【正文】 2全球坐標系統(tǒng)。于1984年，經(jīng)過多年修正和完善，發(fā)展了一種新的更為精確的世界大地坐標系，稱之為美國國防部1984年世界大地坐標系，簡稱WGS—84。WGS—84于1985年開始使用，1986年生產(chǎn)出第一批相對于地心坐標系的地圖、航測圖和大地成果。由于GPS導航定位全面采用了WGS—84，用戶可以獲得更高精度的地心坐標，也可以通過轉(zhuǎn)換，獲得較高精度的參心大地坐標系坐標。如圖25圖25 地心直角坐標系時間系統(tǒng) 概述 時間具有“時間間隔”（時間段）和“時刻”兩種含意。時間間隔是時間軸上的一個區(qū)間，而時刻則只是指某一點。時間分恒星時和太陽時兩大時間系統(tǒng)。利用春分點的周時視運動周期來量度地球自轉(zhuǎn)周期而建立的以恒星日為時間單位的時間系統(tǒng)為恒星時系統(tǒng)；以太陽的周日視運動周期來量度地球自轉(zhuǎn)周期而建立的以太陽日為單位的時間系統(tǒng)為太陽時系統(tǒng)；太陽時又分為真太陽時和平太陽時兩種。平太陽時是以平太陽的周日視運動周期來量度地球自轉(zhuǎn)周期的以平太陽日為單位時間系統(tǒng)。這里所指的平太陽是以赤道為周年視運動軌道、周期等于真太陽周年視運動周期，速度等于真太陽周年視運動平均速度且速度均勻的假設的太陽。地球自轉(zhuǎn)一周平太陽視運動的周期為一個平太陽日，世界時就是以平太陽日為基礎的。衛(wèi)星星歷衛(wèi)星的星歷就是描述衛(wèi)星運行軌道和狀態(tài)的各種參數(shù)值，它是計算衛(wèi)星瞬時位置的依據(jù)。衛(wèi)星星歷按其來源的不同，可以分為兩種：預報星歷（廣播星歷）和實測星歷（精密星歷）。 廣播星歷衛(wèi)星將地面監(jiān)測站注入的有關衛(wèi)星軌道的信息，通過發(fā)射導航電文傳遞給用戶，用戶接收到這些信號進行解碼即可獲得所需要的衛(wèi)星星歷。即廣播星歷。 實測星歷一些國家根據(jù)自己的衛(wèi)星跟蹤站觀測資料，經(jīng)過事后處理直接計算的衛(wèi)星星歷，稱為實測星歷。 我國的GPS衛(wèi)星跟蹤站在“八五”期間已經(jīng)建成，“九五”期間已向國內(nèi)用戶提供服務。GPS衛(wèi)星信號GPS衛(wèi)星播發(fā)的信號，包含載波信號、測距碼、數(shù)據(jù)碼等多種信號分量，它能滿足多用戶系統(tǒng)的導航、高精度定位及軍事保密的需要。 GPS衛(wèi)星信號的內(nèi)容 GPS衛(wèi)星信號所包含的載波、測距碼（包含P碼、C/A碼）、數(shù)據(jù)碼（導航電文，或稱D碼）都是在同一個基本頻率f0=。 GPS衛(wèi)星信號的產(chǎn)生如圖： P碼的周期約38星期，實際應用中采用7天為一周期，即在P(t)=PN1(t)PN2(t+ni t)中取某一段周期為7天的P碼，且規(guī)定每星期六午夜零點使P碼置全“1”狀態(tài)作為周期的起始點。C/，周期為1ms，一周期內(nèi)有1023個碼位。 GPS衛(wèi)星導航電文主要包括衛(wèi)星歷、時鐘改正、電離層時延改正、工作狀態(tài)和C/A碼轉(zhuǎn)換到捕獲P碼的信息。將這些信息以數(shù)據(jù)，即以二進制碼的形式向用戶發(fā)送，所以導航電文又稱為數(shù)據(jù)碼，即D碼。 GPS衛(wèi)星信號的傳播GPS采用了信號擴頻調(diào)制，把窄帶信號擴展到一個很寬的頻帶上發(fā)射出去，以達到抗干擾、保密和省電的目的。采用增大信號頻帶寬度的辦法，可以降低信噪比，換句話說，可以用很小的發(fā)射功率獲得足夠的信息容量，因而可以實現(xiàn)遙遠的衛(wèi)星通訊。衛(wèi)星的運行以及軌道GPS定位是依GPS衛(wèi)星的已知瞬時位置為起算基準的。為了確定衛(wèi)星的瞬時位置，必須了解衛(wèi)星的運動狀態(tài)和運行軌道。GPS衛(wèi)星的運動，和所有的運動物體一樣，取決于它所受的作用力。這些作用力包括：地球重力場對衛(wèi)星的引力，日、月等天體對衛(wèi)星的引力，以及太陽光壓、大氣阻力和地球潮汐力等。這些作用力的情況復雜多變，所以衛(wèi)星的實際運動狀況和狀態(tài)也就比較復雜，很難用既精確又簡單的數(shù)學模型進行描述。不過在對衛(wèi)星所有的作用力中，地球重力場的引力是最主要的。如果將地球重力場的引力視為1，則其他作用力均小于105。所以通常就將作用于衛(wèi)星上的各種作用力分成兩種類型：一類是假設地球為勻質(zhì)球體引力，另一類是攝動力。 理想情況下的衛(wèi)星運動所謂的理想情況下的衛(wèi)星運動，是將地球視作勻質(zhì)球體，且不顧及其它攝動力的影響，衛(wèi)星只是在地球質(zhì)心引力作用下而運動。理想情況下的衛(wèi)星運動是我們的首要研究對象。這是因為：1）它是衛(wèi)星運動的第一近似描述；2）它是至今唯一能得到的嚴密分析解的運動；3）它是全部作用力下的衛(wèi)星運動更精確解的基礎。理想情況下的衛(wèi)星運動遵守開普勒三大定律1）開普勒第一定律—衛(wèi)星運行的軌道是一個橢圓，地球質(zhì)心位居橢圓的一個焦點上。2）開普勒第二定律—衛(wèi)星的地心向徑，在相等的時間內(nèi)所掃過的面積相等。3）開普勒第三定律—衛(wèi)星圍繞地球運動的周期的平方與軌道橢圓長半徑的立方成正比，其比值等于地球引力常數(shù)GM的倒數(shù)。 衛(wèi)星運行的軌道這里仍討論在理想情況下的衛(wèi)星運行軌道。而要討論衛(wèi)星運行軌道，則離不開描述衛(wèi)星軌道形狀大小和位置狀態(tài)的一系列參數(shù)，稱為軌道參數(shù)。軌道參數(shù)可以有很多，它們的選擇也不是唯一的。但是無論如何選擇，必須有利于下列問題的解決：1）軌道橢圓的形狀和大小；2）軌道平面與地球體的相關位置；3）軌道橢圓在軌道平面上的方位；4）衛(wèi)星在軌道上的瞬時位置。只有這些問題得到確定，衛(wèi)星運行的軌道以及衛(wèi)星在軌道上的瞬時位置也才是唯一確定的。 攝動力對衛(wèi)星運行軌道的影響衛(wèi)星在運行中，還將受到各種攝動力的影響，其中包括：地球體不規(guī)則及質(zhì)量分布不均勻而引起的作用力、太陽和月球的引力、太陽的直接與間接輻射壓力、大氣的阻力、地球潮汐的作用力、磁力等。第三節(jié) GPS定位方法GPS定位概述 根據(jù)待定點的運動狀態(tài)可分為靜態(tài)定位與動態(tài)定位：1）靜態(tài)定位：由于接受機的位置固定不動，就可以進行大量的重復觀測，所以靜態(tài)定位可靠性強，定位精度高，在大地測量、工程測量中得到了廣泛的應用，是精密定位中的基本模式。2）動態(tài)定位：其特點是測定一個動點的實時 位置，多余觀測量少、定位精度低。目前，導航型的GPS接受機可以說是一種廣義的動態(tài)定位，它除了要求測定動點的實時位置外，一般還要求測定運動載體的狀態(tài)參數(shù)，如速度、時間和方位等。 根據(jù)定位模式可分為絕對定位和相對定位：1）絕對定位: 也叫單點定位，就是采用一臺接受機進行定位的模式，它所確定的是接受機天線在WGS84世界大地坐標系統(tǒng)中的絕對位置，所以單點定位的結(jié)果也屬于該坐標系統(tǒng)。2）相對定位: 也叫差分定位，是至少用兩臺GPS接收機,同步觀測相同的GPS衛(wèi)星,確定兩臺接收機天線之間的相對位置(坐標差)。絕對定位的優(yōu)缺點：優(yōu)點是只需一臺接受機即可獨立定位，外業(yè)觀測的組織及實施較為方便，數(shù)據(jù)處理也較為簡單。缺點是定位精度較低，受衛(wèi)星軌道誤差，鐘同步誤差及信號傳播誤差等因素的影響，精度只能達到米級。所以該定位模式不能滿足大地測量精密定位的要求。但它在地質(zhì)礦產(chǎn)勘察等低精度的測量領域，仍有著廣泛的應用前景。 絕對定位、相對定位與動、靜態(tài)的關系。在絕對定位和相對定位中，又都可能包括靜態(tài)定位和動態(tài)定位兩種方式。其中靜態(tài)相對定位一般均采用載波相位觀測值為基本觀測量。這種定位方法是當前GPS測量定位中精度最高的一種方法，在大地測量、精密工程測量、地球動力學研究和精密導航等精度要求較高的測量工作中被普遍采用。 根據(jù)獲取定位結(jié)果的時間可分為實時定位和非實時定位：1）實時定位： 是根據(jù)接收機觀測到的數(shù)據(jù)，實時地解算出接收天線所在的位置2）非實時定位：又稱后處理定位，它是通過對接收機接收到的數(shù)據(jù)進行后處理以進行定位的方法。 根據(jù)用戶接收信號的方式可分為主動式測距和被動式測距：1）主動式測距：用電磁波測距儀發(fā)射測距信號，通過另一端的反射器回來，再由測距儀接受。根據(jù)測距信號的往、返傳播時間求解出往、返距離2ρ 。由于電磁波測距儀需在測站點上主動發(fā)出測距信號，故稱這種測距方式為主動式測距。2）被動式測距：發(fā)射站在規(guī)定的時刻內(nèi)準確地發(fā)出信號，用戶則根據(jù)自己的時鐘記錄信號到達的時間，根據(jù)時差Δt 求得單程距離ρ。由于用戶只需被動地接收信號，故稱為被動式測距。 根據(jù)定位所采用的不同觀測量。前面所述的靜態(tài)定位或動態(tài)定位，所依據(jù)的觀測量都是所測的衛(wèi)星至接收機天線的偽距。但是，偽距的基本觀測量又區(qū)分為碼相位觀測（簡稱測碼偽距）和載波相位觀測（簡稱測相偽距）。這樣，根據(jù)GPS信號的不同觀測量，可以區(qū)分為四種定位方法:1）多普勒定位法多普勒效應是1942年奧地利物理學家多普勒首先發(fā)現(xiàn)的。它的具體內(nèi)容是：當波源與觀測者做相對運動時，觀測者接收到的信號頻率與波源發(fā)射的信號頻率不相同。這種由于波源相對與觀測者運動而引起的信號頻率的移動稱為多普勒頻移，其現(xiàn)象稱為多普勒效應。根據(jù)多普勒效應原理，利用GPS衛(wèi)星較高的發(fā)射頻率，由積分多普勒記數(shù)得出偽距差。當采用積分多普勒記數(shù)法進行測量時，所需觀測時間一般較常（數(shù)小時），同時，在觀測過程中接收機的震蕩器要求保持高度穩(wěn)定。2）偽距定位法偽距定位法是利用全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)進行導航定位的最基本的方法，其基本原理是：在某一瞬間利用GPS接收機同時測定至少四顆衛(wèi)星的偽距，根據(jù)已知的衛(wèi)星位置和偽距觀測值，采用距離交會法求出接收機的三維坐標和時鐘改正數(shù)。偽距定位法定一次位的精度并不高，但定位速度快，經(jīng)幾小時的定位也可達米級的若再增加觀測時間，精度還可以提高。3）載波相位測量載波信號的波長很短，L1載波信號長為19cm 。若把載波作為量測信號，對載波進行相位測量可以達到很高的精度。通過測量載波的相位而求得接收機到GPS衛(wèi)星的距離，是目前大地測量和工程測量中的主要測量方法。偽距法定位 偽距法定位的原理和測定偽距的方法偽距法定位是利用全球定位系統(tǒng)進行導航定位的最基本方法。它的優(yōu)點是速度快、無多值性問題，利用增加觀測時間可以提高定位精度；缺點是測量定位精度低，但足以滿足部分用戶的需要。前已述及，GPS定位采用的是被動式單程測距。它的信號發(fā)射時刻由衛(wèi)星鐘確定，收到時刻是由接收機鐘確定，這就在測定的衛(wèi)星至接收機的距離中，不可避免地包含著兩臺鐘不同步的誤差和電離層、對流層延遲誤差影響，它并不是衛(wèi)星與接受機之間的實際距離，所以稱之為偽距。在無線電通訊技術中，一般將頻率較低的信號調(diào)制到頻率較高的載波上，GPS 衛(wèi)星的測距碼和數(shù)據(jù)碼采用了調(diào)相技術。當衛(wèi)星發(fā)射機依據(jù)自己的時鐘發(fā)出的含有測距碼的調(diào)制信號，經(jīng)過了時間的傳播后到達地面的接收機，如圖27，此時接收機收到的測距碼為 U(t?t)。而接收機的偽隨機噪聲碼發(fā)生器，又產(chǎn)生了一個與衛(wèi)星發(fā)播的測距碼結(jié)構完全相同的復制碼U′(t?t) 。圖27 偽距測量原理 并且通過接收機的時間延遲器進行移相，對測距碼和復制碼作相關處理，當信號之間的自相關系數(shù)達到最大，即近于1時,說明在積分間隔T內(nèi)復制碼 ，已經(jīng)和測距碼“對齊”。 否則繼續(xù)調(diào)整時間延遲，直至R（t）=max，于是就由時延器測定出兩信號間的時間延遲。測定各自相關系數(shù)的工