【正文】 交通部在內(nèi)的幾個(gè)美國(guó)政府機(jī)構(gòu)都對(duì)發(fā)展用于三維定位的衛(wèi)星系統(tǒng)產(chǎn)生了興趣。1969年，國(guó)防部長(zhǎng)辦公室建立了國(guó)防導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)計(jì)劃，擬將各軍種的獨(dú)立研究工作統(tǒng)一起來(lái)，以便形成一個(gè)單獨(dú)的聯(lián)合使用的系統(tǒng)。由于這些工作，形成NAVSTAR GPS的概念。NAVSTAR GPS系統(tǒng)如今普遍的簡(jiǎn)稱(chēng)為GPS。該系統(tǒng)向具有適當(dāng)接收設(shè)備的全球范圍內(nèi)的用戶(hù)提供精確、連續(xù)的三維位置和速度信息。標(biāo)稱(chēng)的GPS衛(wèi)星星座有安排在6個(gè)軌道面上的24顆衛(wèi)星組成，每個(gè)平面上4顆。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)也向衛(wèi)星上載導(dǎo)航數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)。 GPS定位系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的歷史1957年10月，前蘇聯(lián)成功地發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星，從此，人類(lèi)跨入了空間科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的嶄新時(shí)代，以用衛(wèi)星進(jìn)行定位和導(dǎo)航的研究引起了各國(guó)軍事部門(mén)的高度重視。在該系統(tǒng)中，所有衛(wèi)星軌道都通過(guò)地球的南北兩極，衛(wèi)星的地跡與地球的子午圈重合，故稱(chēng)為 “子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”。1967年7月29日，美國(guó)政府宣布“子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”的部分導(dǎo)航電文解密，供民間商業(yè)應(yīng)用，為遠(yuǎn)洋船舶導(dǎo)航和海上定位服務(wù)，隨著對(duì)子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)一步改善，提高了衛(wèi)星軌道測(cè)定的精度，改進(jìn)了用戶(hù)接收機(jī)性能。它是新一代精密衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展的結(jié)晶。第一階段為原理方案可行性試驗(yàn)階段，從1978年到1979年，攻發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星，建立了地面跟蹤網(wǎng)，研制了地面GPS接收機(jī)，對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果令人滿(mǎn)意。第一階段和第二階段共發(fā)射了11顆試驗(yàn)衛(wèi)星，這些試驗(yàn)衛(wèi)星稱(chēng)為第一代衛(wèi)星。由此證明，GPS計(jì)劃是成功的。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。從GPS計(jì)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。GPS從根本上解決了人類(lèi)在地球及其周?chē)臻g的導(dǎo)航及定位問(wèn)題，它不僅可以廣泛地應(yīng)用于海上、陸地和空中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的導(dǎo)航、制導(dǎo)和定位，而且可為空間飛行器進(jìn)行精密定軌，滿(mǎn)足軍事部門(mén)的需要。 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(hù)設(shè)備部分（GPS接收機(jī)）。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(shí)可以啟用的備用衛(wèi)星所組成。以保證全球均勻覆蓋的要求。同時(shí)，位于地平線(xiàn)以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時(shí)間和地點(diǎn)的不同而相異，最少亦有4顆，最多時(shí)可達(dá)11顆。 GPS衛(wèi)星星座GPS系統(tǒng)中，GPS衛(wèi)星的作用是：向廣大用戶(hù)連續(xù)發(fā)送定位信息；接收和儲(chǔ)存由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的衛(wèi)星導(dǎo)航電文等信息，并適時(shí)地發(fā)送給廣大用戶(hù)；接收并執(zhí)行由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的控制命令，適時(shí)地改正運(yùn)行偏差或啟用備用衛(wèi)星等；通過(guò)星載的高精度銣鐘和銫鐘，提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；GPS的核心部件是高精度的時(shí)鐘、導(dǎo)航電文儲(chǔ)存器、雙頻發(fā)射和接受以及微處理器，而對(duì)于GPS定位成功的關(guān)鍵在于高穩(wěn)定度的頻率標(biāo)準(zhǔn)。為此，每顆GPS工作衛(wèi)星一般安設(shè)2臺(tái)侞原子鐘和2臺(tái)銫原子鐘，并計(jì)劃未來(lái)采用更穩(wěn)定的氫原子鐘（其頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1014s）。衛(wèi)星鐘由地面站檢驗(yàn)，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(hù)設(shè)備。控制部分的操控系統(tǒng)（Operational Control System，簡(jiǎn)稱(chēng)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(lái)的跟蹤數(shù)據(jù)，計(jì)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。監(jiān)控站——共有5個(gè)，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(duì)所接收到的衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)的P碼偽距跟蹤測(cè)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。即使注入站因故障無(wú)法注入新的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)器具備長(zhǎng)達(dá)14天的預(yù)報(bào)能力，此時(shí)，定位精度從10m左右逐漸遞減至約200m。各站間用現(xiàn)代化的通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系起來(lái)，在原子鐘和計(jì)算機(jī)的精確控制下，各項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)化。GPS用戶(hù)設(shè)備部分主要包括：GPS接收機(jī)及其天線(xiàn)，微處理器及其終端設(shè)備以及電源等。根據(jù)接收機(jī)的結(jié)構(gòu)，可分為天線(xiàn)單元和接收單元兩大部分。也有的將天線(xiàn)單元和接收單元制成一個(gè)整體，觀測(cè)時(shí)將其安置在測(cè)站點(diǎn)上。接收天線(xiàn)大多采用全向天線(xiàn)，可接收來(lái)自任何方向的GPS信號(hào)，并將電磁波能量轉(zhuǎn)化為變化規(guī)律相同的電流。接收單元信號(hào)波道和微處理機(jī)構(gòu)成接收單元的核心部件。利用多個(gè)波道同時(shí)對(duì)多個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)快速定位。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(cè)衛(wèi)星信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接受到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)定出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收天線(xiàn)的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維坐標(biāo)、三維速度和時(shí)間等所需數(shù)據(jù)。 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(kāi)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(guó)對(duì)GPS系統(tǒng)的研制與生產(chǎn)都極為重視。研究GPS定位系統(tǒng)有著十分重大的意義，因?yàn)镚PS定位技術(shù)與美國(guó)的國(guó)防現(xiàn)代化發(fā)展密切相關(guān)，所以為了保障美國(guó)的利益與安全，美國(guó)限制非經(jīng)美國(guó)特許的用戶(hù)利用GPS定位的精度，甚至通過(guò)人為的施加誤差來(lái)限制廣大民間用戶(hù)利用GPS進(jìn)行實(shí)時(shí)和較高精度的定位。在GPS普及的現(xiàn)在，幾乎所有的運(yùn)載工具都將依賴(lài)于GPS，然而必然在某些方面要受制于美國(guó)，所以對(duì)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?。距離測(cè)量主要采用兩種方法：一是測(cè)量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)用戶(hù)接受機(jī)的傳播時(shí)間，即偽距測(cè)量；一是測(cè)量具有載波多普勒頻移的GPS衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)之間的相位差，即載波相位測(cè)量。a．偽距測(cè)量通過(guò)測(cè)量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)用戶(hù)接收機(jī)的傳播時(shí)間，從而球算出接收機(jī)到衛(wèi)星的距離。 一顆衛(wèi)星的平面定位于是需要第二顆衛(wèi)星。兩個(gè)圓相交得到了兩個(gè)點(diǎn)C、G。 三顆衛(wèi)星的平面定位我們一般說(shuō)至少要4顆衛(wèi)星，第四顆衛(wèi)星的信號(hào)實(shí)際上是提供時(shí)間基準(zhǔn)，給GPS接收機(jī)用來(lái)計(jì)算接收機(jī)距離其他三顆衛(wèi)星的距離：有了時(shí)間基準(zhǔn)，接收機(jī)就可以測(cè)量從其他三顆衛(wèi)星到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間，然后把時(shí)間轉(zhuǎn)換成距離。三維定位和二維定位的基本原理相同，只不過(guò)將平面的原換成了球面。b．載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量師測(cè)量GPS載波信號(hào)從GPS衛(wèi)星發(fā)射天線(xiàn)到GPS接收機(jī)接收天線(xiàn)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。GPS接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星信號(hào)中，已用相位調(diào)制技術(shù)在載波上調(diào)制了測(cè)距碼和衛(wèi)星導(dǎo)航電文，所以載波已不再連續(xù)（圖4－3）。衛(wèi)星信號(hào)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。與此同時(shí)，接收機(jī)的本機(jī)振蕩器又能產(chǎn)生一個(gè)頻率和初相均與衛(wèi)星載波信號(hào)相同的基準(zhǔn)信號(hào)，其相位就等于衛(wèi)星載波信號(hào)的相位。若把載波作為量測(cè)信號(hào)，對(duì)載波進(jìn)行相位測(cè)量可以達(dá)到很高的精度。 載波相位測(cè)量載波相位測(cè)量的特點(diǎn): 1) 精度高。 2) 解算麻煩。首先，作為動(dòng)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(shí)間參數(shù)。要精確測(cè)定星站距離，就必須精確測(cè)定信號(hào)傳播時(shí)間。為此也必須精確測(cè)定時(shí)間。1 世界時(shí)系統(tǒng)世界時(shí)系統(tǒng)是以地球自轉(zhuǎn)為基準(zhǔn)的一種時(shí)間系統(tǒng)。A、恒星時(shí)（Sidereal TimeST）由春分點(diǎn)的周日視運(yùn)動(dòng)確定的時(shí)間稱(chēng)為恒星時(shí)。恒星時(shí)在數(shù)值上等于春分點(diǎn)相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角。此外，為了確定世界統(tǒng)一時(shí)間，也用到格林尼治恒星時(shí)。LAST——真春分點(diǎn)的地方時(shí)角；GAST——真春分點(diǎn)的格林尼治時(shí)角；LMST——平春分點(diǎn)的地方時(shí)角；GMST——平春分點(diǎn)的格林尼治時(shí)角。B、 平太陽(yáng)時(shí)（Mean Solar TimeMT）因地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的軌道為一橢圓，所以太陽(yáng)視運(yùn)動(dòng)的速度是不均勻的。稱(chēng)為平太陽(yáng)。與恒星時(shí)一樣，平太陽(yáng)時(shí)也具有地方性，故常稱(chēng)為地方平太陽(yáng)時(shí)或地方平時(shí)。此外，地球自轉(zhuǎn)速度也不均勻，它不僅包含有長(zhǎng)期的減緩趨勢(shì)，而且還含有一些短周期的變化和季節(jié)性變化。從1956年開(kāi)始，在世界時(shí)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(shí)分別用UT1和UT2表示，未經(jīng)改正的世界時(shí)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。2 原子時(shí)（Atomic TimeAT）隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)時(shí)間穩(wěn)定度的要求不斷提高。為此，從20世紀(jì)50年代起，便建立了以原子能級(jí)間的躍遷特征為基礎(chǔ)的原子時(shí)系統(tǒng)。原子時(shí)的起點(diǎn)定義為1958年1月1日零時(shí)的UT2（）國(guó)際上用約100臺(tái)原子鐘推算統(tǒng)一的原子時(shí)系統(tǒng)，稱(chēng)為國(guó)際原子時(shí)系統(tǒng)（IAT）。為了保持原子時(shí)的優(yōu)點(diǎn)而避免其缺點(diǎn)，從1972年起，采用了以原子時(shí)秒長(zhǎng)為尺度，時(shí)刻上接近于世界時(shí)的一種折衷時(shí)間系統(tǒng)，稱(chēng)為協(xié)調(diào)世界時(shí)。否則在協(xié)調(diào)世界時(shí)的時(shí)刻上減去1秒，稱(chēng)為閏秒。目前幾乎所有國(guó)家發(fā)播的時(shí)號(hào)，都以UTC為基準(zhǔn)。n (5—29)式中，n為調(diào)整參數(shù)，其值由IERS發(fā)布。這樣用戶(hù)便可容易地由UTC得到相應(yīng)的UTl。時(shí)號(hào)播發(fā)的同步精度約為177。lms。由GPS主控站的原子鐘控制。原點(diǎn)定義為1980年1月6日零時(shí)與協(xié)調(diào)世界時(shí)的時(shí)刻一致。n 19s （530）n值由國(guó)際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)組織公布。GPS是測(cè)時(shí)測(cè)距系統(tǒng)。衛(wèi)星的信號(hào)、衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)、衛(wèi)星的坐標(biāo)都與時(shí)間密切相關(guān)。為此，GPS系統(tǒng)中衛(wèi)星鐘和接收機(jī)鐘均采用穩(wěn)定而連續(xù)的GPS時(shí)間系統(tǒng)。（2）與GPS信號(hào)傳播有關(guān)的誤差；主要包括電離層折射的影響和對(duì)流層折射的影響，以及多路徑效應(yīng)影響。而對(duì)流層折射則是利用基線(xiàn)兩端同步觀測(cè)量求差和完善對(duì)流層大氣改正模型來(lái)減弱。（3）與觀測(cè)和接收機(jī)有關(guān)的誤差。除了上述三方面的誤差之外，還有地球自轉(zhuǎn)的影響，相對(duì)論效應(yīng)的影響等。尤其是近些年，GIS更以其強(qiáng)大的地理信息空間分析功能，在GPS及路徑優(yōu)