GPS导航系统的基本原理及GPS定位原理简介

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       GPS系统包括太空中的24颗GPS卫星，地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度;所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。

       该系统由美国政府于20世纪70年代开始进行研制并于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收机即可使用该服务，无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务(SPS，Standard Positioning Service)和军规的精确定位服务(PPS，Precise Positioning Service)两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用信号中人为地加入误差(即SA政策，Selective Availability)以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100m左右;军规的精度在10m以内。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用信号的干扰。因此，现在民用GPS也可以达到10m左右的定位精度。

       GPS系统拥有如下多种优点：全天候，不受任何天气的影响;全球覆盖(高达98%);三维定速定时高精度;快速、省时、高效率;应用广泛、多功能;可移动定位;不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。

GPS系统发展历程

       自1978年以来已经有超过50颗GPS和NAVSTAR卫星进入轨道。GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit)，1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5~6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13圈，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的用12~18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4~5颗卫星组成3~4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24小时的倾斜轨道。该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号，当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划是能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，而且这两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将两者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

       最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120°的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6～9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。 由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60°的6个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备份星工作在互成30°的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

       GPS计划的实施共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1978年～1979年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为26560km，倾角64°，轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网，结果令人满意。第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年～1984年，又陆续发射了7颗被称为BLOCK Ⅰ的试验卫星，研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14m。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，这一阶段的卫星称为BLOCK Ⅱ 和 BLOCK ⅡA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年底使用的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。

       在地面上，只要用一部GPS接收机测出3-4颗卫星信号到达本接收机的时间，就可准确推算出接收机所在地(可以是地面或天上任何位置)的经纬度、海拔高度、时间、运动速度等数据。

1、GPS系统的组成

GPS由三个独立的部分组成：

● 空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。

● 地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。

● 用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。

GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。

2、GPS定位原理

       GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

       上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。
　　di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。
　　△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。
　　c为GPS信号的传播速度(即光速)。
　　四个方程式中各个参数意义如下：
x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。
　　xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，
可由卫星导航电文求得。
　　Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。
　　Vto为接收机的钟差。
　　由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。
3、GPS导航系统的基本原理
       GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距(PR)：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码;每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

　　可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

　　GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米(各个卫星不同，随时变化);以及GPS系统信息，如卫星状况等。

　　GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。

　　GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。

　　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，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。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，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

　　在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时(大气有明显差别)，应选用双频接收机。