GPS系統(tǒng)組成和作用一、GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)組成（一）GPS空間部分

GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形，直徑為1.5m，重約774kg，設計壽命為7.5年。主體兩側(cè)配有能自動對日定向的雙葉太陽能板，為保證衛(wèi)星正常工作提供電源，通過一個驅(qū)動系統(tǒng)保持衛(wèi)星運轉(zhuǎn)并穩(wěn)定軌道位置。每顆衛(wèi)星裝有4臺高精度原子鐘（銣鐘和銫鐘各兩臺），以保證發(fā)射出標準頻率（穩(wěn)定度為10-12～10-13），為GPS測量提供高精度的時間標準。星座衛(wèi)星顆數(shù)24（21+3）工作衛(wèi)星均勻分布在6個近圓形軌道面內(nèi)每個軌道面上有4顆衛(wèi)星

衛(wèi)星軌道面相對地球赤道面的傾角55°各軌道平面升交點的赤經(jīng)相差60°，同一軌道上兩衛(wèi)星之間的升交角距相差90°運行周期:11小時58分軌道高度:20,183公里載波頻率(Mhz):L1:1575.42,L2:1227.60調(diào)制碼:偽隨機噪聲碼:C/A,P每顆衛(wèi)星上載有2個銣原子鐘和2個銫原子鐘，穩(wěn)定性高達10-12～

10-13每顆衛(wèi)星廣播L1和L2波段的載波信號，包括衛(wèi)星軌道信息、時間信息及輔助信息接收和儲存由地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)射來的導航信息接收并執(zhí)行地面監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的控制指令，如調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用時鐘、備用衛(wèi)星等向用戶連續(xù)不斷地發(fā)送導航與定位信息，并提供時間標準、衛(wèi)星本身的空間實時位置及其它在軌衛(wèi)星的概略位置。發(fā)送測距碼：載波（L1和L2)、C/A-碼和P-碼(偽隨機噪聲碼）發(fā)送衛(wèi)星星歷參數(shù)：廣播星歷（計算衛(wèi)星位置）和概略星歷（衛(wèi)星位置預報）發(fā)送鐘差改正參數(shù)、電離層和對流層改正參數(shù)其他（監(jiān)測核試驗L3和軍事用途L4)GPS衛(wèi)星功能（二）GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)

GPS的地面監(jiān)控系統(tǒng)主要由分布在全球的五個地面站組成。按其功能分為主控站（MCS）、注入站（GA）和監(jiān)測站（MS）三種。主控站：一個，設在美國本土的科羅拉多空間中心。主控站負責協(xié)調(diào)和管理所有地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作。（1）根據(jù)所有地面監(jiān)測站的觀測資料推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據(jù)及導航電文傳送到注入站；（2）提供全球定位系統(tǒng)的時間基準；（3）調(diào)整衛(wèi)星狀態(tài)和啟用備用衛(wèi)星等。

注入站：現(xiàn)有三個，分別設在印度洋的迭哥伽西亞、南太平洋的卡瓦加蘭和南大西洋的阿松森群島。其主要任務：是將來自主控站的衛(wèi)星星歷、鐘差、導航電文和其它控制指令注入到相應衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。每天注入3次。

監(jiān)測站：原五個，四個地面站+夏威夷監(jiān)測站。主要任務:連續(xù)觀測和接收所有GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號并監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀況，將采集到的數(shù)據(jù)連同當?shù)貧庀笥^測資料和時間信息經(jīng)初步處理后傳送到主控站。整個地面監(jiān)控系統(tǒng)由主控站控制，地面站之間由現(xiàn)代化通信系統(tǒng)聯(lián)系，無需人工操作，實現(xiàn)了高度自動化和標準化。2000年，美國政府將原5個空軍監(jiān)測站增加了NIMA（美國國家影像與制圖局）的10個，其中包括我國房山國家測繪局與NIMA合作建立的監(jiān)測站。監(jiān)測站的增加，大大改善了衛(wèi)星廣播星歷的精度。對于精密定位任務，用戶等效距離誤差由原來的4.3m降低到1.3m。（三）用戶設備部分接收機功能：收GPS衛(wèi)星信號并測定衛(wèi)星至地面站的距離接收衛(wèi)星發(fā)送的導航電接文，獲得衛(wèi)星星歷、鐘差改正等參數(shù)計算觀測瞬間的衛(wèi)星位置、求解接收機位置接收機構(gòu)成：天線和前置放大器跟蹤和接收單元（鎖相環(huán)）處理和計算單元存儲單元控制和顯示單元電源單元天線單元接收單元天線類型GPS天線特點：單頻或雙頻（雙極結(jié)構(gòu)）、需要較大的底板、相位中心穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單微帶天線單極天線特點：結(jié)構(gòu)簡單、單頻或雙頻、側(cè)視角低（適合于機載應用）、低增益、應用最為廣泛。特點：四絲螺旋天線

–單頻、難以調(diào)整相位和極化方式、非方位對稱、增益特性好、不需要底板空間螺旋天線

–雙頻、增益特性好、側(cè)視角高、非方位對稱背腔平面盤旋天線錐形（螺旋）天線四絲螺旋天線空間螺旋天線相位中心平均相位中心與幾何中心相位中心的偏移相位中心偏移的消除：歸心改正、消去法天線高–標志至平均相位中心所在平面的垂直距離L2的平均相位中心

1

2L1的平均相位中心r1r2H’H

HH’hR接收單元接收（信號）通道定義：接收機中用來跟蹤、處理、量測衛(wèi)星信號的部件，由無線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。類型：根據(jù)信號跟蹤方式：序慣通道、多路復用通道和多通道；根據(jù)工作原理：碼相關(guān)通道、平方通道等存儲器微處理器作用：數(shù)據(jù)處理、控制輸入輸出設備電源按用途分：測地型、導航型、授時型、姿態(tài)測量型

導航型：一般采用偽距單點定位，定位精度較低，體積小、價格低廉，廣泛用于船舶、車輛、飛機等運動載體的實時定位及導航。按應用領(lǐng)域又分：手持型、車載型、航海型、航空型以及星載型。測地型：主要采用載波相位觀測值進行相對定位，定位精度較高，一般相對精度可達±（5mm＋10-6×D）。這類儀器構(gòu)造復雜，價格昂貴。主要用于精密大地測量、工程測量、地殼形變測量等領(lǐng)域。分為單頻機和雙頻機兩種：授時型：利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺授時、電力系統(tǒng)、無線電通訊系統(tǒng)中的時間同步等。姿態(tài)測量型：可提供載體的航偏角、俯仰角和滾動角，主要用于船舶、飛機及衛(wèi)星的姿態(tài)測量按使用的GPS信號種類分：C/A-碼、P-碼、載波相位整機和OEM板單頻、雙頻、三頻§1.3用戶接收機分類§1.4GPS定位基本原理SPS與PPSSPS–標準定位服務使用C/A碼，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS時間=340nsPPS–精密定位服務可使用P碼，軍用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS時間=200ns§1.5美國政府的GPS政策SA（SelectiveAvailability）政策：選擇可用性政策。為保障美國政府的利益與安全，使非特許用戶不能獲得高精度實時定位，美國國防部對GPS工作衛(wèi)星發(fā)播的信號實行SA政