【正文】 第一顆人造地球衛(wèi)星，從此，人類跨入了空間科學技術迅速發(fā)展的嶄新時代，以用衛(wèi)星進行定位和導航的研究引起了各國軍事部門的高度重視。1958年底，美國海軍武器實驗室著手研制為美國軍用艦艇導航服務的衛(wèi)星導航系統(tǒng)“navy navigation satellite system”,即”海軍衛(wèi)星導航系統(tǒng)“（NNSS）。在該系統(tǒng)中，所有衛(wèi)星軌道都通過地球的南北兩極，衛(wèi)星的地跡與地球的子午圈重合，故稱為 “子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)”。1964年1月該系統(tǒng)研制成功，它用于北極星核潛艇的導航定位，并逐步應用于其他各種艦艇的導航定位。1967年7月29日，美國政府宣布“子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)”的部分導航電文解密，供民間商業(yè)應用，為遠洋船舶導航和海上定位服務，隨著對子午儀衛(wèi)星導航系統(tǒng)技術的進一步改善，提高了衛(wèi)星軌道測定的精度，改進了用戶接收機性能。1973年，美國國防部組織海陸空三軍，共同研究建立新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)： “Navigation Satellite Timing and Ranging／Global Positioning System”，即“授時與測距導航系統(tǒng)”，通常簡稱為“全球定位系統(tǒng)”（GPS）。它是新一代精密衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是現(xiàn)代科學技術迅速發(fā)展的結(jié)晶。 GPS整個發(fā)展計劃分為3個階段實施。第一階段為原理方案可行性試驗階段，從1978年到1979年，攻發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星，建立了地面跟蹤網(wǎng)，研制了地面GPS接收機，對系統(tǒng)的硬件和軟件進行了試驗，試驗結(jié)果令人滿意。第二階段為系統(tǒng)的研制與試驗階段，從1979年到1984年，有陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星。第一階段和第二階段共發(fā)射了11顆試驗衛(wèi)星，這些試驗衛(wèi)星稱為第一代衛(wèi)星。與此同時，研制了各種導航型接收機和側(cè)地型接收機，試驗表明，GPS的定位精度大大超過了設計標準。由此證明，GPS計劃是成功的。第三階段為最后的工程發(fā)展與完成階段。1989年的2月4日，發(fā)射了GPS第一顆工作衛(wèi)星，到1994年3月10日工研制發(fā)射了28顆工作衛(wèi)星。與此同時，不僅研制了高精度導航型接收機，還研制了能對衛(wèi)星載波信號進行相位測量的定位精度極高的接收機和采用相位差分的GPS載體姿態(tài)測量接收機，滿足了精密導航與制導等一系列軍事目的的要求。從GPS計劃的提出到該系統(tǒng)的建成使用，歷經(jīng)20余年，耗資數(shù)百億美元。這一工程項目是美國政府繼阿波羅登月計劃和航天計劃之后的第三項龐大空間項目。GPS從根本上解決了人類在地球及其周圍空間的導航及定位問題，它不僅可以廣泛地應用于海上、陸地和空中運動目標的導航、制導和定位，而且可為空間飛行器進行精密定軌，滿足軍事部門的需要。同時，它在各種民用部門也獲得了成功的應用，在大地測量、工程勘探、地形普查測量、地殼監(jiān)測等眾多領域展現(xiàn)了極其廣闊的應用前景。 GPS系統(tǒng)的組成全球定位系統(tǒng)(GPS)由三部分組成，即空間衛(wèi)星星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設備部分（GPS接收機）。A、空間星座部分GPS空間衛(wèi)星星座，必須保證在地球各處能同時觀測到高度角15度以上的至少4顆衛(wèi)星。全球定位系統(tǒng)的空間星座由21顆工作衛(wèi)星和3顆隨時可以啟用的備用衛(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)星運行周期為11小時58分，因此，地球上同一地點的GPS接收機的上空，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，隨時間和地點的不同而相異，最少亦有4顆，最多時可達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，提供精密的時間標準；GPS的核心部件是高精度的時鐘、導航電文儲存器、雙頻發(fā)射和接受以及微處理器，而對于GPS定位成功的關鍵在于高穩(wěn)定度的頻率標準。這中高穩(wěn)定度的頻率標準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）負責監(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 ）島上設立監(jiān)控站，裝備有P碼接收機和精密銫鐘，對所接收到的衛(wèi)星進行連續(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14天的預報能力，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)絡聯(lián)系起來，在原子鐘和計算機的精確控制下，各項工作實現(xiàn)了高度的自動化和標準化。C、用戶設備部分GPS用戶設備部分主要包括：GPS接收機及其天線，微處理器及其終端設備以及電源等。而其中接收機和天線，是用戶設備的核心部分，一半習慣上統(tǒng)稱為GPS接收機。根據(jù)接收機的結(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?shù)牡胤?，兩者之間用電纜線連成一個整機。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構(gòu)成接收單元的核心部件。從目前的側(cè)地型接收機來看，主要有平方型和相關型兩種信號波道，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)星進行觀測，實現(xiàn)快速定位。微處理機具有各種數(shù)據(jù)處理軟件，能選擇合適的衛(wèi)星進行測量，以獲得最佳的幾何圖形；能根據(jù)觀測值及衛(wèi)星星歷進行平差計算，求得所需的定位信息。綜上所述，接收機的主要功能是：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)星的運行，對所接受到的衛(wèi)星信號進行變換、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)送的導航電文，實時地計算出測站的三維坐標、三維速度和時間等所需數(shù)據(jù)。隨著GPS定位技術的迅速發(fā)展以及應用領域的不斷開拓，世界各國對GPS接收機的研制與生產(chǎn)都極為重視，目前世界上GPS接收機的生產(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定位技術的迅速發(fā)展以及應用領域的不斷開拓，其應用領域基于陸地應用，延伸至航空，空間引導，海事等，世界各國對GPS系統(tǒng)的研制與生產(chǎn)都極為重視。任何高端技術出現(xiàn)首先應用于軍事，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定位技術與美國的國防現(xiàn)代化發(fā)展密切相關，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進行實時和較高精度的定位。而我國在20世紀80年代中期開始引進GPS接收機并應用于各個領域，同時著手研究建立我國自己的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。在GPS普及的現(xiàn)在，幾乎所有的運載工具都將依賴于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，可以預料，隨著GPS技術的進一步發(fā)展，GPS的應用將進入我們的日常生活，甚至會改變我們的生活方式。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)星與地面點間距離交會出地面點位置的方法。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用戶接受機的傳播時間，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)星同時進行偽距或相位的測量即可推算出接收機的三維位置。a．偽距測量通過測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達用戶接收機的傳播時間，從而球算出接收機到衛(wèi)星的距離。當天空只有一個衛(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)星距離相等的點也組成了一個圓，而且兩個圓相交得到了兩個點，仍然沒有定位。兩個圓相交得到了兩個點C、G。 兩顆衛(wèi)星的平面定位三個圓相交得到一個點，已經(jīng)能綜合確定其位置，包括三維