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卫星导航定位系统的原理及其应用摘要本文主要介绍了卫星导航定位技术的基本概念与原理。并介绍人类利用卫星导航定位原理所发明的两种导航定位系统美国GPS系统与中国的北斗系统。卫星与接收机距离的测量分为伪距测量原理和相位测量原理，相位测量的精度较高。卫星的定位原理分为绝对定位原理和相对定位原理，相对定位原理完全消除了卫星星历的影响精度更高一些。美国的GPS系统主要由三部分组成分别为：空间部分、地面监控部分、用户部分。该系统的特点在于其与传统测量收与导航手段相比，器观测站之间无需通视只需要卫星通视，而且其定位精度较高、观测时间短、操作简便等中国的北斗系统是中国为了克服GPS系统所带来的限制中国人自主研发的空间卫星系统。其特点突出，北斗系统不但可以进行导航也可以进行定位，同时还能进行授时和短信服务美国的GPS系统与中国的北斗系统的导航功能在旅游与汽车导航方面的应用极大地改善了人们的生活关键词：卫星定位原理；北斗系统；GPS系统；导航序言随着科学技术的发展，尤其是空间科学技术的发展无论是在导航还是定位、授时方面，卫星定位于导航与人们的生活越来越密切。卫星的定位在大地测量方面、灾害监测中、土地资源调查中，地震测量中等方面都有着不可替代的作用。卫星的导航技术更是渗透于人们的生活当中旅游、汽车导航等等无一不说明卫星定位导航系统的重要性。所以本文通过对卫星导航系统定位原理的介绍以及在其技术基础上锁发展的定位导航系统，即中国的北斗系统与美国的GPS系统。让大家更能深刻了解定位导航技术的原理及其工作方式。1卫星导航定位原理1.1定位原理的基本概念卫星定位的基本概念是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置，此处至少需要4颗卫星才能完场卫星定位。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：图1.14颗卫星定位的原理图上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数，其中di=c△ti(i=1、2、3、4)。di(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。△ti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。c为GPS信号的传播速度(即光速)。四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。1.2伪距测量原理1.伪距测量的基本原理每一个卫星播发一个伪随机测距信号，该信号大约每毫秒播发一次，接收机同时复制出一个相同结构的信号，并与接受到的卫星信号进行比较，它与卫星信号有一个延时差从而获得信号的延时时间(dt),如下图1.2所示。从而推算出卫星至接收机的距离dt接收到卫星测距码接收仪复制出的测距码图1.22.伪距测量的劣势（1）伪距测量是一种有码信号测量方式，必须知道卫星上发出的是什么信号，接收机要复制相同的码信号才能测定，若不知其一，则不能测出距离。（2）有码信号测量的精度比较差。一个码源传播所需要的时间长而仪器能分辨的码源宽度只能分辨到百分之一。也就是说，误差是码源宽度的百分之一，所以误差较大。1.3相位测量原理相位测量的原理是利用卫星上的两种载波信号L1和L2，将码信号（C/A码信号、P码信号）在载波上进行调制。卫星定位系统接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。1.4绝对定位原理1.绝对定位原理的定义以地球质心为参考点，确定接收天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。定位工作仅需一台接收机工作，因此又称单点定位。绝对定位是以卫星至用户接收机天线之间的距离为基本观测量，并利用已知的卫星瞬时坐标来确定接收机天线的位置。绝对定位可分为动态绝对定位、静态绝对定位。（1）动态绝对定位接收机天线安装在运动载体上（汽车、飞机、船舶等）来对其进行定位，即确定运动载体的瞬时位置。其精度较低一般为10m-30m。多用于飞机汽车导航。（2）静态绝对定位静态绝对定位精度较高。接收机天线处于静态位置确定观测站绝对坐标。因为可连续测定卫星至观测站之间的距离，可获得充分的观测量，根据数据处理的结果提高了导航精度。（3）绝对定位的应用与不足主要用于大地测量，以精确测定该点的绝对位置坐标。在伪距观测中有三个观测未知数和一个时间参数，接收机至少跟踪四颗以上卫星。绝对定位原理的不足在于其精度受卫星轨道误差、钟差及信号传播误差等，主要是由于卫星位置误差产生，且该误差不可忽略。1.5相对定位原理1.静态相对定位使用两台或两台以上的接收机固定安置。确定一台接收机相对于另一台接收机的位置。2.动态相对定位使用两台接收机，其中一台接收机安置在基准站上不动，另一台接收机安装在运动载体上，以确定其相对位置。相对定位有三种模式单差：不同观测站同步观测相同卫星所测得观测量值差。双差：不同观测站同步观测同一组卫星所得单差观测量之差。三差：不同历元同步观测同一组卫星所得双差观测量只差。3.相对定位原理的优势相对定位完全消除了卫星星历误差及卫星钟的误差，所以相对定位的精度高。2全球定位（GPS）系统2.1GPS系统的结构组成GPS系统主要由三部分组成：空间部分、地面监控部分、用户部分。1.空间部分空间部分主要由卫星组成。由21颗工作卫星，3颗备用卫星组成，均分布在六个轨道上，轨道的倾角为55°，轨道高度为:远地点26560km，近地点20200km。卫星运行周期为11小时58分钟。在地球的任何地点、任何时间都能同时看到4—8颗GPS卫星。空间部分的存在主要是为了提供星历和时间信息、发伪距和载波信息、提供其他辅助信息。2.地面监控部分地面监控部分由1个主控站，3个注入站和5个监测站构成。地面监控部要是用于检测和控制卫星运行、编算卫星星历、保持系统时间。3.用户部分用户部分由用户接收机接收机构成。用户部分主要是接收并观测卫星信号记录和处理接受到的卫星数据为导航定位提供信息。2.2GPS系统的特点1.观测站之间无需通视2.定位精度高当基线为50km时，精度达到1—2×10-4当基线为100—500km时，精度达到10-4—10-7当基线为1000km时，精度达道10-43.观测时间段，在小于货真等于20km时，相对定位只需几十分钟。4．提供三维坐标5．操作简便(架设天线量取仪器高，采集气象信息并输入测站信息)6.全天候作业，而常规的导航在晚上工作会受到限制。3中国北斗系统3.1中国北斗导航系统建设进程1．2007年4月24日，我国成功发射了首颗试验卫星COMPASS—M1，截止日前发射16颗北斗导航卫星。2．2012年12月27日开始正式提供区域服务，并公布了北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件ICD(1.0版)，标志着北斗卫星导航系统建设三步走的第二步顺利实现。3．目前，北斗卫星导航系统可向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务，其位置精度为平面10米，高程10米，测量精度每秒0.2米，授时精度为单行50纳秒。3.2中国北斗系统的结构组成1．空间端中国北斗系统其空间端计划建成覆盖全球的35颗卫星导航定位系统，其中包括目前已发射的第一代4颗卫星在内的5颗静止卫星，其中3颗卫星是同步倾斜，37颗卫星是中轨卫星。2.地面端地面端由主控站、注入站和监控站等构成。3.用户端用户端由兼容性用户接收机及导航系统组成。3.3中国北斗系统的特点中国北斗卫星相对于世界上其他三大卫星系统来说，有着他们没有的优势。中国北斗系统将短信服务与导航相结合，并且增加了通信功能。其他三大卫星系仅仅是导航、定位和授时，同时还能进行授时和短信服务，全天候快速定位，极少有盲区精度与GPS相当且兼容GPS（即北斗卫星进行导航时也可以接收来自GPS卫星信号，一起进行处理进行导航进行定位）特别适合集团用户的大范围监控和管理以及无依托地区的数据采集与用户数据的传输，是我国自主研发，高强度加密的设计，因此该系统比较安全、可靠和稳定，适合关键部门的应用。可在全球范围内全天候地实时地进行各类运载工具导航各类民用的定位。总结与展望本文主要介绍了卫星定位导航技术的原理与全球著名的两种卫星导航系统，美国的GPS导航系统和中国的北斗卫星导航系统。详细阐述了卫星定位的工作原理，和卫星系统定位与导航的工作方式。在建立全球卫星定位系统之初是为了定位和导航，但随着科学技术的发展，全球卫星定位技术也可以进行大地测量和工程测量的精密定位，时间传递和速度测量，在测绘领域，全球定位技术已用于建立高精度的大地测量控制网，测定地球动态参数；在精密工程的变形监测方面，它也发挥着极其重要的作用。可以预测，随着GPS技术的进一步发展，GPS的应用将进入我们的日常生活，甚至会改变我们的生活方式。所有的运载工具，都将依赖于卫星定位导航，卫星定位导航就像移动电话，计算机互联网对我们的生活产生的影响一样，人们逐渐离不开它。参考文献：[1]童铠,陆文福.卫星导航定位系统的发展概况及其应用前景[J].宇航计测技术,1986,(01).[2]李天文.GPS原理及其应用[M].北京：科学出版社，2010.[3]吴学伟、伊晓东主编者.GPS定位技术与应用.[M]北京：科学出版社，2010.[4]胡友健.全球定位系统（GPS）原理与应用[M].武汉：中国地质大学出版社,2003.[5]袁建平、罗建军、越小奎、方群.卫星导航原理与应用[M].北京：中国宇航出版社，2003.[6]邱致和.王万义译，GPS原理与应用，北京：电子工业出版社2002.