1GPS简介解析可编辑

一、GPS简介§1.1空间大地测量技术概述和GPS的产生§1.2GPS系统组成和作用§1.3用户接收机分类§1.4GPS定位基本原理§1.5美国政府的GPS政策§1.1空间大地测量技术概述和GPS的产生一、近、现代的常规定位方法1.采用的仪器设备尺：铟钢尺、钢卷尺、皮尺光学仪器：经纬仪、水准仪电磁波仪器：测距仪、激光指向器综合多种技术的仪器：全站仪其他：陀螺仪（陀螺经纬仪、陀螺全站仪）、罗盘仪2.观测值角度或方向距离高程3.常规定位方法的局限性1）需要事先布设大量的地面控制点/地面站3.常规定位方法的局限性2）观测点之间需要保证通视需要修建觇标/架设高大的天线边长受到限制观测难度大效率低：无用的中间过渡点3.常规定位方法的局限性5)受系统误差影响大，如地球旁折光6)难以确定地心坐标等全球通用坐标3)无法同时精确确定点的三维坐标全站仪-平面；水准仪-高程4)观测受气候、环境条件限制精密测角原则：观测应在目标成像清晰、稳定的有利于观测的时间进行，以提高照准精度和减小旁折光的影响。二、空间大地测量方法(一)(二)(三)(四)(五)三、GPS的产生（一）什么是GPS？GPS的英文全称

NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem

简称GPS，有时也被称作：NAVSTARGPS。其意为：“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称：全球定位系统。（二）卫星导航的发展历史1957年10月，世界上第一颗人造卫星发射成功后，人们就开始了利用卫星进行定位和导航的研究。1960年第一次提出卫星定位的概念。（二）卫星导航的发展历史（1）卫星激光测距---SatelliteLaserRanging（2）卫星测高---SatelliteAltimetr

1.低级阶段：把卫星当作观测目标（1）美国海军导航卫星系统

（卫星多普勒定位系统,子午卫星导航系统)（2）GPS卫星全球定位系统全称为“授时、测距导航系统/全球定位系统”2.高级阶段：通过轨道参数接入定位的动态已知点（三）美国海军导航卫星系统（TRANSITSYSTEM）海军导航卫星系统（NNSS-NavyNavigationSatelliteSystem因卫星轨道为极地轨道，也称为Transit（子午卫星系统）因利用多普勒效应进行导航定位，也称为卫星多普勒定位系统子午卫星1.子午卫星系统组成

空间部分卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz

30=149.988MHz；4.9996MHz

80=399.968MHz；星历）卫星星座–由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km地面控制部分包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台用户部分多普勒接收机大地测量多普勒接收机-1（MX1502）大地测量多普勒接收机-2（CMA751）多普勒联测定位多普勒单点定位2.子午卫星系统应用领域及精度（1）应用领域海上船舶的定位大地测量（2）精度单点定位：15次合格卫星通过，精度约为10m。（两次通过之间的时间间隔为0.8h~1.6h）联测定位：各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m3.子午卫星系统及其局限性系统缺陷卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务导航定位精度低卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响卫星轨道低，难以进行精密定轨4.子午卫星系统小资料TRANSIT系统卫星：6颗极地轨道轨道高度：1075km信号频率：400MHz、150MHz绝对定位精度：1m相对定位精度：0.1m~0.5m定位原理：多普勒定位存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。（四）GPS卫星定位系统的提出第一阶段（1973.12—1978.2）：方案论证初步试验、发射四颗试验卫星、试验样机研制、建立地面跟踪站网

1973年正式开始研发和布署GPS系统1978年第一批4颗卫星发射成功（BlockⅠ）

第二阶段（1979--1987...）：试验阶段发射7颗试验卫星、地面跟踪站网完善、接收机研制、试验观测（导航、授时和测量应用）。

1983年第一次公开GPS系统（此前为军事机密）第三阶段（1994--…..）正式投入运行

1989年2月4日第一颗工作卫星发射.（BlockⅡ）。1993年底24颗工作卫星全部升空，完成组网，卫星寿命约5年,开始试运行阶段。

1995年4月开始正式运行。1999年公布GPS现代化计划（五）GPS系统发展过程（六）GPS卫星定位系统现状（七）GPS系统的技术特点全球地面连续覆盖。地球上任何地点任何时间均可连续地同步观测到至少4颗卫星。在我国最多可同时观测到13颗卫星。从而保障了全球、全天候连续地三维定位。定位精度高。

单频接收机相对定位的精度±（10mm+2×10-6×D），双频接收机为±（5mm+1×10-6×D。在大于1000km的基线上，相对定位精度可达10-9；100km可达10-8。观测简便。在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据.经济效益好。不要求观测站之间通视，不需建造觇标。这一优点既可大大减少观测工作的经费和时间。同时也使点位的选择变得更加灵活§1.2GPS系统组成和作用一、GPS卫星定位系统组成（一）GPS空间部分

GPS卫星的主体呈圆柱形，直径为1.5m，重约774kg，设计寿命为7.5年。主体两侧配有能自动对日定向的双叶太阳能板，为保证卫星正常工作提供电源，通过一个驱动系统保持卫星运转并稳定轨道位置。每颗卫星装有4台高精度原子钟（铷钟和铯钟各两台），以保证发射出标准频率（稳定度为10-12～10-13），为GPS测量提供高精度的时间标准。星座卫星颗数24（21+3）工作卫星均匀分布在6个近圆形轨道面内每个轨道面上有4颗卫星

卫星轨道面相对地球赤道面的倾角55°各轨道平面升交点的赤经相差60°，同一轨道上两卫星之间的升交角距相差90°运行周期:11小时58分轨道高度:20,183公里载波频率(Mhz):L1:1575.42,L2:1227.60调制码:伪随机噪声码:C/A,P每颗卫星上载有2个铷原子钟和2个铯原子钟，稳定性高达10-12～

10-13每颗卫星广播L1和L2波段的载波信号，包括卫星轨道信息、时间信息及辅助信息接收和储存由地面监控系统发射来的导航信息接收并执行地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等向用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其它在轨卫星的概略位置。发送测距码：载波（L1和L2)、C/A-码和P-码(伪随机噪声码）发送卫星星历参数：广播星历（计算卫星位置）和概略星历（卫星位置预报）发送钟差改正参数、电离层和对流层改正参数其他（监测核试验L3和军事用途L4)GPS卫星功能（二）GPS地面监控系统

GPS的地面监控系统主要由分布在全球的五个地面站组成。按其功能分为主控站（MCS）、注入站（GA）和监测站（MS）三种。主控站：一个，设在美国本土的科罗拉多空间中心。主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作。（1）根据所有地面监测站的观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数等，并把这些数据及导航电文传送到注入站；（2）提供全球定位系统的时间基准；（3）调整卫星状态和启用备用卫星等。

注入站：现有三个，分别设在印度洋的迭哥伽西亚、南太平洋的卡瓦加兰和南大西洋的阿松森群岛。其主要任务：是将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。每天注入3次。

监测站：原五个，四个地面站+夏威夷监测站。主要任务:连续观测和接收所有GPS卫星发出的信号并监测卫星的工作状况，将采集到的数据连同当地气象观测资料和时间信息经初步处理后传送到主控站。整个地面监控系统由主控站控制，地面站之间由现代化通信系统联系，无需人工操作，实现了高度自动化和标准化。2000年，美国政府将原5个空军监测站增加了NIMA（美国国家影像与制图局）的10个，其中包括我国房山国家测绘局与NIMA合作建立的监测站。监测站的增加，大大改善了卫星广播星历的精度。对于精密定位任务，用户等效距离误差由原来的4.3m降低到1.3m。（三）用户设备部分接收机功能：收GPS卫星信号并测定卫星至地面站的距离接收卫星发送的导航电接文，获得卫星星历、钟差改正等参数计算观测瞬间的卫星位置、求解接收机位置接收机构成：天线和前置放大器跟踪和接收单元（锁相环）处理和计算单元存储单元控制和显示单元电源单元天线单元接收单元天线类型GPS天线特点：单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单微带天线单极天线特点：结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛。特点：四丝螺旋天线

–单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板空间螺旋天线

–双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称背腔平面盘旋天线锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线空间螺旋天线相位中心平均相位中心与几何中心相位中心的偏移相位中心偏移的消除：归心改正、消去法天线高–标志至平均相位中心所在平面的垂直距离L2的平均相位中心

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2L1的平均相位中心r1r2H’H

HH’hR接收单元接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等存储器微处理器作用：数据处理、控制输入输出设备电源按用途分：测地型、导航型、授时型、姿态测量型

导航型：一般采用伪距单点定位，定位精度较低，体积小、价格低廉，广泛用于船舶、车辆、飞机等运动载体的实时定位及导航。按应用领域又分：手持型、车载型、航海型、航空型以及星载型。测地型：主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度较高，一般相对精度可达±（5mm＋10-6×D）。这类仪器构造复杂，价格昂贵。主要用于精密大地测量、工程测量、地壳形变测量等领域。分为单频机和双频机两种：授时型：利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台授时、电力系统、无线电通讯系统中的时间同步等。姿态测量型：可提供载体的航偏角、俯仰角和滚动角，主要用于船舶、飞机及卫星的姿态测量按使用的GPS信号种类分：C/A-码、P-码、载波相位整机和OEM板单频、双频、三频§1.3用户接收机分类§1.4GPS定位基本原理SPS与PPSSPS–标准定位服务使用C/A码，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS时间=340nsPPS–精密定位服务可使用P码，军用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS时间=200ns§1.5美国政府的GPS政策SA（SelectiveAvailability）政策：选择可用性政策。为保障美国政府的利益与安全，使非特许用户不能获得高精度实时定位，美国国防部对GPS工作卫星发播的信号实行SA政