GPS基础知识

GPS原理及应用

一、概述

GPS全球卫星定位系统(Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System)是美国国防部为满足军事部门对海上、陆上和空中进行高精度导航和定位要求而建立的。它具有全球性、全天候、实时连续的三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性和保密性，是世界上新一代卫星导航与定位系统，已成为美国导航技术现代化的重要标志。

GPS导航定位系统不仅用于军事上各种兵种和武器的导航定位，而且在民用上也有着越来越广泛的应用。如智能交通系统中的车辆导航、车辆管理和救援，民用飞机和船只导航和姿态测量，大气参数测试，地震和地球板块运动监测，地球动力学研究，大地测量等。GPS测量定位技术以其自动化程度高、定位速度快、成本低、不受天气因素影响、测点间无须通视、不建觇标等优越性和仪器轻巧、操作方便、定位测量精度高等优点，被广泛应用于我国测绘行业和各种工程建设的测量中，带来了我国测绘技术的一场深刻变革，使我国测绘行业步入了现代化的时代。

二、GPS的导航原理及系统组成

GPS导航原理是GPS利用到达时间（TOA）测距原理来确定用户的位置。这种原理需要测量信号从位置已知的发射源（例如雾号角、无线电信标或卫星）发出至到达用户接收机所经历的时间。

全球定位系统（GPS）由卫星星座、地面控制／监测网络和用户接收设备三个段组成。空间段：即卫星星座，用户根据该星座的卫星进行测距测量。控制段（CS）：维护卫星和维持其正常功能，包括将卫星保持在正确的轨道位置和检测卫星子系统的健康与状况。用户段：由用户接收设备组成，每个用户设备通常称为GPS接收机，用于处理从卫星发射的L波段信号，进而确定用户位置、速度和时间（PVT）。

图1 GPS系统组成

如图1所示GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。

GPS卫星星座：GPS工作卫星及其星座由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，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，对于地面观测者来说，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。

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。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。

GPS信号接收机：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，位置，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卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。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卫星的过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（瞬间三维位置和三维速度）。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的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，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

三、GPS系统的工作流程

移动目标—监控中心

①移动目标接收GPS卫星信号，并解算出所在位置的定位信息；

②移动目标将解算出的位置信息通过无线信令信道传送至蜂窝基站；

③蜂窝基站接收移动目标发射的信息，并将数据信息通过短消息中心传至监控中心；

④监控中心利用短消息中心传来的数据信息实现对移动目标的定位监控。

监控中心—移动目标

①监控中中心执行相关监控指令；（如：询位置指令、监听指令、断电指令等）

②监控指令通过短消息中心传至蜂窝基站；

③蜂窝基站将监控指令信息进行调制发射，通过信令信道传至移动目标；

④移动目标接收蜂窝基站发射的信息并执行相关指令。

监控中心由数据库服务器、短信接口机、通信中心管理机、数据中心管理机、监控座席构成，可以增加GPRS接口和全国联网接口，还可以增加分中心和远程座席。其中地面监控部分由一个主控站，三个注入站和五个监测组成。监控站是无人值守的数据采集中心，其

位置精密测定；主要设备包括1台双频接收机，1台高精度原子钟，1台电子计算机和若干台环境数据传感器。作用如下：利用接收机获得卫星的位置和工作状况；利用原子钟获得时间标准；利用环境传感器得到当地的气象数据；让后将算得的伪距、导航数据、气象数据及卫星状态传给主控站。

图2 地面控制系统流程图

四、导航中的信号处理

GPS 卫星所发射的信号包括载波信号、P 码（或Y 码），C/A 码和数据码（或D 码）等多种信号分量，而其中P 码和C/A 码统称位测距吗。GPS 采用了一种伪随机噪声码，简称随机码或伪码。它的特点是：具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。

GPS 卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率Z MH f 23.100 的控制下产生。GPS 卫星信号示意图如下：