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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星導航與定位系統。如今，GPS已經成為當今世界上最實用，也是應用最廣泛的全球精密導航、指揮和調度系統。

        GPS系統主要包括有三大組成部分，即空間星座部分、地面監控部分和用戶設備部分。

      （1）空間星座部分由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成GPS衛星星座，記作（21+3）GPS星座。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內，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%每個軌道平面內的各衛星之間的交角為90°,任一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30°o

      （2）地面監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個監測站組成。對于導航定位來說，GPS衛星是一動態已知點，星的位置是依據衛星發射的星歷（描述衛星運動及其軌道的參數）計算的。每顆GPS衛星所播發的星歷，是由地面監控系統提供的。衛星上的各種設備是否正常工作，以及衛星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設備進行監測和控制。

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

       GPS的空間部分和地面監控部分是用戶廣泛應用該系統進行導航和定位的基礎，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星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出觀測站的三維位置，甚至三維速度和時間，最終實現利用GPS進行導航和定位的目的。

       靜態定位中，GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛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參數（瞬間三維位置和三維速度）。

       接收機硬件和機內軟件，以及GPS數據的后臺處理軟件包，構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構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地方，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系統釆用高軌測距體制，以觀測站至GPS衛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衛星發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衛星載波信號與接收機產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）。單點定位就是根據一臺接收機的觀測數據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）是根據兩臺以上接收機的觀測數據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定位分為動態定位和靜態定位。若接收機相對于地球表面運動，則稱為動態定位；若接收機相對于地球表面靜止，則稱為靜態定位。

GPS系統與其他導航系統相比，具有如下6個主要特點。