GPS Introduction.

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1 GPS Introduction

2 GPS background 五十年代未，原苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星，美国科学家在对其的跟踪研究中，发现了多普勒频移现象，并利用该原理促成了多普勒卫星导航定位系统TRANsIT的建成，在军事和民用方面取得了极大的成功，是导航定位史上的一次飞跃。为了提高卫星定位的精度，美国从1973 年开始筹建全球定位系统GPS （Global Positioning System)。 全球定位系统（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。目前全球有 2 套 GPS (Global Positioning System) 全球定位系统人造卫星，分别由美国及俄罗斯拥有，全球大多数用户都是使用美国的系统。 GPS 人造卫星定位技术，原只是在军事上使用，现在已扩展至民用，提供测量、交通、海事、救援、农业与娱乐消遣等服务。在民航 上看到电视不时显示时速，方向、地图、距 目的地等报告，便是 GPS 的应用。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，逐步深入人们的日常生活。

3 GPS原理 （1） 1、GPS系统的组成 全球定位系统(Global Positioning System,缩写GPS)是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，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。 ● 地面监控部分：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。 GPS工作原理

4 空间部分 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，地面高度为2万余公里，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。GPS卫星绕地球一周的时间为11小时58分 。卫星向地面发射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为 兆 赫兹（L1波段）和1227.6兆赫兹（L2波段），卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性，在载波上调制有表示卫星位置 的广播星历，用于测距的C/A码和P码，以及其它系统信息，能在全球范围内，向任意多用 户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。

5 地面监控部分 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。监测站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监测站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。 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。

6 用户设备部分 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，甚至三维速度和时间。                                                                                                                                                      

7 GPS原理 （2） 2、GPS定位原理 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。                                                      GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到 这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。