GPS 原理与应 用 王兴鹏

什么是 GPS ？ GPS （ Global Positioning System- 全球 定位系统）是美国国防部主要为满足军事部门 对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定 位而建立的. 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， 是一具有在海、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。

GPS 全球定位系统的建立 1973 年 12 月，美国国防部批准它的海陆空三 军联合研制新的卫星导航系统： NAVSTAR/GPS 。 英文 “Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System” ，其意为 “ 卫 星测时测距导航 / 全球定位系统 ” ，简称 GPS 系统。 该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统， 具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、全球 性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定 时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、 速度和时间。

GPS 计划经历三个阶段： 方案论证（ ） 系统论证（ ） 11 颗 BLOCK I 实验卫星 生产实验（ ） BLOCK I I R 型第三代 GPS 卫星（ GPS 系统以此为基础改建而成） 美国推出 GPS 现代化计划 — 实施广 域增强系统和局域增强系统，进一步 提高民用精度。总的目标是进一步改 善 GPS 的可用性、安全性和完善性。

GPS 系统组成 全球定位系统由三大部分组成 : 空间星座部 分、地面监控部分、用户设备部分 空间部分： 24 颗卫星，广播 L1 ， L2 ，卫星轨道，时间 数据及辅助资料信息 用户部分： 接收设备 接收卫星信号 监控部分： 中央控制系统 时间同步 跟踪卫星定轨 全球定位系统构成示意图

GPS 工作卫星及其星座 1.GPS 卫星星座 全球定位系统的空间部分使用 24 颗高度约 2.02 万 千米的卫星组成卫星星座。 21+3 颗卫星均为近圆形轨道， 运行周期约为 11 小时 58 分，分布在 6 个轨道面上（每轨 道面 4 颗），轨道倾角为 55 度。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 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。在用 GPS 信号导航定位时，为了解算测站的 三维坐标，必须观测四颗 GPS 卫星，称为定位卫星。

GPS 卫星在空间的配置保障了在地 球上任何地点、任何时刻均至少可以同 时观测到 4 颗卫星，加之卫星信号的传 播和接收不受天气的影响，因此 GPS 是 一种全球性、全天候的连续实时定位系 统。

2.GPS 卫星及功能 卫星主体呈圆柱形，直径为 1.5m ，重约 774kg 。 两侧有双叶太阳能板，能自动对日定向，以提供卫 星正常工作所需用电。 GPS 卫星的核心部件是高精度的时钟、导航电文存 储器、双频发射和接收机及微处理机。 每颗卫星装有 4 台高精度原子钟（ 2 台铷钟， 2 台铯 钟），频率稳定度为 10 － 12 ～ 10 － 13 ，为 GPS 测量提供 高精度的时间标准。

地面监控部分 地面监控部分由分布在全球的 5 个地面站 组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息 注入站。 主控站一个，设在科罗拉多。它对地面监控 部分实行全面控制。主控站主要任务是： – 协调管理地面监控系统 – 收集并处理各监测站对 GPS 卫星的全部观测数据， 并编制导航电文送到注入站 – 负责纠正卫星的轨道偏离，启用备用卫星

监测站, 是在主控站直接控制下的数据自 动采集中心。现有五个地面站均具有监测 站的功能，分别设在科罗拉多、印度洋的 迭哥加西亚、南大西洋的阿松森岛和南太 平洋的卡瓦加兰及夏威夷。 监测站设有 GPS 用户接收机、原子钟、气 象参数测试仪和计算机。监测站的主要任 务是为主控站提供卫星的观测数据。

注入站有 3 个，分别设在迭哥加西亚、阿松 森岛和卡瓦加兰。 注入站的主要设备，包括一台直径为 3.6m 的天线、一台 C 波段发射机和一台计算机。 其主要任务是将主控站发来的导航电文注 入到相应卫星的存储器。

用户设备部分 用户设备主要由 GPS 接收机硬件和机内软件 以及 GPS 数据的后处理软件包组成，而 GPS 接收机的硬件一般包括主机、天线和电源。 根据 GPS 用户的不同要求，所需要的接收 设备各异。 用户设备部分的主要任务是，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。

GPS 的应用 （ 1 ） GPS 在公安、交通系统中的应用 如：车辆导航与监测系统 对行驶中的车辆进行定位 提供导航功能

（ 2 ）在测量中的应用 控制测量（与传统方法比较） 地形测量（ RTK ） 地籍测量 工程放样 在精密工程测量和工程变形监测方面 GPS 在海洋测绘中的应用

（ 3 ） GPS 在农业领域中的应用 土壤养分分布调查 监测作物产量 合理施肥，精确农业管理

（ 4 ） GPS 在林业领域中的应用 测定森林分布区域 GPS 技术用于森林防火

（ 5 ）手持 GPS 的应用 GPS 设备：测量型和导航型 手持 GPS 多为导航使用，特点如下： 1. 体积小，重量轻，携带方便，耗电量小 2. 导航画面清晰，功能键齐全 3. 导航无须地面设备辅助，型式多样 应用领域： 在军队领域的应用 在旅游及野外考察中的应用

（ 6 ） GPS 在航海航空导航中的应用

GPS 系统的特点 观测站之间无需通视 定位精度高 观测时间短 提供三维坐标 操作简便 全天候作业 功能多应用广

GPS 系统的应用前景 GPS 系统用途广泛 海陆空的导航、导弹制导、大地测量和工程测量的精密定 位、时间的传递和速度的测量 测绘领域： 建立高精度的全国性大地测量控制网，测定全球性的地球 动态参数； 建立陆海大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及 海洋测绘； 监测地球板块运动状态和地壳形变； 用于工程测量，为建立城市与工程控制网的主要手段； 测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控 制或无地面控制的航测快速成图。

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