GPS 全球定位系统2版.docx
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GPS全球定位系统2版
GPS全球定位系统
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目录
∙GPS系统概述
o空间段
o控制段
o用户段
∙GPS定位服务联邦无线电导航计划说明
o精密定位服务（PPS）
o标准定位服务（SPS）
∙GPS卫星定位信号
∙GPS数据
∙GPS定位与时间
o码相位跟踪
o伪距测量
o定位接收机
o载波相位跟踪
∙GPS误差源
∙几何精度因子（GDOP）
∙差分GPS（DGPS）技术
o差分码相位跟踪
o差分载波相位跟踪
o共模时间传递
oGPS技术及工程费用
GPS系统概述
∙全球定位系统是一个卫星导航定位系统，它是由美国国防部（国防部）提供经费并控制的.虽然全球有数以千计的GPS民用用户，但该主要是为美国军方设计和使用的。
∙GPS有专门的卫星信号号编码，可以由GPS接收器处理，计算接收机的位置,速度和时间。
∙四颗GPS卫星信号用来计算时间和位置。
o空间段
▪空间段的组成是全球定位系统的卫星.这些卫星从太空发出无线电信号.
▪GPS卫星由24颗卫星组成，环绕地球飞行周期为12个小时.常常推出多于24颗新业务卫星,以取代旧的卫星.共有6个轨道平面,同样间隔（60度）,而相对于赤道平面倾斜约55度.使用者在地球上任何一点可以看得见五至八颗卫星.
GPSsatellite
o控制段
▪GPS系统的地面支持网由五个监测站、一个主控站和四个注入站组成。
▪网络主控站位于Schriever空军基地（前身猎鹰抗酸）在科罗拉多.监测站收集卫星及当地气象资料送给主控站。
主控站根据这些资料计算卫星轨道等导航信息，然后由注入站每隔8h向卫星发送一次，更新卫星资料，以便卫星向用户设备转发导航信息。
▪GPS用户段包括GPS接收机和用户的社区.GPS接收机利用4颗卫星信号计算位置、速度、时间。
GPS接收机用于导航、定位、时间测量等其他研究工作.
▪导航是GPS立体定位系统的主要功能.导航接收机可以装在飞机、船舶、地面车辆、个人携带手.GPS导航能利用GPS精确定位接收机位置的参考和相对定位提供数据更正。
▪远程接收机可用于大地测量控制、板块构造研究等.另外,使用全球定位系统可进行天文观测、通讯设施、测量大气参数.
∙GPS定位服务联邦无线电导航计划说明
o精密定位服务（PPS）
▪授权用户提供密码钥匙及设备、特殊设备的精确定位系统接收机使用。
美国和盟国军队及美国政府机构有使用权。
预测垂直精度为22米，横向精度为27.7米，时间精度为200纳秒。
o标准定位服务（SPS）
▪全球民用使用户使用SPS是不受控制和限制的.大多数接收机可以直接使用SPS信号.SPS精度被国防部使用选择可用技术故意降低了。
▪SPS精度：
垂直精度为100米，横向精度为156米，时间精度为340纳秒。
∙GPS卫星定位信号
oGPS卫星传送两种微波信号。
一种的频率（1575.42兆赫）携带SPS信号和导航电文.另一种频率（1227.60兆赫）是用来使用PPS接收机测量电离层延迟。
o三位二进制编码利用两种载波运载.
∙GPS数据
o导航电文是二进制文件，它是按一定格式组成数据帧，按帧向外播送。
每颗卫星的数据占用一帧.
o一帧由5个子帧组成一个帧。
o一帧50个字,每个字30个码位,共1500个码位,时间30s.
o每个子帧10个字,时间6s.头2个字为遥测字（TEL）和转换字（HOW）,由星载设备产生,后8个字为导航电文,由地面站注入给卫星.
o25个帧组成一个主帧.一个主帧是一个完整的历书,历书包括了所有在轨卫星的简略星历数据.
∙GPS定位与时间测量
o码相位跟踪
能够产生与所测卫星的测距码结构完全相同的复制码。
工作中通过逐步移位，使接收码与复制码达到最大相关，以测定卫星信号到达用户接收机天线的传播时间。
o伪距测量
▪接收机位置是利用伪距测量的。
▪位置决定于多重伪距测量，四颗卫星提供的信号确定三维的位置和准确的时间。
从而计算出对地球坐标系的坐标（X，Y，Z）。
▪时间用于校准接收机时钟偏差，接收机不必使用昂贵的时钟。
通过星历，卫星的坐标是已知的，可利用测量伪距计算接收机位置。
▪计算方法如下：
o定位接收机
▪位置坐标（X，Y，Z）包括地理经度、纬度和高度。
▪经纬度通过坐标变换进行计算。
▪速度通过位置随时间的变化率进行计算。
▪卫星时间在接收机中转换为GPS时间。
▪卫星上装有稳定度为10-13的精密原子钟，各卫星的原子钟相互同步，并与地面站的原子钟同步，建立起导航系统的精密时系，称为GPS时。
精密时系是精密测距的基础。
▪GPS时是一种连续的、高精度的、均匀的时间系统，它以原子秒为单位，时间间隔为一周。
它开始和结束在每周六和周日之间的子夜零点时刻。
▪GPS时起点1980年1月6日UTC（世界协调时）的零点，它常用自起点以后的周数、日数、GPS秒来表示时间。
目前，GPS时间已经超前UTC数秒。
o载波相位跟踪
▪是利用载波信号的平方技术去掉调制码，从而获得载波相位测量所必需的载波信号。
▪两个接收机与一颗卫星在同一时刻的信号差别。
∙GPS误差源
oGPS误差主要包括组合噪声、偏差和错误。
o噪声误差主要是伪随机码噪声和接收机内部噪声。
o偏差产生的结果主要由于选择有效技术和其他因素，例如时钟误差、电离层的影响、大气层延时、多路径干扰等。
o错误可能导致上百公里的误差，错误产生的原因可能是控制段人为因素错误，可能是用户错误，也可能是接收机的软件和硬件故障造成的差错。
∙几何精度因子（GDOP）
oGDOP有下述特性：
▪它是选定4颗卫星与测者之间几何关系造成的位置误差的放大倍数。
当GDOP大一倍时，位置误差也将大一倍。
▪GDOP只与卫星和测者的相对位置有关，与所选坐标无关。
▪GDOP是星座设计的一个判据，即卫星安置的位置应能使地面测者获得好的GDOP值。
▪定位时，选星原则就是使GDOP尽可能小，以提高定位精度。
o为了取得精确的定位效果，选星时总是使GDOP尽可能减小，导航仪通常采用以下方法来选星。
▪最佳GDOP法。
即从仰角5度以上的星中取4颗的全部组合，分别计算GDOP值，取GDOP最小的一组星座进行定位。
此法选择的星座最佳，但计算量大。
▪次优GDOP。
从能收到的卫星中先选出三颗，它们的斜距具有最大的垂直分量、北向分量和东向分量，然后再选一颗卫星使GDOP最小。
▪最大矢端四面体法。
以测者为中心作单位球，以四颗星在球面的投影点为顶点组成一四面体。
当该四面体体积最大时，这四颗卫星的GDOP最小。
o以下首先是正常伪距计算。
oGDOP计算
∙差分GPS（DGPS）技术
在已知精密座标位置的点上，设置GPS监测设备（GPS基准台），用精度很高的静态定位用的双频GPS接收机，天线位置上排除多径干扰的影响，连续实时地接收GPS信号，求出误差，按规定时间间隔确定修正量值向用户播发。
用户利用收到的信息，使机载接收机解算中加以修正，因此能够输出更为正确的位置数据。
利用差分GPS（或称DGPS）可以消除或减小例如星种误差、星历误差、信号传播延迟误差等公共误差，因而提高了定位精度。
但用户接收机自身的噪声误差，多径干扰误差只与自身设备有关，差分GPS技术也不能消除。
差分GPS应用中的精度和用户相对差分基准台的距离有关，离基准台越近，则由于其公共误差相同而精度高，离台较远时，由于大气传播误差上产生差异，使精度降低。
因而，差分技术的应用受到用户与基准台之间距离的限制。
o差分码相位跟踪导航
o差分载波相位跟踪测量
o共模时间传递
▪当时间信息从一点传递到另一点时,鉴别技术能够在2000公里的基线上鉴别10纳秒的时间传递。
oGPS技术及工程费用
o全球定位系统接收机技术及工程成本费用视乎能力.小型民用接收机一般200美元就可以买到,有的具有差分校准能力的接收机可能要2000至5000美元。
差分全球定位系统接收器和载波相位跟踪接收机往往需要5000千至40000美元，动辄10万美元。
军事精密接收机就更加昂贵而且很难买到。
o其他成本包括多种用途接收机,需要时再升级处理软件费用,训练专门的人员费用。
o往往所需精度将决定设备成本。
▪低等成本,单通道SPS接收机（100米精度）
▪中等成本,差分SPS接收机（1-10米精度）
▪高等成本,单通道PPS接收机（20米精度）
▪高等成本,差分载波相位跟踪接收机（1毫米to1厘米精度）
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