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一、GPS定位 1.GPS概述

        GPS是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成的利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。如今，GPS已經(jīng)成為當(dāng)今世界上最實(shí)用，也是應(yīng)用最廣泛的全球精密導(dǎo)航、指揮和調(diào)度系統(tǒng)。

        GPS系統(tǒng)主要包括有三大組成部分，即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。

      （1）空間星座部分由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作（21+3）GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道平面相對(duì)于赤道平面的傾角為55°,各個(gè)軌道平面之間的交角為60%每個(gè)軌道平面內(nèi)的各衛(wèi)星之間的交角為90°,任一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30°o

      （2）地面監(jiān)控部分目前主要由分布在全球的一個(gè)主控站、3個(gè)信息注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。對(duì)于導(dǎo)航定位來(lái)說(shuō)，GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)，星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷（描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的參數(shù)）計(jì)算的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

       地面監(jiān)控系統(tǒng)的另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)一PS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測(cè)各顆衛(wèi)星的時(shí)間，求出時(shí)鐘差，然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。

       GPS的空間部分和地面監(jiān)控部分是用戶廣泛應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ)，均為美國(guó)所控制。

     （3）用戶設(shè)備部分，即GPS信號(hào)接收機(jī)。它的任務(wù)是，能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出觀測(cè)站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。

       靜態(tài)定位中，GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過(guò)程中固定不變，接收機(jī)高精度地測(cè)量GPS信號(hào)的傳播時(shí)間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動(dòng)態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的

       運(yùn)行軌跡。GPS信號(hào)接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體稱為載體（如航行中的船艦、空中的飛機(jī)、行走的車(chē)輛等）。載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過(guò)程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)，接收機(jī)用GPS信號(hào)實(shí)時(shí)地測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。

       接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件，以及GPS數(shù)據(jù)的后臺(tái)處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對(duì)于觀測(cè)地型接收機(jī)來(lái)說(shuō)，兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨(dú)立的部件，觀測(cè)時(shí)將天線單元安置在觀測(cè)站上，接收單元置于觀測(cè)站附近的適當(dāng)?shù)胤?，用電纜線將兩者連接成一個(gè)整機(jī)，也有的將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體，觀測(cè)時(shí)將其安置在測(cè)站點(diǎn)上。

       GPS系統(tǒng)釆用高軌測(cè)距體制，以觀測(cè)站至GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測(cè)量。為了獲得距離觀測(cè)量，主要釆用兩種方法：一種是測(cè)量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)用戶接收機(jī)的傳播時(shí)間，即偽距測(cè)量；另一種是測(cè)量具有載波多普勒頻移的GPS衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)之間的相位差，即載波相位測(cè)量。釆用偽距測(cè)量定位速度最快，而釆用載波相位測(cè)量定位精度最高。通過(guò)對(duì)4顆或4顆以上的衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行偽距或相位的測(cè)量即可推算出接收機(jī)的三維位置。

       按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式，它只能釆用偽距測(cè)量。相對(duì)定位（差分定位）是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距測(cè)量又可釆用相位測(cè)量。

      在定位觀測(cè)時(shí)，GPS定位分為動(dòng)態(tài)定位和靜態(tài)定位。若接收機(jī)相對(duì)于地球表面運(yùn)動(dòng)，則稱為動(dòng)態(tài)定位；若接收機(jī)相對(duì)于地球表面靜止，則稱為靜態(tài)定位。

GPS系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，具有如下6個(gè)主要特點(diǎn)。