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一、GPS定位 1.GPS概述

        GPS是美國從20世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成的利用導航衛(wèi)星進行測時和測距，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。如今，GPS已經(jīng)成為當今世界上最實用，也是應用最廣泛的全球精密導航、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個軌道平面內(nèi)，軌道平面相對于赤道平面的傾角為55°,各個軌道平面之間的交角為60%每個軌道平面內(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主控站、3個信息注入站和5個監(jiān)測站組成。對于導航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點，星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷（描述衛(wèi)星運動及其軌道的參數(shù)）計算的。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)星上的各種設備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設備進行監(jiān)測和控制。

       地面監(jiān)控系統(tǒng)的另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準一PS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間，求出時鐘差，然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導航電文發(fā)給用戶設備。

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

     （3）用戶設備部分，即GPS信號接收機。它的任務是，能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出觀測站的三維位置，甚至三維速度和時間，最終實現(xiàn)利用GPS進行導航和定位的目的。

       靜態(tài)定位中，GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變，接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置，解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態(tài)定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的

       運行軌跡。GPS信號接收機所位于的運動物體稱為載體（如航行中的船艦、空中的飛機、行走的車輛等）。載體上的GPS接收機天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運動，接收機用GPS信號實時地測得運動載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。

       接收機硬件和機內(nèi)軟件，以及GPS數(shù)據(jù)的后臺處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對于觀測地型接收機來說，兩個單元一般分成兩個獨立的部件，觀測時將天線單元安置在觀測站上，接收單元置于觀測站附近的適當?shù)胤?，用電纜線將兩者連接成一個整機，也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體，觀測時將其安置在測站點上。

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

       按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據(jù)一臺接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機位置的方式，它只能釆用偽距測量。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距測量又可釆用相位測量。

      在定位觀測時，GPS定位分為動態(tài)定位和靜態(tài)定位。若接收機相對于地球表面運動，則稱為動態(tài)定位；若接收機相對于地球表面靜止，則稱為靜態(tài)定位。

GPS系統(tǒng)與其他導航系統(tǒng)相比，具有如下6個主要特點。