GPS卫星定位体系结构详解

GPS概述

　　GPS(Global Positioning System - GPS - 全球定位系统)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本领的新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，博得广大测绘工作者的信任，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空拍照测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘探、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深入的技术改革。

　　随着全球定位系统的不停改进，硬、软件的不停更新换代，应用领域正在不停地开拓，现在已普遍国民经济各种部门，并开始逐步深化人们的日常生活。

　　GPS系统包括三大部分：

　　1、空间部分―GPS卫星星座;

　　2、地面控制部分―地面监控系统;

　　3、用户设备部分―GPS信号接收机。

卫星及星座

　　GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作(21+3)GPS星座。 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，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。

　　在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周， 即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观察者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS 卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的差别而差别，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，必须观察4颗 GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观察历程中的几何地位分布对定位精度有一定的 影响。对于某地某时，甚至不能测得准确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种 时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。 GPS工作卫星的编号和试验卫星根本相同。

地面监控系统

　　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―描述卫星运动及其轨道的参数算得的。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统一时间标准―GPS时间系统。这就必需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。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。

用户设备

　　1、GPS信号接收机

　　GPS 信号接收机的任务是：可以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，实时算出测站的三维地位，甚至三维速度和时间。

　　静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的历程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知地位，解算出接收机天线地点地位的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体(如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等)。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的历程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数(时间、三维地位、三维速度)。

　　接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，组成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单位一般分为两个独立的部件，观察时将天线单元安装在测站上，接收单元位于测站相近的地方，用电缆线将两者连成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制造成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

　　GPS接收机一般用蓄电池做电源，同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的历程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防备丢失数据。

　　近几年，国内引进了很多种案例的GPS测地型接收机。各种范例的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。

　　现在，各种范例的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于田野观察。GPS和GLONASS 兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。

　　2、GPS接收机的分类

　　GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有可以接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备（即GPS信号接收机）。可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据利用目的地差别，用户要求的GPS信号接收机也各有差异。现在世界上已有几十家工场生产GPS接收机，产品也有几百种。这些产品可以根据原理、用处、功能等来分类。

　　2.1、按接收机的用处分类

　　1. 导航型接收机

　　此范例接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的地位和速度。这类接收机平常采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一样平常为±25mm，有SA影响时为±100mm。 这类接收机价格便宜，应用普及。根据应用领域的差别，此类接收机还可以进一步分为：

　　车载型――用于车辆导航定位;

　　航海型――用于船舶导航定位;

　　航空型――用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机 要求能适应高速运动。

　　星载型――用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。

　　2. 测地型接收机

　　测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观察值进行相对定位，定位精度高。仪器结构庞大，价格较贵。

　　3. 授时型接收机

　　这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。

　　2.2、按接收机的载波频率分类

　　单频接收机

　　单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观察值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线(<15km)的精密定位。

　　双频接收机

　　双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。

　　2.3、按接收机通道数分类

　　GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功效的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：

　　多通道接收机

　　序贯通道接收机

　　多路多用通道接收机

　　2.4、按接收机工作原理分类

　　码相关型接收机

　　码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观察值。

　　平方型接收机

　　平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号,来恢复完整的载波信号通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观察值。

　　混淆型接收机

　　这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观察值。

　　干预干与型接收机

　　这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干预测量方法，测定两个测站间距离。