GPS 原理说明

　　GPS 全球卫星定位导航系统 (Global Positioning System-GPS) 是美国从本世纪 70 年代开始研制，历时 20 年，耗资 200 亿美元，于 1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近 10 年我国测绘等部门的使用表明， GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。
GPS 系统的特点 :
　　 1、 全球，全天候工作：能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响• 
　　 2 、定位精度高：单机定位精度优于 10 米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。
　　 3 、功能多，应用广：随着人们对 GPS 认识的加深， GPS 不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。
GPS 发展
　　在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统
无线电导航系统
　　 1、罗兰 --C ：工作在 100KHZ ，由三个地面导航台组成，导航工作区域 2000KM ，一般精度 200-300M 。
　　 2、Omega （奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。
　　 3、多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。
　　 4、缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。
卫星定位系统
　　最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统（ Transit ）， 1958 年研制， 64 年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小（ 5-6 颗），运行高度 较低（平均 1000KM ），从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均 1.5h ），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。 1973 年美国国防部制定了 GPS 计划。
GPS 发展历程
GPS 实施计划共分三个阶段：
　　 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。
　　 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，研制了各种用途接收机。实验表明， GPS 定位精度远远超过设计标准。
　　 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，表明 GPS 系统进入工程建设阶段。 1993 年底实用的 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。
GPS 原理
1 、 GPS 系统的组成
　　GPS 由三个独立的部分组成：
　　 ● 空间部分： 21 颗工作卫星， 3 颗备用卫星。
　　 ● 地面支撑系统： 1 个主控站， 3 个注入站， 5 个监测站。
　　 ● 用户设备部分：接收 GPS 卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。
　　 GPS 接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。
2 、 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：
　　 上述四个方程式中待测点坐标 x 、 y 、 z 和 Vto 为未知参数，其中 di=c △ ti (i=1 、 2 、 3 、 4) 。
　　di (i=1 、 2 、 3 、 4) 分别为卫星 1 、卫星 2 、卫星 3 、卫星 4 到接收机之间的距离。
　　ti (i=1 、 2 、 3 、 4) 分别为卫星 1 、卫星 2 、卫星 3 、卫星 4 的信号到达接收机所经历的时间。
　　c 为 GPS 信号的传播速度（即光速）。
四个方程式中各个参数意义如下：
x 、 y 、 z 为待测点坐标的空间直角坐标。
xi 、 yi 、 zi (i=1 、 2 、 3 、 4) 分别为卫星 1 、卫星 2 、卫星 3 、卫星 4 在 t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。
Vt i (i=1 、 2 、 3 、 4) 分别为卫星 1 、卫星 2 、卫星 3 、卫星 4 的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。 Vto 为接收机的钟差。
　　 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标 x 、 y 、 z 和接收机的钟差 Vto 。