第7章GPS技术

空间中的任意三个点可以确定一个平面，而假 如在这个平面上有一个点，它在什么位置是未 知的，但是知道它与另外三个点的位置关系， 就可以求出这个未知点的平面坐标；若在空间 直角坐标系中，则需知道它与四个点的位置关 系才可确定，全球定位系统（Global Positioning System - GPS）就是依照这个数 学原理于1973年11月在美国国防部诞生。
4）启用备用卫星代替失效工作卫星。
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3.注入站
主要设备为1台直径3.6m的天线、1台c波 段发射机和1台计算机。主要任务是在主控 站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星 历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注 入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息 的正确性。
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地面监控系统流程图
L1 L2
GPS卫星 GPS卫星
S波段
数据处理机
接收机
调制 解调器
铯钟 气象传感器
监测站
观测星历 编算注入 与时钟 导航电文
计算误差 主控站
调制解调器
数据 处理机
高功率 放大器
指令发生器
数据存储器和外部设备 注入站
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7.2.3用户接收系统
1. 2.系统特点
GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均 匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道 面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11 小时15分，轨道倾角64.8°
2008年俄罗斯航天部门25日用一枚运载火箭发 射了3颗全球卫星导航系统卫星(即“格洛纳斯” 系统)，使得该系统的在轨卫星总数达到20颗
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由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成整个系统， 6个轨道平面的每个平面上分布4颗卫星，这样 的配置使同时出现在地平线以上的卫星数目随 时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。
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7.4 GPS系统特点
①全球地面连续覆盖。由于GPS卫星数目较多 且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续 同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、 全天候连续实时导航与定位的需要。
2.惯性导航技术
二十世纪初开始海员们通过测量船体的速度增 量并进行外推来确定自己的位置（Dead reckoning）；随后人们又发明了惯性导航技 术（Inertial Navigation），即通过对加速 度计所记录的载体加速度进行积分来确定位置。
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3.地基电子导航系统
地基电子导航系统（Ground-based Radionavigation System）主要由在世界各地 适当地点建立的无线电参考站组成，接收机通 过接收这些参考站发射的无线电电波并由此计 算接收机到发射站的距离来确定自己的位置。
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2.GPS数据处理软件
GPS数据处理软件是GPS用户系统的重要部分， 其主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记 录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处 理结果进行平差计算、坐标转换及分析综合处 理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动 速度、方向及精确时刻。
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7.3 GPS工作原理
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4.空基电子导航系统
空基电子导航系统统称为卫星电子导航系统， 第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武 器实验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研 制的海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System —— NNSS）。在该系统中 卫星的轨道都通过地极，故也称“子午仪 （Transit）卫星系统”。
收到GPS卫星定位数据后，自动计算出自身所处的地理 位置的坐标，由GPS传输设备将计算出来的位置坐标数 据经移动通信系统（GSM）发送到GSM公用数字移动通信 网，移动通信网再将数据传送到基地指挥中心，基地指 挥中心将收到的坐标数据及其它数据还原后，与GIS系 统的电子地图相匹配，并在电子地图上直观地显示车辆 实时坐标的准确位置，在电子地图上清楚而直观地掌握 车辆的动态信息（位置、状态、行驶速度等 ）。
多波束定向天线，这是一种由12个单元构成 的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段 的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。15
7.2.2 地面监控系统
地面控制部分由分布在全球的一个主控站，5 个监测站和3 个地面控制站组成。
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1.监测站
用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距 离差，采集气象数据，并将观测数据传 送给主控点。5个监控站均为无人守值的 数据采集中心。
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3.意义
欧洲发展“伽利略”卫星定位系统可以减少欧 洲对美国军事和技术的依赖。从商业角度讲， 要利用美国的GPS全球定位系统，就要购买美 国的信号接收设备，欧洲的航天工业如空中客 车公司必须完全依赖美国系统。有了欧洲自己 的卫星定位系统后，欧洲航天业就可以发展自 己的卫星定位用户，并出售设备。
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快速链接－ SPS
SPS的主要对象是广大的民间用户，只能采用 调制在一种载波频率上的C/A码定位，且无法 利用双频技术来消除电离层折射的影响，估计 其单点定位精度约为400m。
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7.5.2 欧洲伽利略计划
1.简介 伽利略计划是由欧盟委员会和欧洲空间局共同
发起并组织实施的欧洲民用卫星导航计划，旨 在建立欧洲自主、独立的民用全球卫星导航定 位系统，它与国际上现有的全球卫星导航定位 系统相比，具有更佳的覆盖率和更高的精度、 可靠性。
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主控站的任务
1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算 编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数， 并将数据传送到注入站。
2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站 和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟 同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航 电文，送入注入站。
3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运 行。
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2.系统特点
该系统总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工 作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度为24126公 里，总投资约三十五亿欧元 。定位精度为1 米。 欧洲伽利略计划第一颗导航卫星北京时间 2005年12月在哈萨克斯坦成功发射， 2008年4月 第二颗实验卫星发射，计划2012年完成。
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监测站是主控站直接控制下的数据自动 采集中心。站内设有双频GPS接收机、高 精度原子钟、计算机1台和若干台环境数 据传感器。观测资料由计算机进行初步 处理，存储并传输到主控站，以确定卫 星轨道。卫星。
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监测站
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2.主控站
主控站接收各监测站的GPS卫星观测数据、卫 星工作状态数据、各监测站和注入站自身的工 作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几 项工作：
单元两部分。天线单元的主要作用是：当GPS 卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星， 接收放大GPS信号。接收单元的主要作用是： 记录GPS信号并对信号进行解调和滤波处理， 还原出GPS卫星发送的导航电文，解求信号在 站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得 导航定位数据。
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GPS接收机
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GPS接收机
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5.全球定位系统（GPS）
1973年美国国防部批准其陆海空三军联合研制第 二代卫星导航定位系统-授时与测距导航系统。 从1973年到1993年，GPS系统的建立经历了近20 年，耗资300亿美元，它是继阿波罗登月计划和 航天飞机计划后的第三项庞大空间计划 。
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7.2 GPS系统组成
GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面 发射L波段的载频无线电测距信号，由地面上用 户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天 线所在的位置。 因此，GPS系统主要有三大组 成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用 户设备部分。
快速链接－ 中国参与伽利略计划
中国科学技术部和欧盟委员会04年10月在北京 正式签署伽利略计划技术合作协议，中国由此 成为参加伽利略计划的第一个非欧盟成员国， 并成为伽利略联合执行体中与欧盟成员国享有 同等权利和义务的一员。中欧伽利略计划合作 是中国目前最大的对外科技合作项目，为此将 投资2亿欧元，占5％。
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7.5 各国GPS发展及政策
7.5.1 美国 为了限制不同用户对GPS的应用，GPS卫星发射的
无线电信号含有两种不同的测距码，即所谓的P 码和C/A码，因此GPS提供两种定位服务，即精密 定位服务（PPS）和标准定位服务（SPS）。
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快速链接－ PPS
PPS的主要对象是美国和盟军的军事部门及其 他特许部门，利用P码定位，估计其单点实时 定位精度约为10m 。
第7章 GPS技术
7.1 GPS技术与发展 7.2 GPS系统组成 7.3 GPS工作原理 7.4 GPS特点 7.5 各国GPS政策及发展 7.6 GPS的应用
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7.1 GPS技术与发展
7.1.1 GPS定义 全球定位系统（Global Positioning System -
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北斗卫星导航定位第二代系统的研制建设工作 目前已进入攻坚阶段，2009年将有多颗卫星发 射升空，2011年完成系统组网，基本具备运行 能力。同时，北斗全球系统建设也已展开立项 论证工作，并列为国家科技发展重大专项，预 计2020年完成系统建设任务。
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7.6 GPS应用
7.6.1 GPS在物流行业的应用 1.货物跟踪管理 货物装车发出后，当运输车辆上装载的GPS接收机在接
②功能多、精度高。GPS可为各类用户连续地 提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。
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③实时定位速度快。目前GPS接收机的一次定 位和测速工作在一秒甚至更少的时间内便可完 成，这对高动态用户来讲尤其重要。
④抗干扰性能好、保密性强。由于GPS系统采 用了伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信 号具有良好的抗干扰性和保密性。
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7.5.3 俄罗斯GLONASS
1.简介 GLONASS是GLObal NAvigation Satellite