一、GPS定位 1.GPS概述

        GPS是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。如今，GPS已经成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。

        GPS系统主要包括有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

      （1）空间星座部分由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对于赤道平面的倾角为55°,各个轨道平面之间的交角为60%每个轨道平面内的各卫星之间的交角为90°,任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30°o

      （2）地面监控部分目前主要由分布在全球的一个主控站、3个信息注入站和5个监测站组成。对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点，星的位置是依据卫星发射的星历（描述卫星运动及其轨道的参数）计算的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。

       地面监控系统的另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准一PS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出时钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。

       GPS的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，均为美国所控制。

     （3）用户设备部分，即GPS信号接收机。它的任务是，能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。

       静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的

       运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体称为载体（如航行中的船舰、空中的飞机、行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

       接收机硬件和机内软件，以及GPS数据的后台处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于观测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在观测站上，接收单元置于观测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机，也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

       GPS系统釆用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为了获得距离观测量，主要釆用两种方法：一种是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；另一种是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。釆用伪距测量定位速度最快，而釆用载波相位测量定位精度最高。通过对4颗或4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。

       按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能釆用伪距测量。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距测量又可釆用相位测量。

      在定位观测时，GPS定位分为动态定位和静态定位。若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位；若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位。

GPS系统与其他导航系统相比，具有如下6个主要特点。