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GPS放线 黑龙江省航道局 孙洪义 一、全球卫星定位、导航系统简介 目前世界上全球卫星定位系统主要有：北斗卫星导航系统﹝BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统缩写为BDS，与美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）、欧盟的伽利略系统兼容共用的全球卫星导航系统，并称全球四大卫星导航系统。中国计划到2020年，建成由5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。 下面以美国的全球定位系统GPS为例，介绍全球卫星定位、导航系统的工作原理。 GPS卫星全球定位系统（GPS系统），包括三大部分： 1、GPS卫星星座 2、地面监控系统 3、GPS信号接收机 （1）空间部分 美国于1994年完成第24颗卫星的发射，整个GPS系统正式宣告建构完成。从而建成由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成的GPS卫星工作星座，记作（21+3）GPS星座。因此目前太空中有24颗GPS卫星可供定位运用，它们平均分布于6个轨道面，每个轨道面上各有4颗，距离地面高度约10,900海浬(大约20,000公里)，呈55°角倾斜绕行地球运转，每日可绕行地球2周，这也就是说，不论任何时间，任何地点，包含北极、南极，至少有4颗以上的卫星出现在我们的上空。GPS卫星产生两组随机电码，一组称为C/A码，一组称为P码。C/A码主要开放给民间使用，因此在精度上刻意降低，P码则是美国国防部保留为其军事用途的电码，精度比C/A码高很多，因此设有密码，一般民间使用者无法解读。 （2）地面控制部分 对于导航定位而言，GPS卫星是一种动态已知点，它是依据卫星发送的星历算得的。所谓“卫星星历”，是一列描述卫星运动及其轨道的参数。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，这都需要由地面设备进行监测和控制，此外，地面监控系统还有一个重要作用：保持各颗卫星处于同一时间标准，即处于GPS时间系统。这就需要在地面上设站监测各颗卫星的时间，并计算出它们的有关改正数，进而由导航电文发给用户，以确保处于GPS时系。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。主控站位于美国本土科罗拉多·斯平士。 监测站的主要任务是为主控站编算导航电文提供观测数据，每个监测站均用GPS信号接收机对每颗可见卫星每6秒钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。监测站是一种无人值守的数据采集中心，它在主控站的遥控下自动采集定轨数据，并对它们进行各项改正（如电离层、对流层、天线相位中心、相对论效应等项改正），每15分钟平滑一次观测数据，依此而推算出每2分钟间隔的观测值，而将它们发送给主控站。 主控站的主要功能是收集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值，气象要素、卫星时钟和工作状态的数据，协调各个监测站和注入站的工作以外，还要根据所收集的数据及时地计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正、状态数据、以及信号的大气传播改正，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入站，还肩负监测整个地面监控系统是否正常工作，当某一颗GPS卫星偏离分配给它的轨道位置太远时，主控站能够对它进行轨道改正，将它“拉回来”，还能进行卫星调度，让备用卫星去取代失效的工作卫星。 二、GPS卫星定位误差 GPS卫星定位误差主要有以下三个方面： 1、与卫星有关的误差 （1）卫星星历误差 所谓的卫星星历误差是指，由广播星历或其它轨道信息所给出的卫星位置与卫星的实际位置之差称为星历误差。它主要呈现系统误差的特性。其误差主要取决于卫星跟踪系统的质量，如跟踪站的数量及空间分布；观测值的数量及精度，轨道计算时所用的轨道模型及定轨软件的完善程度等。卫星绕地球运动轨道是很复杂的，它受到地球引力、大气阻力、日月引力、太阳辐射压力等的综合作用，使得卫星实际轨道不再是封闭的椭圆，而是时间的复杂函数。 （2）相对论效应 （3）卫星钟的钟误差（高精度石英钟） 为精确导航和测量的需要，GPS建立了专用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。卫星钟采用的是GPS时属于原子时,它是由主控站按照美国海军天文台(USNO)的协调世界时(UTC)进行调整的.GPS时与UTC在1980年1月6日零时对准，不随闰秒增加，时间是连续的，随着时间的积累，两者之间的差别将表现秒的整倍数，如有需要，可由主控站对卫星钟的运行状态进行调整，不过这种遥控调整仍然满足不了定位所需的精度。 2、与信号传播有关的误差 （1）电离层折射 （2）对流层折射 卫星信号通过电离层和对流层时传播速度会产生变化，致使测量结果产生系统性的偏离。 （3）多路径误差 经某些物体表面反射后到达接收机的信号，将和直接来自卫星的信号叠