【正文】 用衛(wèi)星所組成。24顆衛(wèi)星部署在6個軌道平面中，沒個軌道平面升交點(diǎn)的赤經(jīng)相隔60度，軌道平面相對地球赤道面的傾角為55度，每個軌道平面上均勻分布有4顆衛(wèi)星，相鄰軌道之間的衛(wèi)星要彼此叉開30度。以保證全球均勻覆蓋的要求。GPS衛(wèi)星軌道平均高度約為20200km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時58分，因此，地球上同一地點(diǎn)的GPS接收機(jī)的上空，每天出現(xiàn)的GPS衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。同時，位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時間和地點(diǎn)的不同而相異，最少亦有4顆，最多時可達(dá)11顆。目前GPS系統(tǒng)已經(jīng)建成，其工作衛(wèi)星在空間的分布保障了在地球上任何時刻、任何地點(diǎn)均至少可以同時觀測到4顆衛(wèi)星，加之衛(wèi)星小號的傳播和接受不受天氣的影響，因此GPS是一種全球性、全天候的連續(xù)實時定位系統(tǒng)。 GPS衛(wèi)星星座GPS系統(tǒng)中，GPS衛(wèi)星的作用是：向廣大用戶連續(xù)發(fā)送定位信息；接收和儲存由地面監(jiān)控站發(fā)來的衛(wèi)星導(dǎo)航電文等信息，并適時地發(fā)送給廣大用戶；接收并執(zhí)行由地面監(jiān)控站發(fā)來的控制命令，適時地改正運(yùn)行偏差或啟用備用衛(wèi)星等；通過星載的高精度銣鐘和銫鐘，提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)；GPS的核心部件是高精度的時鐘、導(dǎo)航電文儲存器、雙頻發(fā)射和接受以及微處理器，而對于GPS定位成功的關(guān)鍵在于高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)。這中高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)由高精度的原子鐘提高，因為109s的時間誤差將會引起30cm的站心距離誤差。為此，每顆GPS工作衛(wèi)星一般安設(shè)2臺侞原子鐘和2臺銫原子鐘，并計劃未來采用更穩(wěn)定的氫原子鐘（其頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1014s）。GPS衛(wèi)星雖然發(fā)送幾種不同頻率的信號，但是它們均源于一個基準(zhǔn)信號，所以只需啟用一臺原子鐘，其余作為備用。衛(wèi)星鐘由地面站檢驗，其鐘差、鐘速連同其它信息由地面站注入衛(wèi)星后，再轉(zhuǎn)發(fā)給用戶設(shè)備。B、地面監(jiān)控部分控制部分的操控系統(tǒng)（Operational Control System，簡稱OCS）負(fù)責(zé)監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作，包括主控站、監(jiān)控站和注入站，各部分的作用如下：主控站——衛(wèi)星操控中心（CSOC），位于科羅拉多斯普林斯（Colorado Springs）附近的佛肯（Falcon)空軍基地，其任務(wù)是收集各監(jiān)控站送來的跟蹤數(shù)據(jù)，計算衛(wèi)星軌道和鐘差參數(shù)并發(fā)送至各注入站，轉(zhuǎn)發(fā)至各衛(wèi)星。主控站本身還是監(jiān)控站，另外可診斷衛(wèi)星的工作狀態(tài)，進(jìn)行調(diào)度。監(jiān)控站——共有5個，除主控站（Colorado Springs）外，還在夏威夷（Hawaii）島、北太平洋的卡瓦加蘭（Kwajalein）島、印度洋的狄哥伽西亞（Diego Garcia）島、大西洋的阿松森（Ascension ）島上設(shè)立監(jiān)控站，裝備有P碼接收機(jī)和精密銫鐘，對所接收到的衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)的P碼偽距跟蹤測量，借助電離層和氣象數(shù)據(jù)，采用平滑方法，獲得每15分鐘的結(jié)果數(shù)據(jù)，傳送到主控站。注入站——共有3個，與北太平洋的Kwajalein Island、大西洋的Ascension Island和印度洋的Diego Garcia Island上的監(jiān)控站并置，其主要功能是將主控站發(fā)送來的衛(wèi)星星歷和鐘差信息，每天一次地注入到衛(wèi)星上的存儲器中。即使注入站因故障無法注入新的數(shù)據(jù)，存儲器具備長達(dá)14天的預(yù)報能力，此時，定位精度從10m左右逐漸遞減至約200m。整個GPS的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無人值守。各站間用現(xiàn)代化的通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來，在原子鐘和計算機(jī)的精確控制下，各項工作實現(xiàn)了高度的自動化和標(biāo)準(zhǔn)化。C、用戶設(shè)備部分GPS用戶設(shè)備部分主要包括：GPS接收機(jī)及其天線，微處理器及其終端設(shè)備以及電源等。而其中接收機(jī)和天線，是用戶設(shè)備的核心部分，一半習(xí)慣上統(tǒng)稱為GPS接收機(jī)。根據(jù)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，可分為天線單元和接收單元兩大部分。一般將兩個單元分別裝備成兩個獨(dú)立的部件，觀測時將天線單元置于測站上，接收單元置于測站附近適當(dāng)?shù)牡胤?，兩者之間用電纜線連成一個整機(jī)。也有的將天線單元和接收單元制成一個整體，觀測時將其安置在測站點(diǎn)上。天線單元它有接收天線和前置放大器兩個部分組成。接收天線大多采用全向天線，可接收來自任何方向的GPS信號，并將電磁波能量轉(zhuǎn)化為變化規(guī)律相同的電流。前置放大器可將極微弱的GPS信號電流予以放大。接收單元信號波道和微處理機(jī)構(gòu)成接收單元的核心部件。從目前的側(cè)地型接收機(jī)來看，主要有平方型和相關(guān)型兩種信號波道，所具有的波道數(shù)目從1到24個不等。利用多個波道同時對多個衛(wèi)星進(jìn)行觀測，實現(xiàn)快速定位。微處理機(jī)具有各種數(shù)據(jù)處理軟件，能選擇合適的衛(wèi)星進(jìn)行測量，以獲得最佳的幾何圖形；能根據(jù)觀測值及衛(wèi)星星歷進(jìn)行平差計算，求得所需的定位信息。綜上所述，接收機(jī)的主要功能是：能迅速捕獲按一定衛(wèi)星截止高度角所選擇的待測衛(wèi)星信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對所接受到的衛(wèi)星信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測定出GPS信號從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出測站的三維坐標(biāo)、三維速度和時間等所需數(shù)據(jù)。隨著GPS定位技術(shù)的迅速發(fā)展以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開拓，世界各國對GPS接收機(jī)的研制與生產(chǎn)都極為重視，目前世界上GPS接收機(jī)的生產(chǎn)廠家約有數(shù)百家，型號超過千種，而且越來越趨于小型化，便于外業(yè)觀測。 GPS定位系統(tǒng)研究的目的與意義隨著GPS定位技術(shù)的迅速發(fā)展以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷開拓，其應(yīng)用領(lǐng)域基于陸地應(yīng)用，延伸至航空，空間引導(dǎo)，海事等，世界各國對GPS系統(tǒng)的研制與生產(chǎn)都極為重視。任何高端技術(shù)出現(xiàn)首先應(yīng)用于軍事，然后逐漸普及至普通民眾，而我們研究的目的則是要將原本復(fù)雜的代碼轉(zhuǎn)換成簡單易懂的圖文形式來告訴大家，讓普通的民眾能夠看懂GPS的數(shù)據(jù)。研究GPS定位系統(tǒng)有著十分重大的意義，因為GPS定位技術(shù)與美國的國防現(xiàn)代化發(fā)展密切相關(guān)，所以為了保障美國的利益與安全，美國限制非經(jīng)美國特許的用戶利用GPS定位的精度，甚至通過人為的施加誤差來限制廣大民間用戶利用GPS進(jìn)行實時和較高精度的定位。而我國在20世紀(jì)80年代中期開始引進(jìn)GPS接收機(jī)并應(yīng)用于各個領(lǐng)域，同時著手研究建立我國自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。在GPS普及的現(xiàn)在，幾乎所有的運(yùn)載工具都將依賴于GPS，然而必然在某些方面要受制于美國，所以對GPS定位系統(tǒng)的研究是刻不容緩的，可以預(yù)料，隨著GPS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，GPS的應(yīng)用將進(jìn)入我們的日常生活，甚至?xí)淖兾覀兊纳罘绞健?第2章 GPS測量原理 GPS系統(tǒng)的工作原理全球定位系統(tǒng)（GPS）的定位原理，簡單來說，是利用幾何與物理的一些基本原理，利用空間分布的衛(wèi)星以及衛(wèi)星與地面點(diǎn)間距離交會出地面點(diǎn)位置的方法。距離測量主要采用兩種方法：一是測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)用戶接受機(jī)的傳播時間，即偽距測量；一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(jī)產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差，即載波相位測量。通過對4顆或4顆以上的衛(wèi)星同時進(jìn)行偽距或相位的測量即可推算出接收機(jī)的三維位置。a．偽距測量通過測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)用戶接收機(jī)的傳播時間，從而球算出接收機(jī)到衛(wèi)星的距離。當(dāng)天空只有一個衛(wèi)星的時候，與衛(wèi)星距離相等的距離的點(diǎn)是一個圓，基本不能定位。 一顆衛(wèi)星的平面定位于是需要第二顆衛(wèi)星。與第二顆衛(wèi)星距離相等的點(diǎn)也組成了一個圓，而且兩個圓相交得到了兩個點(diǎn)，仍然沒有定位。兩個圓相交得到了兩個點(diǎn)C、G。 兩顆衛(wèi)星的平面定位三個圓相交得到一個點(diǎn)，已經(jīng)能綜合確定其位置，包括三維位置，時間和速度等。 三顆衛(wèi)星的平面定位我們一般說至少要4顆衛(wèi)星，第四顆衛(wèi)星的信號實際上是提供時間基準(zhǔn)，給GPS接收機(jī)用來計算接收機(jī)距離其他三顆衛(wèi)星的距離：有了時間基準(zhǔn)，接收機(jī)就可以測量從其他三顆衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)的時間，然后把時間轉(zhuǎn)換成距離。其他衛(wèi)星對其位置進(jìn)行校驗，參與的衛(wèi)星越多，定位越精確。三維定位和二維定位的基本原理相同，只不過將平面的原換成了球面。 三維空間中一顆衛(wèi)星定位 三維空間中兩顆衛(wèi)星的定位 三維空間中三顆衛(wèi)星定位我們必定在以R1為半徑的球面的某個點(diǎn)上，2個球面相交成一個圓弧點(diǎn)位被限 制在一曲線上，3個球面相交成一個點(diǎn)3個距離段可以確定緯度，經(jīng)度，和高程點(diǎn)的 空間位置被確定。b．載波相位測量載波相位測量師測量GPS載波信號從GPS衛(wèi)星發(fā)射天線到GPS接收機(jī)接收天線的傳播路程上的相位發(fā)生變化，從而確定傳播距離的方法。載波信號是一種周期性的正弦波，而相位測量只能測量出不足一周的小數(shù)部分，因此在相位測量中存在整周數(shù)的確定問題，也就是整周模糊度的精確求解問題。GPS接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號中，已用相位調(diào)制技術(shù)在載波上調(diào)制了測距碼和衛(wèi)星導(dǎo)航電文，所以載波已不再連續(xù)（圖4－3）。為此要在載波相位測量之前先進(jìn)行解調(diào)，設(shè)法將調(diào)制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉，恢復(fù)載波的相位。衛(wèi)星信號的解調(diào)可采用兩種方法，一種是碼相關(guān)法，第二種是平方法。如果接收機(jī)在某一時刻跟蹤衛(wèi)星信號，并對恢復(fù)后的載波進(jìn)行相位測量。與此同時，接收機(jī)的本機(jī)振蕩器又能產(chǎn)生一個頻率和初相均與衛(wèi)星載波信號相同的基準(zhǔn)信號，其相位就等于衛(wèi)星載波信號的相位。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(jìn)行相位測量可以達(dá)到很高的精度。通過測量載波的相位而求得接收機(jī)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。 載波相位測量載波相位測量的特點(diǎn): 1) 精度高。(對載波進(jìn)行測量可達(dá):1mm～2mm) 。 2) 解算麻煩。( 整周模糊度 N 的確定) 測時鐘方法在GPS測量中，時間對點(diǎn)位的精度具有決定性的作用。首先，作為動態(tài)已知點(diǎn)的GPS衛(wèi)星的位置是不斷變化的，在星歷中，除了要給出衛(wèi)星的空間位置參數(shù)以外，還要給出相應(yīng)的時間參數(shù)。其次，GPS測量是通過接收和處理GPS衛(wèi)星發(fā)射的電磁波信號來確定星站距離進(jìn)而求得測站坐標(biāo)的。要精確測定星站距離，就必須精確測定信號傳播時間。其三，由于地球自轉(zhuǎn)的緣故，地面點(diǎn)在天球坐標(biāo)系中的位置是不斷變化的，為了根據(jù)GPS衛(wèi)星位置確定地面點(diǎn)位置，就必須進(jìn)行天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換。為此也必須精確測定時間。所以，在建立GPS定位系統(tǒng)的同時，就必須建立相應(yīng)的時間系統(tǒng)。1 世界時系統(tǒng)世界時系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的一種時間系統(tǒng)。然而，由于觀察地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動所選的空間參考點(diǎn)不同，世界時系統(tǒng)又包括恒星時、平太陽時和世界時。A、恒星時（Sidereal TimeST）由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動確定的時間稱為恒星時。春分點(diǎn)連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午線的時間間隔為一恒星日，含24個恒星小時。恒星時在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對于本地子午圈的時角。在歲差和章動的影響下，春分點(diǎn)分為真春分點(diǎn)和平春分點(diǎn)，相應(yīng)的恒星時也分為真恒星時和平恒星時。此外，為了確定世界統(tǒng)一時間，也用到格林尼治恒星時。所以，恒星時分為以下四種。LAST——真春分點(diǎn)的地方時角；GAST——真春分點(diǎn)的格林尼治時角；LMST——平春分點(diǎn)的地方時角；GMST——平春分點(diǎn)的格林尼治時角。四種恒星時有如下關(guān)系： （526）式中，λ為天文經(jīng)度，Δψ為黃經(jīng)章動，ε為黃赤交角。B、 平太陽時（Mean Solar TimeMT）因地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道為一橢圓，所以太陽視運(yùn)動的速度是不均勻的。以真太陽周年視運(yùn)動的平均速度確定一個假想的太陽，且其在天球赤道上做周年視運(yùn)動。稱為平太陽。以平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一個平太陽日，含24個平太陽小時。與恒星時一樣，平太陽時也具有地方性，故常稱為地方平太陽時或地方平時。C、世界時（Universal TimeUT）以子夜零時起算的格林尼治平太陽時稱為世界時，如以GAMT表示平太陽相對于格林尼治子午圈的時角，則世界時UT與平太陽時之間的關(guān)系為： （527）在地極移動的影響下，平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過格林尼治子午圈的時間間隔并不均等。此外，地球自轉(zhuǎn)速度也不均勻，它不僅包含有長期的減緩趨勢，而且還含有一些短周期的變化和季節(jié)性變化。因此，世界時也不均勻。從1956年開始，在世界時中加入了極移改正和地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性改正，改正后的世界時分別用UT1和UT2表示，未經(jīng)改正的世界時用UT0表示，其關(guān)系為： （528）式中Δλ為極移改正，ΔTS為地球自轉(zhuǎn)速度的季節(jié)性變化改正。世界時UT2雖經(jīng)過以上兩項改正，但仍含有地球自轉(zhuǎn)速度逐年減緩和不規(guī)則變化的影響，所以世界時UT2仍是一個不均勻的時間系統(tǒng)。2 原子時（Atomic TimeAT）隨著科技的發(fā)展，人們對時間穩(wěn)定度的要求不斷提高。以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時系統(tǒng)已不能滿足要求。為此，從20世紀(jì)50年代起，便建立了以原子能級間的躍遷特征為基礎(chǔ)的原子時系統(tǒng)。原子時秒長定義為：位于海平面上的銫原子基態(tài)兩個超精細(xì)能級間，在零磁場中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時間，為一原子秒。原子時的起點(diǎn)定義為1958年1月1日零時的UT2（）國際上用約100臺原子鐘推算統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)，稱為國際原子時系統(tǒng)（IAT）。3 協(xié)調(diào)世界時（Coordinate Universal TimeUTC）原子時的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定度極高，缺點(diǎn)是與晝夜交替不一致。為了保持原子時的優(yōu)點(diǎn)而避免其缺點(diǎn)，從1972年起，采用了以原子時秒長為尺度，時刻上接近于世界時的一種折衷時間系統(tǒng)，稱為協(xié)調(diào)世界時。協(xié)調(diào)世界時秒長等于原子時秒長，采用閏秒的辦法使協(xié)調(diào)世界時的時刻與世界時接近。，否則在協(xié)調(diào)世界時的時刻上減去1秒，稱為閏秒。閏秒的時間定在6月30日末或12月31日末，由國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織（IERS）確定并事先公布。目前幾乎所有國家發(fā)播的時號，都以UTC為基準(zhǔn)。協(xié)調(diào)時與國際原子時之間的關(guān)系可由下式定義： IAT＝UTC十1162。n (5—29)式中，n為調(diào)整參數(shù)，其值由IERS發(fā)布。 為使用世界時的用戶得到精度較高的UTl時刻，時間服務(wù)部門在播發(fā)協(xié)調(diào)時(UTC)時號的同時，給出UTl與UTC的差