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1、一、GPS 系统的定义GPS 是利用导航卫星进行测距、测速和定位，能够连续、实时、全天候地为全球范围内海陆空各个用户提供高精度的三维位置、速度和时间信息的窨无线电导航系统。全球卫星导航定位技术分为以下两类：?美国的GPS?俄罗斯的GLONASS 美国的全球卫星定位系统（GPS），是继阿波罗登月和航天飞机之后的第三航天工程。1973 年美国授权研制第二代星际被动式无线导航定位系统，1993 年全部发射部署完毕，1995 年 4 月 17 日达到全运行状态。俄罗斯的全球导航卫星系统（Global Navigation Satelite System）简称GLONASS，是前苏联于1982 年宣布研
2、制的全球导航定位系统。前苏联解体前发射了10 颗，随后俄罗斯于1996 年 1 月 18 日发射部署完毕，并投入全运行状态。二、GPS 系统的组成GPS 系统由三部分组成：空间部分、地面控制部分和用户部分。1。空间部分GPS 的空间部分由24 颗飞行在20183km 高空的GPS 工作卫星组成，这些GPS 工作卫星共同组成了GPS 卫星星座，其中21 颗为可用于导航的卫星，另3 颗为活动的备用卫星。这 24 颗卫星分布在6 个倾角为55 度的轨道上绕地球运动。卫星的运动周期约为12 恒星时。每颗GPS 卫星发射两种频率的载波信号，即频率10。23MHz 的 154 倍和120 倍它们的波长分别
3、为19。03cm 和 24.42cm。在L1 和 L2 上又分别调制着多种信号，这些信号主要有以下3 种。?C/A 码，又称为粗捕获码，它被调制在L1 载波上，是1MHz 的伪随机噪声码（PRN 码），其码长为1023 位（周期为1ms）。由于每颗卫星的C/A 码都不一样，因此，经常用它们的PRN 号来区分它们。C/A 码是普通用户用以测定监测站到卫星间的距离的一种主要信号。?P 码，又称为精码，它被调制在L1 和 L2 载波上，是10MHz 的伪伪随机噪声码，其周期为7 天。在实施AS 时，P 码与 W 码进行模二相加生成保密的Y 码。此时，一秀用户无法利用P 码来进行导航定位。?导航信息，
4、导航信息被调制在L1 载波上，其信号频率为50Hz，包含GPS 卫星的轨道参数、卫星时钟改正数和其他一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻 GPS 卫星在地球轨道上的位置。导航信息也称为广播星历。2?地面控制部分GPS 的地面控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站组成的监控系统所构成。根据其作用的不同，这些跟踪站又分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国科罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地。它的作用是根据各监控站对GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星时钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入以卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布
5、指令；当工作卫星出现故障时，高度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站还具有监控站的功能。监控站有5 个，除了主控站外，其他4 个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、和卡瓦加兰（Kwajalein）。监控站的作用是招收卫星信号，监测卫星的工作状态。注入站有3 个它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、和卡瓦加兰（Kwajalein）。注入站的作用是将主控站计算也的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6
6、 页 -3?用户部分GPS 的用户部分由GPS 招收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等组成。它的作用是招收GPS 卫星所发也的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。GPS 招收机最简单的使用是不组网单机使用，例如船用导航仪，陆用手持定位仪等。它包括以下组件。?有源天线（含前置放大器）；?高频信号识别和处理电路；?用于控制招收机捕捉数据、解释导航电文的微机；?进行差分基准信号招收和差分运算（前向差分）；?操作健、显示板和数据差分存储器；?其他附属部件，如石英钟、电源等。说明：历书 GPS 卫星都播发有关它们自身的导航信号，告诉接收机哪些卫星处于工作状态以及它们的位置。GPS 用码
7、信号来识别它们的书，告诉接收机在地平线上的点由哪些星可以接收。星历把卫星的精确位置准确地告诉接收机，每颗卫星都播发自己的星历。星历是“超级历书”。三、GPS 定位原理和方法1?定位原理GPS 采用交互定位的原理。已知几个点的距离，则可求出求未知所处的位置。对GPS 而言，已知点是空间的卫星，未知点是地面某一移动目标。卫星的距离由卫星信号传播时间来测定，将传播时间乘上光速可求出距离。R=vt 其中，无线信号传输速度为v=3X10 8 m/s,卫星信号传到地面时间为t（卫星信号传送到地面大约需要0.06s）。最基本的问题是要求卫星和用户接收机都配备精确的时钟。但一般为降低成本，用户接收机都用石英钟
8、。卫星上则采用原子钟用金属元素制作的金色钟（耗资达100 万美元）。由于光速很快，要求卫星和接收机相互间同步精度达到纳秒级（10-6 秒），由于接收机使用石英钟，因此测量时会产生较大的误差，不过该意味着在通过计算机后可被忽略。同时，因为每颗卫星之间的时钟同步性十分精确，只要同时跟踪4 颗 GPS 可见卫星后训能解算出经度、纬度、高度及接收机钟差。这是典型的由4 个方程求解4 个未知数的数学运算。一个GPS 接收机必须同是接收4 颗卫星才能进行三维定位。对于实时厘米级定位精度，则要求同时接收5 颗以上的卫星。在理想情况下，因为GPS 系统有24 颗卫星环绕地球运动，通常在水平角10 度以上都能观
9、测到7 颗卫星。但如果附近有山、建筑物或其他遮挡物，则所能观测到的卫星会更少，这样接收机就很难定位，故有些应用还要与惯性导航技术相结合。2?定位方法GPS 定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS 定位方法可依据不同的分类标准，做如下划分。(1)?观测值定位名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -在 GPS 定位中，经常采用下列观测值中的一种进行数据处理，以确定也待定点之间的基线向量。?L1 载波相位观测值?L2 载波相位观测值（半波或全波）?调制在L1 上的C/A 码伪距?调制在L1 上的P 码伪距?调制在L1 上的P 码伪距?
10、L1 上的多普勒频移?L2 上的多普勒频移实际上，在进行GPS 定位时，除了大量使用上面的观测值进行数据处理以外，还经常使用一些特殊观测值，如宽巷观测值（Wide-Lane）、窄巷观测值（Narrow-Lane）、消除电离层延迟的观测值(Ion-Free)来进行数据处理。这些特殊观测值是由前面的观测值通过某些组合形成的。(2)伪距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。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位；其缺点是观测值精度低，C/A 码伪距观测值的精度一般为3
11、m，而 P 码伪距观测值的精度一般在30m 左右，从而导致定位精度低。另外，若采用精度较高的P 码伪码观测值，还存在精度的问题。（3）载波相位定位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。载波相位定位的优点是观测值的精度高，其缺点数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。（4）根据模式的定位?绝对定位绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式。它所确定的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。?相对定位相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收
12、机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。（5）根据获取定位结果的时间定位?实时定位实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。非实时定位非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行处理后进行定位的方法。（6）根据定位时接收机的运动状态定位?动态定位所谓动态定位，就是在进行GPS 定位时，认为接收机的天线在整个观测进程中的位置是变化的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。动态定位又分为Kinematic 和 Dynamic 两类。?静态定位所谓静态定位，就是在进行GPS 定位时，认为接收机的天
13、线在整个观测进程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式是多台接收机在不同的观测站上进行静止同步观测，观察时间有几分钟、几小时到数十小时不等。四、GPS 定位的误差因素和提高精度的方法1 GPS 定位的误差因素在利用GPS 进行定位时，会受到各种各样因素的影响。这些因素可以分为以下4 大类。?与 GPS 卫星有关的因素SA 美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（技术）和在GPS 的基准信号中加入高频
14、抖动（技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS 进行导航定位的精度。常见的方法有以下几种。?卫星星历误差，在进行GPS 定位时，在某时刻计算GPS 卫星所在的卫星参数是通过各种类型的星历提供的；但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，就是是所谓的星历误差。?卫星钟差，是GPS 卫星上所安装的原子钟的钟面时间与GPS 标准时间之间的误差。?卫星信号发射天线相位中心偏差，是GPS 卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。?与传播途径有关的因素?电离层延迟。由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生了变化，这种变化称为电离
15、层延迟。电磁波受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上的电子总含量有关。?对流层延迟。由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS 信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。?多路径效应。由于接收机周围环境的影响，使得接收机接收到的卫星信号中还包含各种反射和折射信号，这就是所谓的多路径效应。?与接收机有关的因素?接收机钟差。接收机钟差是GPS 接收机所使用的钟的钟面时与GPS 标准时之间的差异。?接收机天线相位中心偏差。这是GPS 接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。?接收机软件和硬件造
16、成的误差。在进行GPS 定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制系统所用软件和硬件等的影响。?其他因素?GPS 控制部分人为或计算机造成的影响。?由于GPS 控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。?数据处理软件的影响。?数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。2?提高 GPS 定位精度的方法（1）差分GPS（Differential GPS）针对美国有关政策，各国在GPS 应用中为提高定位精度，都采用了差分技术。根据差分运算配置的位置不同可将其分为前向差分和后和差分（又称逆向差分）。?前向差分是以广播方式不断将差分估算，计算出自身的差分位置信息，并将该传给监控中心。广播差分基准信号
17、的间隔时间直接影响多个移动目标的定位精度。间隔时间长，有些移动目标的差分运算定位精度就低。一般每5s 广播一次差分基准信号，以保证定位精度在10m15m 的范围内。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -?后向差分占用各移动目标把GPS 接收机接收的定位信息、星历、时间等传输到监控中心，再经中心结合差分基准站的住处由计算机进行差分运算。前向差分占用无线信道多，中心工作量较小，并且一般GPS DEM 板都具有差分运算的功能，不需另增投资。后向差分信道利用率高，中心系统计算机工作量增加，所以一般在常规通信GPS 专用网情况下，采用前向差分方式。在集群通信，特别是公用
18、移动通信网情况下，采用后向差分方式。这样有得于提高系统可靠性和系统效率，但要增加投资，技术难度也较大，并且需要建立差分运算的数学模型和修正系数。根据差分运算方法的不同，差分又可分为位置差分、伪距差分、多狭义相位差分和广义相位差分。位置差分精度低，相位差分精度高，但技术难度大，造价高，因此一般采用伪距差分。位置差分的方法是建立一个固定点的坐标信号作为参考基准信号，让移动目标的GPS 接收机接收到定位信息，利用位置的相对关系，消除测量中的系统误差，以提高精度。把参考信息用SN+S 表示，其中SO 是基准站的位置信息，为误差。移动目标的定位信息用SN+S 表示，进行差分求出，并消除误差。这种方法要求
19、差分基准站和移动目标GPS 接收机接收相同的卫星信息，否则误差还是很大。这样就要求移动目标的活动范围要小，否则离中心太远，要使两个GPS 接收机接收相同的卫星信号是不可能的。伪距差分的方法也要依靠差分基准信号，但它不要求差分基准站和移动目标的GPS 接收机接收相同的卫星信号。GPS 接收机的时钟与卫星参考时间不同步，并且精度不高，所以C/A 码的移动量中既包含GPS 接收机于卫星的距离，又包含接收机钟差的偏移量，这样的实际测量结果被称为伪距，不是真实的距离。利用伪距差分运算出的定位精度可达10m 左右，有时甚至能达到1m5m。?采用GPS+GLONASS 定位可使精度提高一倍以上表 4-1 列
20、出了GPS 和 GLONASS 的主要性能表 4-1 列出了GPS 和 GLONASS 的主要性能性能GPS GLONASS 卫星数目24 颗24 颗复用工作方式频分多址频分多址（）信号形式数字量模拟量总线接0 方式标准化非标准化定位精度加干扰（SA），P 码加密未加干扰（无SA），P 码设有加密单个卫星寿命7 5 年 10 年3 年 5 年构成系统简单复杂价格低高从表4-1 可以看出，GPS 具备以下几个优良的性能，因此它得到广泛利用。?GPS 数字化系统，便于数字化设备构成系统；?采用标准化总线RS232，可方便与电脑连接使用；?GPS 早于GLONASS 投入市场；?技术得到广泛应用，使
21、GPS OEM 产品大批量生产，价格大大下降，性能也相应提高；?设备性能稳定，寿命长。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -更重要的是俄罗斯发射的导航定位星寿是3 年，到期要发射新星替补；考虑综合国力，很难保证GLONASS 导航卫星在空间中实际飞行的卫星数量。这并不是说GLONASS 没有应用的价值，现在很多国家都在研制生产GPS 和 GLONASS 的兼容接收机。因为这样平时可增加接收导航星的捕捉速度，作战时，总有一个空间导航卫星系统可使用（不可能同时与美俄作战）。另外，同时利用GPS 加 GLONASS 可提高定位精度。GPS 技术发展较快，目前，剩下来
22、要解决的问题有两个：?解决城市楼群树木遮挡影响?降低成本对我国而言，要采用避开中央占领两厢的策略，即避开GPS 核心部件的开发，占领电子地图和地理信息系统的开发领域和GPS 应用系统外围设备的开发和生产领域。GPS 的应用领域很广阔，就城市范围而言，主要有下列几个应用领域：?公检法系统警车?金融系统运钞车?邮政?急救?特种运输?公交车辆电子站牌?出租车及家庭私车?军队车辆及训练GPS 系统工程目前正处在一个发展高峰期，随着经济建设的发展，应用的领域会越来越广阔。国民经济和人民生活的各个领域均可应用，除了系统组网外，还可用于个人手持机、一般性导航定位及高档宾馆的时钟系统等等。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -