简述卫星定位系统的构成和工作原理

简述卫星定位系统的构成和工作原理

摘要：本文在于简述全球卫星定位系统（Global Positioning System）工作的基本原理和该系统的主要构成部分。

关键词：卫星定位；原子钟；vrml；web

1 引言

全球卫星定位系统（Global Positioning System）是由美国国防部于上世纪七十年代开始研制的一代新的卫星导航系统。其初始目的是为美国的海陆空三军提供实时，全天候和全球性的导航服务。在历经20年的不断建设和完善过后，其以能为全世界的目标提供三维坐标，三维速度和时间信息。因为GPS定位有高精度、高效率和低成本的优点，其在各领域得到了广泛的应用。其在国民生产中的地位可想而知。我国已在2003发射了第一颗北斗导航卫星，开始了我国的“北斗”卫星导航系统的建设。

2 卫星定位系统的构成

卫星定位系统由三部分组成：空间部分———GPS卫星；地面控制部分———地面监控系统；用户设备部分———GPS 信号接收机。下面逐一简绍。

2.1 GPS卫星

全球卫星定位系统的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km 的上空, 均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗)轨道倾角为55°。此外, 还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方任何时间都可观测到4颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码,一组称为C/A码(Coarse/Acquisition Code1.023MHz);一组称为P码(Procise Code10.23MHz),P码因频率较高,不易受干扰, 定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码, 一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。

2.2 地面监控系统

GPS系统的地面支撑部分由设在美国本土的1个主控站大西洋及太平洋的3个注入站和上述各站及夏威夷5个监控站组成。这些站不间断地对GPS卫星进行观测,主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3 个地面控制站并将计算和预报的信息传给GPS注入站，并对GPS卫星进行信息更新。

Fig2.GPS 地面支撑系统构造图

2.3用户接收设备

用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。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。接收机的结构如图Fig3所示。

3 卫星定位系统工作原理

全球卫星定位系统的定位原理就是要得到用户(载体)高精度的瞬时位置。由于不能保证接收机的时钟和卫星的时钟同步所以引入时间误差t ，同时多接收第4颗卫星的信号，

可以消除t ∆的影响。定位过程是: 首先, 根据卫星广播的星历,计算出第i 颗卫星的准确位置i x ，i y ，i

z 其次根据测量的码伪距或相位伪距,计算出用户与第i 颗卫星之间的相对距离i d ; 最后根据导航方法计算出用户的三维位置x ，y ，z 。如图 Fig4 ,假t 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机,根据接收机所接收到的卫星星历等数据可以确定以下四个方程：

Fig.4

()()()2221/21222[]d x x y y z z c t

=-+-+-+⋅∆ ()()()2221/22222[]d x x y y z z c t

=-+-+-+⋅∆ ()()()2221/23333[]d x x y y z z c t

=-+-+-+⋅∆

()()()2221/24444[]d x x y y z z c t =-+-+-+⋅∆

上述的四个方程中待测点的坐标x,y,z 和用户与卫星时钟之间的时差用t ∆为未知数，其中i d 是分别卫星1,2,3,4到接收机的之间的距离，i d =c t ⋅∆（i=1,2,3,4）.t ∆为卫星1,2,3,4分别到达接收机所经历的时间，C 为光速。i x ，i y ，i z

分别是各卫星的在t 时刻的坐标，其可由卫星导航电文求得.由此可见,只要测量得到4颗卫星的伪距,就可以同时得到用户的三维位置x,y,z 和用户钟与卫星钟之间的钟差t ∆。

４ 结论 GPS 卫星定位系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。其具有全天候，全覆盖，三维定速定时高精度，快速省时高效率的特点，在各领域有极大的用途。具有广泛的前景。

参考文献：

[1] 高星伟.全球导航卫星系统( GLONASS)[J].测绘通报,2001,(3):6.

[2] 关惠萍. .兰州铁道学院学报（自然科学版）:Aug.2003.No4.

[3] 李均航,全球定位系统的构成及工作原理:CNKI收录,2003.05.