第二章全球定位系统及其应用
2.1 基础知识
（ 1 ） GPS定位系统的发展历史
GPS的实施计划,它可以分为三个阶级：
第一阶段为方案论证和初步设计阶段 。 从 1973年到 1979年,共发射了 4颗试验卫星,研制了地面接收机及建立地面跟踪网,从硬件和软件上进行了试验,试验结果令人满意 。
第二阶段为全面研制和试验阶段 。 从 1979年到
1984年,又陆续发射了 7颗试验卫星 。 与此同时,
研制了各种用途的接收机,主要是导航型接收机,
同时测地型接收机也相继问世 。 试验表明,GPS
的定位精度远远超过设计标准,利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级,达到 14m。
第三阶段为实用组网阶段。 1989年 2月 4日第一颗 GPS工作卫星发射成功，宣告了 GPS系统进入工程建设阶段。这种工作卫星称为 BlockⅡ 和
BlockⅡ A卫星。这两组卫星的差别是：
BlockⅡ A卫星增强了军事应用功能，扩大了数据存储容量； BlockⅡ 卫星只能存储供 14天用的导航电文 (每天更新三次 )；而 BlockⅡ A卫星能存储供 180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用 GPS卫星。实用型的 GPS网即（ 21+3） GPS
星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。
（ 2） 其它独立的卫星导航与定位系统
GLONASS卫星星座
欧洲 EGNOS系统
伽利略系统
日本 MSAS系统卫星定位系统种类星座卫星数目（颗）
卫星平均高度（ km）
卫星运行周期（ min）
载波频率（ MHz）
L1 L2
GPS(美国 ) 21+3 20200 718 1565～ 1586 1217～ 1238
GLONASS(前苏联 ) 21+3 19100 675 1603～ 1616 1246～ 1256
NAVSAT(欧洲空间局 ) 12+6 20178 720 1561～ 1569 1224～ 1232
伽利略系统 30 24000 ／ ／ ／
（ 3） GPS定位系统的特点
GPS相对于其它导航与定位系统 的特点
（ 1） 全球地面连续覆盖 。 GPS有 24颗卫星,且分布合理,
所以在地球上和近地空间上任何一点,均可以连续同步地观测 4颗以上卫星,实现全球,全天候连续导航定位 。
（ 2） 功能多,精度高 。 GPS可为各类用户连续地提供动态目标的三维位置,三维速度和时间信息 。 一般来说,
目前其单点实时定位精度可达 5m～ 10m,静态相对定位精度可达 1~0.01ppm,测速精度为 0.1m/s,而测时精度约为数十纳秒 。 随着 GPS测量技术和数据处理技术的发展,其定位,测速和测时的精度将进一步提高 。
（ 3） 实时定位速度快 。 利用全球定位系统一次定位和测速工作在一秒至数秒钟内便可完成 (NNSS约需 8— 10分钟 ),这对高动态用户来说尤为重要 。
（ 4） 被动式全天候导航定位 。 这种导航定位不仅隐蔽性好,而且可以容纳无数多用户 。
（ 5）抗干扰性能好，保密性强。由于 GPS
采用了数字通讯的特殊编码技术，即伪随机噪声码技术，因而 GPS卫星所发送的信号，
具有良好的抗干扰性和保密性。
GPS应用于测量的特点
相对于经典的测量学来说，这一新技术的主要特点如下：
（ 1）观测站之间无需通视 。
（ 2） 定位精度高。 在小于 50km的基线上，其相对定位精度可达 1～ 2× 10-6，而在 100km～ 500km
的基线上可达 10-6～ 10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于 1000km的距离上，
相对定位精度达到或优于 10-8。
（ 3）观测时间短。
（ 4）提供三维坐标。
（ 5）操作简便。
（ 6）全天候作业。
2全球定位系统 GPS的组成概况全球定位系统（ GPS）主要由三部分组成，即由 GPS
卫星组成的空间部分、由若干地面站组成的控制部分和以接收机为主体的广大用户部分,
1 空间部分
（ 1） GPS空间卫星星座的构成
全球定位系统的空间卫星星座，由 24颗卫星组成，其中包括 3颗备用卫星。卫星分布在 6个轨道面内，每个轨道面上分布有 4
颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为 55o，各轨道平面升交点（与赤道交点）之间的角距为 60o。相邻轨道之间的卫星还要彼此叉开 40o。轨道平均高度约为
20200km，卫星运行周期为 11小时 58分。因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约 4分钟。每颗卫星每天约有 5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为 4颗，最多可达 11颗。
GPS卫星及其功能
GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为 1.5m，
重约 774kg(包括 310kg燃料 )，两侧设有两块双
叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星装有 4台高精度原子钟 (2
台铷钟和 2台铯钟 )，这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为 GPS定位提供高精度的时间标准。
地面监控部分
GPS的地面监控部分，目前主要由分布在全球的 5个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站 。
GPS地面监控部的分布 地面监控系统图
(1)监测站
监测站，是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频 GPS接收机、
高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对 GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。
(2)主控站
主 控 站 一 个,设 在 科 罗 拉 多 ·斯平土
(ColoradoSprings)的联合空间执行中心 。 主控站除协调和管理地面监控系统的工作外,其主要任务是,
● 根据本站和其它监测站的所有观测资料,推算编制各卫星的星历,卫星钟差和大气层的修正参数等,并把这些数据传送到注入站 。
● 提供全球定位系统的时间基准 。 各监测站和
GPS卫星的原于钟,均应与主控站的原子钟同步,
或测出其间的钟差,并把这些钟差信息编入导航电文,送到注入站 。
●调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。
●启用备用卫星以代替失效的工作卫星。
注入站现有 3个，分别设在印度洋的迭哥加西亚 (DiegoGarcia)；南大西洋的阿松森岛 (Ascencion)和南太平洋的卡瓦加兰
(Kwajalein)。注入站的主要设备包括二台直径为 3.6m的天线、一台 C波段发射机和一台计算机。其主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。
(3)注入站用户设备部分全球定位系统的空间部分和地面监控部分,是用户应用该系统进行定位的基础,而用户只有通过用户设备,才能实现应用 GPS定位的目的 。
用户设备的主要任务是，接收 GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。
用户设备，主要由 GPS接收机硬件和数据处理软件，以及微处理机及其终端设备组成，而 GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源。
GPS发展趋势
① 继续向小型化、轻型化发展；
②结构模块化，减少易损的接口；
③控制器小型化，以便用户操作，提高自动化程度；
④降低功率消耗；
⑤改善存储器管理，增大存储容量；
⑥增加接收机的通道数，以便同时跟踪全部 GPS可见卫星；
⑦信号接收、跟踪、量测与处理单元一体化，以减少信号损失；
⑧改善接收机的耐用性，提高量测结果的可靠性和延长无故障工作时间；
⑨改善接收机内部的电路设计，减弱多路径误差的影响；
⑩改善信号处理技术（如采用窄距相关技术），以提高信号的量测精度；
GPS车辆监控调度系统主要由三部分组成：
车载终端、无线数据链路和监控中心。
