GPS基础知识

GPS（GlobalPositionSystem）GPS的基本概念GPS的系统组成GPS的定位原理GPS误差和纠正其他卫星定位导航系统GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的基本概念全球定位系统（GPS）是利用卫星进行点位测量和导航技术的一种，其全称是导航卫星测时和测距/全球定位系统（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositionSystem）。它是由美国军方组织研制建立，从1973年开始实施，到1994年完成，可实现地球上任何地方，任何时刻的自动定位。GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的基本概念GPS是美国继阿波罗登月计划和航天飞机之后的第三大空间工程。GPS计划实施共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从硬件和软件上进行了试验。试验结果令人满意。GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的基本概念GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的基本概念第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星。这一阶段称之为BlockI。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时测地型接收机也相继问世。试验表明，GPS的定位精度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级，达到14m。由此证明，GPS计划是成功的。GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的基本概念第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入工程建设阶段。这种工作卫星称为BlockⅡ和BlockⅡA卫星。这两组卫星的差别是：BlockⅡA卫星增强了军事应用功能，扩大了数据存储容量；BlockⅡ卫星只能存储供14天用的导航电文（每天更新三次）；而BlockⅡA卫星能存储供180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即（21＋3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成GPS系统包括三大部分：空间部分——GPS卫星星座地面控制部分——地面监控系统用户设备部分——GPS信号接收机空间部分：卫星分布21颗工作卫星，3颗备用卫星；每4颗卫星工作在同一轨道平面内，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面，彼此夹角为60；轨道平面相对于赤道的倾角为55；卫星离地面高度20200km；12恒星时(11hr58min2.05s)绕地球一周；地球上任何地方任何时刻同时可收到4颗以上GPS卫星的信号。GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成GPS卫星分布GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成空间部分：卫星运行每颗卫星连续发射两种频率的电磁波–L1载波：f1=1575.42MHZ;1=19.0cm–L2载波：f2=1227.60MHZ;2=24.4cm每种载波有2类调制信号–导航信号–电文信号GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成空间部分：卫星运行——导航信号粗码（C/A码）：面向民间用户–1ms重复一次，容易用来捕获导航信号；–仅调制在L1载波上；–f=1.023Mb/s;=300m;精度3m;精码（P码）：面向美国军方及其他特许部门–7天重复一次，不易捕获；–可用于精密定位；–可调制在L1、L2上；–f=10.23Mb/s；=30m;精度0.3m;P码和C/A码用于实时测定卫星和接收机的直接距离。GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成空间部分：卫星运行——电文信号同时调制L1和L2载波上；向用户发播的电文信息包括：–卫星运行情况；–确定C/A码过渡到P码时间同步用的交接码；–卫星钟修正和星历参数；–修正电离层传播延迟用的参数；–系统中所有其它卫星的星历表和历书信息。GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成地面控制部分负责卫星控制、时间同步、卫星的跟踪和监测。–卫星轨道控制–向卫星发送星历GPS的地面控制系统由位于美国科罗拉多的主控站、以及分布全球的三个注入站和五个监测站组成。GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数据处理机L1L2S波段GPS地面监控系统的流程图GPS卫星GPS卫星GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成用户部分天线接受机–对天线接收的信号进行处理，获取观测值。微处理机–选择合适的卫星进行观测，以获得最佳几何图形；–对观测值进行对流层折射改正，电离层折射改正及其它改正；–根据观测值及卫星星历进行平差计算，求得用户所需的三维坐标和速度等；–对整个用户设备进行控制、自检核，并通过输入输出设备和操作人员保持联系。输入输出设备GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成GPS接收机GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的系统组成集成GPS接收机的导航产品GPS（GlobalPositionSystem）——GPS的定位原理GPS定位的基本原理是利用测距交会确定点位。D1D2D3准确位置一台接收机同时获得与四个以上的GPS卫星之间的距离。若多于四个，则可优选出四个进行计算。GPS（GlobalPositionSystem）——GPS误差和纠正GPS接收机进行测距时，一般都采取被动式测距，即发射站（卫星）精确地按规定瞬间发出信号，GPS接收机根据自己的时钟记录接收信号的时间，依据两者之间的时间差，求出单程距离，由于包含时钟误差及大气层延迟误差，也称伪距法。若不考虑时钟误差及大气层延迟误差，则GPS接收机与卫星的距离为：R=C*t，此时定位精度太差；若考虑，则计算复杂，改正也有限。只用一个GPS接收机进行定位，称为绝对GPS定位，其优点是全球性、实时性，但精度有限，误差难以消除。GPS（GlobalPositionSystem）——GPS误差和纠正除了存在测距误差之外，美国国防部为了防止未经许可的用户将GPS用于军事目的，还实施了各种技术对定位精度进行限制。首先就是用反电子欺骗技术（Anti-spoofing，AS）将P码（精码）进行加密，禁止一般用户获得；其次就是采取选择可用性技术（SelectiveAvailability，SA），将C/A码的定位精度从20m降低到100m。1996年3月底，美国副总统戈尔宣告美国政府将对GPS政策进行重大改变，并同时宣布将继续免收用户直接费用而向用户提供标准定位服务（StandardPositionService，SPS）和其他用于商业及和平目的定位服务。根据这一政策，预计将在2006年左右最终停止执行SA政策，但事实上白宫已于2000年5月1日取消了SA政策。GPS（GlobalPositionSystem）——GPS误差和纠正虽然测距误差和人为误差给GPS的民用带来了很大的障碍，但是可以通过差分技术来纠正。差分技术的原理就是通过2台或多台GPS接收机，在一个或多个已知位置安置一台或多台GPS接收机作为基准站接收卫星信号，其他一台GPS接收机作为未知位置的定位设备，通过它们的同步观测值之差便可以消除常数的系统误差。这种定位方式称为相对GPS定位。静态差分：利用基准站和定位设备之间的同步观测值进行误差消除的过程是在测量后进行的。动态差分：误差消除的过程是利用通信设备在测量的同时进行的。其他的卫星定位导航系统还有：俄罗斯的全球轨道导航卫星系统（GLONASS），与GPS极为相似，也由24颗卫星组成（21颗工作，3颗在轨备用）。我国的双星导航定位系统，又称无线电测向卫星业务（RDSS）系统。这是一个导航和个人通信技术结合的卫星定位系统，由两颗太空卫星（“北斗1号”[2000.10.31-0:02]和“北斗2号”[2000.12.21-0:20]，西昌）、控制站和接收机组成组成，是一个区域性的定位和通信系统，原理与GPS一样，但精度比较差。欧洲空间局的NAVSAT。国际移动卫星组织的INMARSAT。GPS（GlobalPositionSystem）——其他卫星定位导航系统