1．全球定位系统的概念

　　全球定位系统(global positioning system，GPS)是利用卫星星座(通信卫星)、地面控制部分和信号接收机对对象进行动态定位的系统。GPS能对静态、动态对象进行动态空间信息的获取，快速、精度均匀、不受天气和时间的限制反馈空间信息。当初，卫星定位技术是利用人造地球卫星(仅作为一种空间的观测目标)进行点位测量的技术，由地面观测站对它进行摄影观测，建立卫星三角网。也可以运用激光技术对卫星的几何观测，解决常规大地测量技术难以实现的远距离陆地海岛联测定位的问题。

　　2．全球定位系统的基本原理

　　图3—7所示为GPS的组成，GPS系统包括三大部分：空间部分一GPS卫星星座；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分——GPS信号接收机。

　　1)GPS工作卫星

　　GPS由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记做(21 3)GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角度为55。，各个轨道平面2_NN~60。，即轨道的升交点赤经各相差60。。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90。，轨道平面的卫星颗数随时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了使用三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。
GPS卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理机。GPS定位成功的关键在于高稳定度的频率标准。这种高稳定度的频率标准由高精确的时钟提供。因为每10的负9次s误差将会引起30cm的站星距离误差，为此，每颗GPS工作卫星一般安设两台铷原子钟和两台铯原子钟，并计划未来采用更稳定的氢原子钟(其频率稳定度优于10的负14次。GPS卫星虽然发送几种不同频率的信号，但是它们均源于一个基准信号(其频率为10．23GHz)，所以只需启用一台原子钟，其余作为备用。卫星钟由地面站检验，其钟差、钟速连同其他信息由地面站注入卫星后，再转给用户设备。

　　2)地面监控系统

　　GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站的任务是收集、处理本站和监测站收到的全部资料，结算出每颗卫星的星历和GPS时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，让备用卫星取代失效的工作卫星。另外还负责监测整个地面监测系统的工作，检验注入给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给用户。注入站的任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。每天注入三次，每次注入14天的星历。此外，能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。五个监测站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每15分钟平滑一次观测数据，依此推算出每2分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站。

　　3)GPS信号接收机

　　GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，计算出接收机天线所在位置的三维坐标。
　　本文标题：GPS全球定位系统的概念与基本原理
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