8GPS

GlobalPositionSystem7.1概述7.2全球定位系统（GPS）的组成7.3GPS卫星定位基本原理7.4GPS接收机及其工作原理7.5GPS测量实施GPS是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范(GeometricalProductSpecifications)-简称GPS。另外一种解释为G/s（GBpers）§7.2GPS的组成全球定位系统（GPS）主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分三大部分组成空间星座部分1．GPS卫星星座全球定位系统的空间星座部分由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗可随时启用的备用卫星。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为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°。轨道平均高度为20200km，卫星运行周期为11小时58分。在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多时达11颗。2．GPS卫星及功能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，为GPS测量提供高精度的时间标准。GPS卫星的主要功能是：（1）接收和储存由地面监控系统发射来的导航信息；（2）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；（3）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。3．GPS卫星信号及SA技术地面监控部分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（图16-5）。主控站：设在美国本土的科罗拉多空间中心。负责协调和管理所有地面监控系统，具体任务：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；提供全球定位系统的时间基准；调整卫星状态和启用备用卫星；还具有监测站功能等。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；亦具有监测站功能。监测站：原有五个（含上述四个地面站，另一个设在夏威夷）。用户设备部分GPS的用户设备部分，包括GPS接收机硬件、数据处理软件和微处理机及其终端设备等。§7.3GPS卫星定位基本原理伪距观测值及伪距单点定位伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值，所采用的伪距观测值既可以是C/A码伪距，也可以是P码伪距。通过测定某颗卫星发送信号的时刻接收机收到该信号的时刻，求时间延迟，解得卫星到接收机天线的空间距离。载波相位观测值及观测方程载波相位测量是高精度观测数据的方法。载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线性组合。载波相位测量相对测量GPS实时差分定位单GPS系统提供的定位精度是优于25米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。工作原理都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。1.位置差分2.伪距差分3.载波相位实时差分4.广域差分§7.4GPS接收机及其工作原理GPS接收机的分类1.按接收机的用途分类(1)导航型接收机此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低一般为±25m,有SA影响时为±100m。这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分为：车载型——用于车辆导航定位；航海型——用于船舶导航定位；航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达7公里/s以上，因此对接收机的要求更高。(2)测地型接收机测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。(3)授时型接收机这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。GPS接收机的构造和工作原理GPS接收机主要由1、GPS接收机天线单元；2、GPS接收机主机单元；3、电源三部分组成。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存贮器及显示器组成（见下图）。1.GPS接收机天线(1)单板天线(2)四螺旋形天线(3)微带天线(4)锥形天线2.接收机主机(1)变频器及中频接收放大器(2)信号通道(3)存贮器(4)微处理器(5)显示器3.电源§7.5GPS测量实施（1）GPS控制网设计GPS控制网精度指标（2）GPS网布设形式选点、建标测站观测内业数据处理