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GPS卫星导航 2015.9.18 王 瑞 GPS介绍 GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称。 GPS是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息。 GPS的由来 GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统，这可以说是第一代GPS。 1957年10月前苏联成功发射了第一颗人造卫星后。美国霍普金斯大学应用物理实验室随即提出利用多普勒频移进行定位。这就是GPS定位系统的由来。 GPS构成 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，运行周期为12h。卫星均匀分布在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。 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. Springfield）。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。 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。 GPS天线 从放置方式上GPS天线分为内置天线和外置天线。 从供电方面又分有源和无源。 绝大部分GPS天线为右旋极化陶瓷介质，其组成部分为：陶瓷天线、低噪音信号模块（信号进行放大和滤波）、线缆、接头。 早期GPS手持机多采用外翻式天线，此时天线与整机内部基本隔离，EMI几乎不对其造成影响，收星效果很好。现在随着小型化潮流，GPS天线多采用内置。此时天线必须在所有金属器件上方，壳内须电镀并良好接地，远离EMI干扰源 GPS定位原理  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x、y、z为待测点坐标，Vto为接收机的钟差为未知参数，其中di=c△ti，(i=1、2、3、4)，di分别为卫星ｉ到接收机之间的距离，△ti 分别为卫星ｉ的信号到达接收机所经历的时间，xi 、yi 、zi为卫星ｉ在t时刻的空间直角坐标，Vti为卫星钟的钟差，c为光速。 GPS原理 这时候就有人说了，干嘛要四颗卫星呢，三颗不就够了吗？想想还蛮有道理的，三个球面，交汇于一点，不就可以定出接收机所在的位置了吗？但是实际上，GPS接收器在仅接收到三颗卫星的有效信号的情况下只能确定二维坐标即经度和纬度，只有收到四颗或四颗以上的有效GPS卫星信号时，才能完成包含高度的3D定位。这是为什么呢？ 原来，大家忽略了一件事情，那就是时间。先来看一颗卫星，它在一个规定的时间发送一组信号到地面，比如说每天8：00整开始发送一组信号，如果地面接收机就在8点零2秒收到了这一组信号，那么就是说信号从卫星到接收机的距离是电波花2秒能够跑到的距离，由于这颗卫星的位置和电波的速度已知，那么就可以肯定接收机就在以卫星为球心的一个球面上，那么再多测2个卫星的距离，就可以得到3个空间球，3个空间球的焦点只有2个，那么逻辑排出一个不在地球表面的，剩下的就是接收机的位置。这就是我们所想象的三颗卫星可以定位的情形。但是，这只是假象的情况，卫星和接收机的距离如此之近，以至于卫星和接收机的时钟必须完全同步和准确，否则距离偏差会很大。实际上，如果接收机这端不配备一个銫原子钟的话，定出来的位置肯定差了个十万八千里。銫原子钟的价格我也不太清楚，反正肯定是比你坐的汽车要贵了。所以，由于时间需要校准，这就需要四颗卫星。可以从方程里看到，时间都不是绝对时间，都是以卫星之间的钟差来计量的。 GPS定位精度 美国军用GPS的精度都是在1米左右，甚至1米以下，尤其它的第二代GPS投入使用，可以达到0.1米。 我们用的GPS，也就是民用的，精度在15米左右。 与GPS卫星有关的影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类： （1）SA　　美国政府从其国家利益