GPS定位系统

全球定位系统（GPS）是美国拥有的一套设施，它为使用者提供定位、导航和定时（PNT）服务[1]。GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目，1964年投入使用。20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范(Geometrical Product Specifications)-简称GPS。另外一种解释为G/s（GB pers）。

GPS卫星星座

GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。

24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。

每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。

在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。

这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。

位于地平线以上的卫星颗数随着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，为了结算测站的三维坐标，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”。

GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。

地面监控系统

对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。

星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。

每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。

卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。

地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。

这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。

然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。

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。

GPS信号接收机

GPS信号接收机的任务是：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，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，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。

而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。

GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。

载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。

GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。

对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

GPS接收机一般用蓄电池做电源。

同时采用机内机外两种直流电源。

设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。

在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。

近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。

各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D。

用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。

目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。

GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。

GPS定位原理

GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。

如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式）

1.空间部分

GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55°。

卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。

2.地面控制系统

地面控制系统由监测站(Monitor Station）、主控制站（Master Monitor Station）、地面天线（Ground Antenna）所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（Colorado Spring）。

地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。

3.用户设备部分

用户设备部分即GPS信号接收机。

其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。

当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。

根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。

GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。

接收机一般采用机内和机外两种直流电源。

设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。

在用机外电源时机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。

目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。

其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。