【正文】 美國(guó)采取謹(jǐn)慎而積極的進(jìn)軍姿態(tài)，爭(zhēng)先恐后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。三、前景當(dāng)初設(shè)計(jì) GPS 系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航，收集情報(bào)等軍事目的。因此，GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景。對(duì)于測(cè)繪領(lǐng)域，GPS 衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)用于建立高精度的 全國(guó)性的大地測(cè)量控制網(wǎng)，測(cè)定全球性的地球動(dòng)態(tài)參數(shù)；用于建立陸地海洋大地測(cè)量基準(zhǔn)， 進(jìn)行高精度的海島陸地聯(lián)測(cè)以及海洋測(cè)繪；用于監(jiān)測(cè)地球板塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地殼形變；用于工程測(cè)量，成為建立城市與工程控制網(wǎng)的主要手段。 2. 多元化空間資源環(huán)境的出現(xiàn) 目前，GPS，GLONASS。 這一多元化的空間資源環(huán)境，促使國(guó)際民間形成了一個(gè)共同太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文7的策略，即一方面對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng) 充分利用，一方面積極籌建民間 GNSS 系統(tǒng)，待到2022 年前后，GNSS 純民間系統(tǒng)建成，全球 將形成 GPS/GLONASS/GNSS 三足鼎立之勢(shì)，才能從根本上擺脫對(duì)單一系統(tǒng)的依賴，形成國(guó)際共有、 國(guó)際共享的安全資源環(huán)境。 國(guó)際民間的這一策略，反過(guò)來(lái)有影響和迫使美國(guó)對(duì)其 GPS 使用政策做出更開(kāi)放的調(diào)整。 3 .發(fā)展 GPS 產(chǎn)業(yè) 今后 GPS 將像目前汽車、無(wú)線電通信等一樣形成產(chǎn)業(yè)化。我國(guó)目前也有一些單位生產(chǎn) 車載 GPS 系統(tǒng)。 4 .GPS 的應(yīng)用將進(jìn)入人們的日常生活 GPS 信號(hào)接收機(jī)在人們生活中的應(yīng)用，是一個(gè)難以用數(shù)字預(yù)測(cè)的廣闊天地，手表式的 GPS 接收機(jī)，將成為旅游者的忠實(shí)導(dǎo)游。今后，所有運(yùn)載器，都將依賴于 GPS。第二章 GPS 衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)第一節(jié) GPS 衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成GPS 全球定位系統(tǒng)由以下三個(gè)部分組成：空間部分（GPS 衛(wèi)星） 、地面監(jiān)控部分和用戶部分。衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面傾角為 55176。軌道平均高度為 太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文8運(yùn)行周期為 11 小時(shí) 58 分（恒星時(shí)） ，同一軌道上的各衛(wèi)星的升交角距為 90176。GPS 衛(wèi)星的主體呈圓柱形，直徑約為 ，重約 774kg，兩側(cè)各安裝兩塊雙葉太陽(yáng)能電池板，能自動(dòng)對(duì)日定向，以保證衛(wèi)星正常工作用電。GPS 衛(wèi)星上設(shè)有微處理機(jī)，可以進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)處理工作，它主要的 3 個(gè)基本功能：根據(jù)地面監(jiān)控指令接收和儲(chǔ)存由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航信息，調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)、啟動(dòng)備用衛(wèi)星；向 GPS 用戶播送導(dǎo)航電文，提供導(dǎo)航和定位信息；通過(guò)高精度衛(wèi)星鐘向用戶提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。它由一個(gè)主控站，三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)控站以及通信和輔助系統(tǒng)組成。它的主要功能是：收集各監(jiān)測(cè)站測(cè)得的距離和距離差、氣象要素、衛(wèi)星時(shí)鐘和工作狀況的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)等；根太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文9據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時(shí)計(jì)算每顆 GPS 衛(wèi)星的星歷，時(shí)鐘改正，狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號(hào)的大氣傳播改正，并按一定格式編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站；監(jiān)控整個(gè)地面監(jiān)控系統(tǒng)是否工作正常，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)出；調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星，將偏離軌道的衛(wèi)星“拉回”到正常軌道位置。注入站是向 GPS 衛(wèi)星輸入導(dǎo)航電文和其他命令的地面設(shè)施。注入站能將接收到的導(dǎo)航電文存儲(chǔ)在微機(jī)中，當(dāng)衛(wèi)星通過(guò)其上空時(shí)再用大口徑發(fā)射天線將這些導(dǎo)航電文和其他命令分別“注入”衛(wèi)星。全球定位系統(tǒng)的通信系統(tǒng)由通信線、海底電纜及衛(wèi)星通信等聯(lián)合組成。GPS信號(hào)接收機(jī)，是 GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星的用戶設(shè)備，是實(shí)現(xiàn) GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航定位的終端儀器。在測(cè)量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體積小、重量輕便于攜帶的 GPS 定位裝置和高精度的技術(shù)指標(biāo)為工程測(cè)量帶來(lái)了極大的方便。按測(cè)量站星距離所用測(cè)距信號(hào)之異，GPS 信號(hào)接收機(jī)可以分為下列幾種類（1） 碼接收機(jī)：用偽噪聲碼和載波作測(cè)距信號(hào)；（2） 無(wú)碼接收機(jī)：僅用載波作測(cè)距信號(hào)；（3） 集成接收機(jī)：既用 GPS 信號(hào)，又用 GLONASS 信號(hào)測(cè)量站星距離。 按所用載波頻率多少分類用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位的載波是 L1 和 L2，它們的頻率分別為：f1=154=。 第二節(jié) GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號(hào)。載波可運(yùn)載調(diào)制信號(hào)的高頻振蕩波稱為載波。其中 L1 載波是由衛(wèi)星上的原子鐘所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率 f0 倍頻 154 倍后形成的，L2 載波是由基準(zhǔn)頻率 f0 倍頻 120太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文11倍后形成的。在全球定位系統(tǒng)中，載波除了能更好地傳送測(cè)距碼和導(dǎo)航電文這些有用意信息外，在載波相位測(cè)量中它又被當(dāng)做一種測(cè)距信號(hào)來(lái)使用。因此，載波相位測(cè)量在高精度定位中得到廣泛的應(yīng)用。根據(jù)性質(zhì)和用途的不同，測(cè)距碼可分為粗碼（C/A 碼）和精碼（P 碼或 Y 碼）兩類，各衛(wèi)星所用的測(cè)距碼互不相同且相互正交。目前，/A 碼只調(diào)制在 L1 載波上，故無(wú)法精確地消除電離層延遲。由于 P 碼的碼元寬度僅為 C/A 碼的 1/10，而且該測(cè)距碼又同時(shí)調(diào)制在 L1 和 L2 兩個(gè)載波上，可較完善地消除電離層延遲，故用它來(lái)測(cè)距可獲得較精確的結(jié)果。它是用戶利用 GPS 進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)一組不可少的數(shù)據(jù)。它的作用是，將到達(dá) GPS 信號(hào)接收天線的功率約為160dBW 的 GPS 電磁波變換成微波電信號(hào)，并將如此微弱的 GPS 電信號(hào)予以放大。下圖 24 是 GPS 接收機(jī)原理圖：太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文12圖 24 GPS 接收機(jī)原理圖GPS 接收機(jī)的天線類型如下圖 25：圖 25 GPS 接收機(jī)的天線類型 接收機(jī)主機(jī)（1） 變頻器及中頻放大器經(jīng)過(guò) GPS 前置放大器的信號(hào)仍然很微弱，為了使接收機(jī)通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使 L 頻段的射頻信號(hào)變成低頻信號(hào)，必須采用變頻器。GPS 信號(hào)通道的作用有三：一是搜索衛(wèi)星，牽引并跟蹤衛(wèi)星；二是對(duì)廣播電文數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)行解擴(kuò)，解調(diào)出廣播電文；三是進(jìn)行偽距測(cè)量、載波相位測(cè)量及多普勒頻移測(cè)量。目前，GPS 接收機(jī)都裝有半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，接收機(jī)內(nèi)存數(shù)據(jù)可以通過(guò)數(shù)據(jù)口傳到微機(jī)上，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存。微處理器微處理器是 GPS 接收機(jī)工作的靈魂，GPS 接收機(jī)工作都是在微機(jī)指令統(tǒng)一協(xié)同下進(jìn)行的。接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行搜索，捕捉衛(wèi)星。當(dāng)同時(shí)鎖定 4 顆衛(wèi)星時(shí)，將 C/A 碼偽距觀測(cè)值連同星歷一起計(jì)算測(cè)站的三維坐標(biāo)，并按預(yù)置位置更新率計(jì)算新的位置。根據(jù)預(yù)先設(shè)置的航路點(diǎn)坐標(biāo)和單點(diǎn)定位測(cè)站位置計(jì)算導(dǎo)航的參數(shù)、航偏距、航偏角、航行速度等。顯示器GPS 接收機(jī)都有液晶顯示屏以提供 GPS 接收機(jī)工作信息。用戶可通過(guò)鍵盤控制接收機(jī)工作。電源GPS 接收機(jī)電源有兩種，一種為內(nèi)電源，一般采用鋰電池，主要用于 RAM 存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。當(dāng)用交流電時(shí)，要經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電源或?qū)Ｓ秒娫唇粨Q器。與其相似，無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)、衛(wèi)星激光測(cè)距定位系統(tǒng)，其定位原理也是利用測(cè)距交會(huì)的原理確定點(diǎn)位。只需以三個(gè)發(fā)射臺(tái)為球心，以 d1,d2,d3為半徑作三個(gè)定位球面，即可交會(huì)出用戶接收機(jī)的空間位置。這種無(wú)線電導(dǎo)航定位是迄今為止仍在使用的飛機(jī)、輪船的一種導(dǎo)航定位方法。雖然用于激光測(cè)距的衛(wèi)星（表面上安裝有激光反射棱鏡）是在不停的運(yùn)動(dòng)中，但總可以利用固定于地面上三個(gè)已知點(diǎn)上的衛(wèi)星激光測(cè)距儀同時(shí)測(cè)定某一時(shí)刻至衛(wèi)星的空間距離，d 1,d2,d3，應(yīng)用測(cè)距交會(huì)的原理變可確定該時(shí)刻衛(wèi)星的空間位置。如果在第四個(gè)地面點(diǎn)上（坐標(biāo)未知）也有一臺(tái)衛(wèi)星激光測(cè)距儀同時(shí)參與測(cè)定了該點(diǎn)至第三顆衛(wèi)星點(diǎn)的空間距離，則利用所測(cè)定的三個(gè)空間距離可以交會(huì)出該地面點(diǎn)的位置。這便是 GPS 衛(wèi)星定位的基本原理。用戶用GPS 接收機(jī)在某一時(shí)刻同時(shí)接收三顆以上的衛(wèi)星信號(hào)，測(cè)量出測(cè)站點(diǎn)（接收機(jī)天線中心）P 至三顆以上衛(wèi)星的距離并解算出該時(shí)刻 GPS 衛(wèi)星的空間坐標(biāo)，據(jù)此利用距離交會(huì)法解算出測(cè)站 P 的位置。在 GPS 測(cè)量中通常采用兩類坐標(biāo)系統(tǒng)，一類是在it空間固定的坐標(biāo)系統(tǒng)，另一類是與地球體相固聯(lián)的坐標(biāo)系統(tǒng)，稱地固坐標(biāo)系統(tǒng)，我們?cè)诠饭こ炭刂茰y(cè)量中常用地固坐標(biāo)系統(tǒng)（如：WGS－84 世界大地坐標(biāo)系和 1980年西安大地坐標(biāo)系） 。這樣更有利于表達(dá)地面控制點(diǎn)的位置和處理 GPS 觀測(cè)成果，因此在測(cè)量中被得到了廣泛的應(yīng)用。需要實(shí)時(shí)地由 GPS 衛(wèi)星信號(hào)測(cè)量出測(cè)站至衛(wèi)星之間的距離，實(shí)時(shí)地由衛(wèi)星的導(dǎo)航電文解算出衛(wèi)星的坐標(biāo)值，并進(jìn)行測(cè)站點(diǎn)的定位。對(duì)于待定點(diǎn)來(lái)說(shuō)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以將 GPS 定位分為靜態(tài)定位和動(dòng)態(tài)定位。若以兩臺(tái) GPS 接收機(jī)分別置于兩個(gè)固定不變的待定點(diǎn)上，則通過(guò)一定時(shí)間的觀測(cè)，可以確定兩個(gè)待定點(diǎn)間的相對(duì)位置，又叫相對(duì)定位。太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文16利用接收到的衛(wèi)星信號(hào)（測(cè)距碼）或載波相位，均可進(jìn)行靜態(tài)定位。二、GPS 幾種定位方式偽距測(cè)量定位偽距法定位是由 GPS 接收機(jī)在某一時(shí)刻測(cè)出得到四顆以上 GPS 衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置，采用距離交會(huì)的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)。由于衛(wèi)星鐘、接收機(jī)鐘的誤差以及無(wú)線電信號(hào)經(jīng)過(guò)電離層和對(duì)流層中的延遲，實(shí)際測(cè)出的距離 ρ /與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離 ρ 有一定的差值，因此一般稱量出的距離為偽距。用 P 碼測(cè)出的偽距為 P 碼偽距。同時(shí)，所測(cè)偽距又可作為載波相位測(cè)量中解決整周數(shù)不確定問(wèn)題（模糊度）的輔助資料。然而由于測(cè)距碼的碼元長(zhǎng)度較大，對(duì)于一些高精度應(yīng)用來(lái)講其測(cè)距精度還顯的過(guò)低無(wú)法滿足需要。而如果把載波作為量測(cè)信號(hào)，由于載波的波長(zhǎng)短19cm；24cm，所以就可達(dá)到很高的精度。但載波信號(hào)是一種周期性的正弦信號(hào)，而相位測(cè)量又只能測(cè)定其不足一個(gè)波長(zhǎng)的部分，因而存在著整周數(shù)不確定性的問(wèn)題，使解算過(guò)程變地十分復(fù)雜。重建載波一般可采用兩種方法，一種是碼相關(guān)法，另一種是平方法。比如相對(duì)定位中，在一個(gè)測(cè)站上對(duì)兩個(gè)觀測(cè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在兩個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行觀測(cè)，將觀測(cè)值求差；或在一個(gè)測(cè)站上對(duì)一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測(cè)求差。利用求差后的觀測(cè)值解算兩觀測(cè)站之間的基線向量，這種差分技術(shù)已經(jīng)用于靜態(tài)相對(duì)定位。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)地將這一改正數(shù)發(fā)送出去。GPS 定位中，存在著三部分誤差：一是多臺(tái)接收機(jī)公有的誤差，如：衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差；二是傳播延遲誤差，如：電離層誤差、對(duì)流層誤差；三是接收機(jī)固有的誤差，如：內(nèi)部噪聲、通道延遲、多路徑效應(yīng)。差分可分為單基準(zhǔn)站差分、具有多個(gè)基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種。 衛(wèi)星鐘差 由于衛(wèi)星的位置是時(shí)間的函數(shù)，因此，GPS 的觀測(cè)量均發(fā)精密測(cè)時(shí)為依據(jù)，而與衛(wèi)星位置相對(duì)應(yīng)的信息，是通過(guò)衛(wèi)星信號(hào)的編碼信息傳送給接收機(jī)的。實(shí)際上，盡管 GPS 衛(wèi)星均設(shè)有高精度的原子鐘（銣鐘和銫鐘） ，但是它們與理想的 GPS 時(shí)之間，仍存在著難以避免的偏差和漂移。太原理工大學(xué)陽(yáng)泉學(xué)院畢業(yè)論文18對(duì)于衛(wèi)星鐘的這種偏差，一般可由衛(wèi)星的主控站，通過(guò)對(duì)衛(wèi)星鐘運(yùn)行狀態(tài)的連續(xù)監(jiān)測(cè)確定，并通過(guò)衛(wèi)星的導(dǎo)航電文提供給接收機(jī)。在相對(duì)定位中，衛(wèi)星鐘差可通過(guò)觀測(cè)量求差（或差分）的方法消除。 應(yīng)該說(shuō)，衛(wèi)星軌道誤差是當(dāng)前 GPS 測(cè)量的主要誤差來(lái)源之一。在 GPS 定位測(cè)量中，處理衛(wèi)星軌道誤差有以下幾種方法: 忽略軌道誤差這種方法以從導(dǎo)航電文中所獲得的衛(wèi)星軌道信息為準(zhǔn)，不再考慮衛(wèi)星軌道實(shí)際存在的誤差，所以廣泛的用于精度較低的實(shí)時(shí)單點(diǎn)定位工作中。 同步觀測(cè)值求差這一方法是利用在兩個(gè)或多個(gè)觀測(cè)站一同，對(duì)同一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差。由于同一衛(wèi)星的位置誤差對(duì)不同觀測(cè)站同步觀測(cè)量的影響，具有系統(tǒng)誤差性質(zhì)，所以通過(guò)上述求差的方法，可以明顯的減弱衛(wèi)星軌道誤差的影響，尤其當(dāng)基線較短時(shí)，其效用更不明顯。二、與衛(wèi)星信號(hào)傳播有關(guān)的誤差與衛(wèi)星信號(hào)有關(guān)的誤差主要包括大氣折射誤差和多路徑效應(yīng)。當(dāng) GPS 衛(wèi)星處于天頂方向時(shí)，電離層折射對(duì)信號(hào)傳播路徑的影響最小，而當(dāng)衛(wèi)星接近地平線時(shí)，則影響最大。便能多確定其影響，而對(duì)觀測(cè)量加以修正。不過(guò)應(yīng)當(dāng)明確指出，在太陽(yáng)輻射的正午或在太陽(yáng)黑子活動(dòng)的異常期，應(yīng)盡量避免觀測(cè)。 利用電離層模型加以修正對(duì)于單頻 GPS 接收機(jī)，為了減弱電離層的影響，一般是采用導(dǎo)航電文提供的電離層模型，或其它適合的電離層模型對(duì)觀測(cè)量加以修正，但是這種模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率約為 75％。對(duì)于單頻 GPS 接收機(jī)而言，這種方法的重要意義尤為明顯。干分量主要與大氣的濕度與壓力有關(guān)，而濕分量主要與信號(hào)傳播路徑上的大氣濕度有關(guān)。對(duì)于輸送短的基線(50km)，濕分量的影響較小關(guān)于對(duì)流層折射的影響，一般有以下幾種處理方法： 定位精度要求不高時(shí)，可不考慮其影響。與電離層的影響相類似，當(dāng)觀測(cè)站間相距不遠(yuǎn) (20km)時(shí)，由于信號(hào)通過(guò)對(duì)流層的路徑相近，對(duì)流層的物理特性相近，所以對(duì)同 一衛(wèi)星的同步觀測(cè)值求差，可以明顯的減弱對(duì)流層折射的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料表明，在一般反射環(huán)境下，多路徑效應(yīng)對(duì)測(cè)碼偽距的影響可達(dá)到米級(jí)，對(duì)測(cè)相偽距的影響可達(dá)到厘米級(jí)。因此，在精密 GPS 導(dǎo)航和測(cè)量中，多路徑效應(yīng)的影響是不可忽視的。 選擇造型適宜且屏蔽良好的天線等。 改善 GPS 接收機(jī)的電路設(shè)計(jì)，為減弱多路徑效應(yīng)的影三、接收設(shè)備有關(guān)的誤差與 GPS 接收機(jī)設(shè)備有關(guān)的誤差主要包括觀測(cè)誤差，接收機(jī)鐘差，天線相位中心誤差和載波相位觀測(cè)的整周不定性影響。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般認(rèn)為觀測(cè)的分辨誤差約為信號(hào)波長(zhǎng)的 1%。接收機(jī)天線相對(duì)于觀測(cè)站中心的安置誤差，主要是天線的置不與對(duì)中誤差以及量取天線高的誤差，在精密定位工作中，必須認(rèn)真，仔細(xì)操作，以盡量減小這種誤差的影響。處理接收機(jī)鐘差較為有效的方法