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1、第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况一、GPS的建立1子午卫星导航系统简介 航海早先的导航是利用罗盘、灯塔等仪表或设施，结合天文现象进行的。陆基无线电导航系统覆盖区域小，定位精度低（3.77.4km），难以适应现代航海的导航定位需要。1957年10月4日，原苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星。美国霍普金斯大学应用物理实验室的韦芬巴赫（Geiffenbach）等学者，在地面已知坐标点位上，用自行研制的测量设备，捕获和跟踪到了苏联卫星发送的无线电信号，并测得它的多普勒频移，进而解算出卫星轨道参数。麦克雷（eclure）等学者设想，若已知卫星轨道参数并测得卫星发送信号的多普勒频移，则
2、可解算出地面点的坐标。这就是第一代卫星导航系统的基本工作原理。第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况 1958年12月，美国海军开始研制卫星导航系统。因为这些卫星沿地球子午线运行，故称为子午卫星导航系统（TRANSIT）。1959年9月开始发射试验性子午卫星，1963年12月开始发射子午工作卫星并逐步形成由六颗工作卫星组成的子午卫星星座。从此揭开了星基无线电导航的历史新篇章。1967年7月29日，美国政府宣布解密子午卫星所发送的导航电文的部分内容供民用。从此，大地测量由天文测量和三角测量时代进入到卫星大地测量时代。原苏联在美国的诱发下，于1965年建立了类似的子午卫星导航系统，称为CI
3、CADA。子午卫星导航系统有明显不足：其一是卫星少，不能连续导航定位。有56颗工作卫星，在低纬度地区，地面上一点所见到的两次子午卫星通过的时间间隔约为1.5h，通过用户上空的持续时间为1018min，所以不能连续定位。就大地测量而言，测站点上的观测时间长达12天，才能达到0.5m的定位精度。第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况其二是轨道低，难以精密定轨。子午卫星平均飞行高度仅1070km，地球引力场模型误差及空气阻力等因素影响导致卫星定轨误差较大。而卫星多普勒定位是以卫星作为动态已知点进行的，致使定位精度局限在m级水平。其三是载波频率低，难以补偿电离层的影响。2GPS全球定位系统的建
4、立1973年，美国国防部组织海陆空三军联合研究建立新一代卫星导航系统，称为全球定位系统（Global Positioning System），简称GPS。其建立过程到目前为止经历了以下四个阶段。（1）19731979年为概念构思分析测试阶段 发射了两颗概念验证卫星用于验证GPS原理可行性。另外还发射了一颗组网试验卫星，研制了三种类型的GPS接收机，建立了一处卫星地面控制设施并完成了大量的测试项目。第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况（2）19801989年为系统建设阶段 发射了11颗组网试验卫星Block（其中一颗发射失败）和1颗工作卫星BlockA，进一步完善了地面监控系统，发展了
5、GPS接收机。1984年测量领域成为第一个GPS商用用户领域。（3）19901999年为系统建成并进入完全运作能力阶段 发射了多颗Block 和Block A卫星，1993年实现24颗在轨卫星满星座运行，满足民用的标准定位服务（100m）的要求，1995年实现了精密定位服务（10m）。（4）20002030年为GPS现代化更新阶段。1996年美国由国防部和交通部组成了联合管理GPS事务局（IGEB），在IGEB的主持下于1997，1998年期间讨论了增加GPS民用信号，从而改进民用GPS状况，并与空军已经开始的计划相结合，形成了更新GPS运行要求的文献，并于1999年1月由美国副总统戈尔以“G
6、PS现代化”的名称发布通告，其具体实施是以2000年5月1日取消SA政策为标志。第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况二、GPS组成概况GPS由空间卫星星座、地面监控系统和用户设备等三部分组成。1.空间卫星星座GPS空间卫星星座在1993年建成时由24颗卫星组成，目前有30颗工作卫星。这些卫星分布在6个轨道面上。GPS GPS卫星星座的主要特征卫星星座的主要特征 载波频率（GHz）1.22760、1.57542；卫星平均高度20200 km；卫星运行周期718 min；轨道面倾 角55 ，轨道数6。第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况GPS卫星的功能是：（1）接收和存储由地面
7、监控站发来的导航信息，接收并执行 监控站的控制指令；（2）进行部分必要的数据处理；（3）提供精密的时间标准；（4）向用户发送定位信息。第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况2地面监控系统 为了监测GPS卫星的工作状态和测定GPS卫星运行轨道，为用户提供GPS卫星星历，必须建立GPS的地面监控系统。它由5个监测站、1个主控站和3个注入站组成。如图所示。第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况1 1）监测站）监测站 监测站是在主控站的控制下的数据自动采集中心。站内设有双监测站是在主控站的控制下的数据自动采集中心。站内设有双频频GPSGPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台，和若干台接
8、收机、高精度原子钟、计算机各一台，和若干台环境数据传感器。环境数据传感器。所有观测数据由计算机进行初步处理后送到主控站，用以确定GPS卫星的轨道参数。5个监测站分别位于太平洋的夏威夷、美国本土的科罗拉多州、大西洋的阿松森群岛、印度洋的迭哥伽西亚和太平洋的卡瓦加兰等。2）主控站主控站位于美国本土的科罗拉多州，拥有以大型电子计算机为主体的数据收集、计算、传输和诊断等设备。其主要任务是：第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况（1）根据本站和其它监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站；（2）提供GPS时间基准。各监测站和GPS卫星的原
9、子钟均应与主控站的原子钟同步，或者测出其钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站；（3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；（4）启用备用卫星以代替失效的工作卫星。3 3）注入站）注入站 3个注入站分别设在印度洋的迭哥伽西亚、大西洋的阿松森群岛和太平洋的卡瓦加兰。注入站的主要设备包括c波段发射机、发射天线和计算机。其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文及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。第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况 3用户设备 GPS的空间卫星星座和地面监控系统是用户应用该系统进行定位的基础，用户要使用G
10、PS全球定位系统进行导航或定位，必须使用GPS接收机接收GPS卫星发射的无线电信号，获得必要的定位信息和观测数据，并经过数据处理而完成定位工作。用户设备主要包括GPS接收机、数据传输设备、数据处理软件和计算机。三、GPS定位的基本原理 定位是指测定点的空间位置。GPS定位是将GPS卫星作为动态已知点。根据GPS卫星星历求得GPS卫星的已知坐标，由接收机测得卫星发射的无线电信号到达接收机的传播时间t，即 （1-1）式中 卫星发射定位信号时刻；第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况 接收机接收到卫星定位信号的时刻。则卫星到接收机的观测距离为 （1-2）其中c为电磁波传播速度。如用X、Y、Z
11、表示卫星坐标，用x、y、z表示接收机坐标，则星站间真实距离为 （1-3）并考虑到接收机钟的误差，则可得如下观测值方程 （1-4）(1-4)式中的为观测量，X、Y、Z为已知量，x、y、z、为未知数。可见，只要观测4颗以上卫星，即可列出4个以上像（1-4）式这样的方程式，便能解出4个未知数x、y、z、，从而确定接收机坐标x、y、z。这就是GPS定位的基本原理。第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况四、四、GPSGPS定位的特点与问题定位的特点与问题1 1GPSGPS定位的特点定位的特点1 1）定位精度高）定位精度高 如用载波相位观测量进行静态相对定位，在小于50km的基线上精度可达1ppm
12、，在100500km的基线上精度为0.1ppm，在大于1000km的基线上精度可达0.01ppm。2 2）观测时间短）观测时间短 目前采用静态相对定位，观测20km以内基线仅需1520min。采用RTK定位，每站只需几秒钟的时间。3 3）测站间无需通视）测站间无需通视4 4）仪器操作简便）仪器操作简便5 5）全天候作业）全天候作业 除打雷闪电不宜作业外，其它天气均可进行野外测量工作。第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况6 6）提供三）提供三维坐坐标7 7）可全球布）可全球布网网8 8）应用广泛用广泛GPSGPS导航定位技航定位技术的的应用用领域十分广泛，主要域十分广泛，主要应用于以下
13、各用于以下各领域：域：（1 1）陆海空运动目标导航；）陆海空运动目标导航；（2 2）测绘：大地测量及控制测量；地形地籍测量；工程施工测）测绘：大地测量及控制测量；地形地籍测量；工程施工测 量；海洋测绘；航空摄影测量；量；海洋测绘；航空摄影测量；（3 3）交通管理；）交通管理；（4 4）卫星发射及其运行轨道监测；）卫星发射及其运行轨道监测；（5 5）地震监测与地壳变形监测；）地震监测与地壳变形监测；（6 6）城市规划；）城市规划；（7 7）气象预报；）气象预报；（8 8）农业、林业；）农业、林业；（9 9）旅游业；）旅游业；第一节第一节 GPSGPS的组成概况的组成概况（1010）资源调查；）资源调查；（1111）工程施工）工程施工；2）GPS存在的问题（1）军用的国家安全及保密要求与民用精度要求相互冲突；（2）对民用用户无安全承诺；（3）三维测量精度不一致；大量实践表明，用GPS测量所得点位坐标，其三维精度不一致，其中，高程误差最大，x坐标误差次之，y坐标误差最小。