GPS卫星系统的简介

卫星导航定位系统的原理及其应用

摘要

本文主要介绍了卫星导航定位技术的基本概念与原理。并介绍人类利用卫星导航定位原理所发明的两种导航定位系统美国GPS系统与中国的北斗系统。

卫星与接收机距离的测量分为伪距测量原理和相位测量原理，相位测量的精度较高。卫星的定位原理分为绝对定位原理和相对定位原理，相对定位原理完全消除了卫星星历的影响精度更高一些。

美国的GPS系统主要由三部分组成分别为：空间部分、地面监控部分、用户部分。该系统的特点在于其与传统测量收与导航手段相比，器观测站之间无需通视只需要卫星通视，而且其定位精度较高、观测时间短、操作简便等

中国的北斗系统是中国为了克服GPS系统所带来的限制中国人自主研发的空间卫星系统。其特点突出，北斗系统不但可以进行导航也可以进行定位，同时还能进行授时和短信服务美国的GPS系统与中国的北斗系统的导航功能在旅游与汽车导航方面的应用极大地改善了人们的生活

关键词：卫星定位原理；北斗系统； GPS系统；导航

序言

随着科学技术的发展，尤其是空间科学技术的发展无论是在导航还是定位、授时方面，卫星定位于导航与人们的生活越来越密切。卫星的定位在大地测量方面、灾害监测中、土地资源调查中，地震测量中等方面都有着不可替代的作用。卫星的导航技术更是渗透于人们的生活当中旅游、汽车导航等等无一不说明卫星定位导航系统的重要性。所以本文通过对卫星导航系统定位原理的介绍以及在其技术基础上锁发展的定位导航系统，即中国的北斗系统与美国的GPS系统。让大家更能深刻了解定位导航技术的原理及其工作方式。

1 卫星导航定位原理

1.1 定位原理的基本概念

卫星定位的基本概念是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置，此处至少需要4颗卫星才能完场卫星定位。如图所示，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：

图 1.1 4

颗卫星定位的原理图

上述四个方程式中待测点坐标x 、 y 、 z 和Vto 为未知参数，其中di=c △ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

c 为GPS 信号的传播速度(即光速)。

四个方程式中各个参数意义如下：

x 、y 、z 为待测点坐标的空间直角坐标。

xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t 时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。

Vti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。

Vto 为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x 、y 、z 和接收机的钟差Vto 。

1.2 伪距测量原理

1. 伪距测量的基本原理

每一个卫星播发一个伪随机测距信号，该信号大约每毫秒播发一次，接收机同时复制出一个相同结构的信号，并与接受到的卫星信号进行比较，它与卫星信号有一个延时差从而获得信号的延时时间(dt),如下图1.2所示。从而推算出卫星至接收机的距离

机本机振荡产生信号相位之差。一般

在接收机钟确定的历元时刻量测，保

持对卫星信号的跟踪，就可记录下相

位的变化值，但开始观测时的接收机

和卫星振荡器的相位初值是不知道

的，起始历元的相位整数也是不知道

的，即整周模糊度，只能在数据处理

中作为参数解算。相位观测值的精度

高至毫米，但前提是解出整周模糊度，

因此只有在相对定位、并有一段连续

观测值时才能使用相位观测值，而要

达到优于米级的定位精度也只能采

用相位观测值。

1.4 绝对定位原理

1.绝对定位原理的定义

以地球质心为参考点，确定接收

天线在WGS-84坐标系中的绝对位置。

定位工作仅需一台接收机工作，因此

又称单点定位。绝对定位是以卫星至

用户接收机天线之间的距离为基本观

测量，并利用已知的卫星瞬时坐标来

确定接收机天线的位置。绝对定位可

分为动态绝对定位、静态绝对定位。

（1）动态绝对定位

接收机天线安装在运动载体上

（汽车、飞机、船舶等）来对其进行

定位，即确定运动载体的瞬时位置。其精度较低一般为10m-30m。多用于飞机汽车导航。

（2）静态绝对定位

静态绝对定位精度较高。接收机天线处于静态位置确定观测站绝对坐标。因为可连续测定卫星至观测站之间的距离，可获得充分的观测量，根据数据处理的结果提高了导航精度。

（3）绝对定位的应用与不足

主要用于大地测量，以精确测定该点的绝对位置坐标。在伪距观测中有三个观测未知数和一个时间参数，接收机至少跟踪四颗以上卫星。

绝对定位原理的不足在于其精度受卫星轨道误差、钟差及信号传播误差等，主要是由于卫星位置误差产生，且该误差不可忽略。

1.5 相对定位原理

1.静态相对定位

使用两台或两台以上的接收机固定安置。确定一台接收机相对于另一台接收机的位置。

2.动态相对定位

使用两台接收机，其中一台接收机安置在基准站上不动，另一台接收机安装在运动载体上，以确定其相对位置。

相对定位有三种模式

单差：不同观测站同步观测相同卫星所测得观测量值差。

双差：不同观测站同步观测同一组卫星所得单差观测量之差。

三差：不同历元同步观测同一组卫星所得双差观测量只差。

3.相对定位原理的优势

相对定位完全消除了卫星星历误差及卫星钟的误差，所以相对定位的精度高。

2 全球定位（GPS）系统2.1 GPS系统的结构组成

GPS系统主要由三部分组成：空间部分、地面监控部分、用户部分。

1. 空间部分

空间部分主要由卫星组成。

由21颗工作卫星，3颗备用卫星组成，均分布在六个轨道上，轨道的倾角为55°，轨道高度为:远地点26560km，近地点20200km。卫星运行周期为11小时58分钟。在地球的任何地点、任何时间都能同时看到4—8颗GPS卫星。

空间部分的存在主要是为了提供