文档介绍：1 绪论
论文背景意义
GPS是英文Navigation system timing and ranging/global positioning system的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称,通常称之为全球定位系统。全球定位系统是美国从20世纪70年代由美国国防部开始研制的新一代卫星导航与定位系统,该系统可向人类提供高精度的导航、定位和授时服务。它由24颗在沿距地球约20200km高度的轨道上运行的GPS卫星组成[1]。
GPS作为继子午卫星系统发展起来的新一代卫星导航与定位系统,具有全球性、全天候、连续性等优点的三维导航和定位能力,以及具有良好的抗干扰性和保密性。它已成为美国导航技术现代化的最重要标志,并被视为20世纪美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一重大科技成就[2]。在测量领域较早就开始采用GPS技术,最初,它主要用于建立各种类型和等级的测量控制网,目前它除了仍大量用于这些方面外,在测量领域的其它方面也得到了充分的应用。尤其在各种类型的测量控制网的建立这一方面,GPS定位技术已基本上取代了常规测量手段,成为主要的技术手段[3]。
GPS全球定位系统的组成
GPS全球定位系统从1973年方案论证开始,经历了设计、研制、试验、组网,到1994年3月组建完成,前后共历时20多年,同时也耗费了大量的人力财力,是美国继“阿波罗”登月计划和航天飞机后第三大航天技术工程。GPS全球定位系统有三个独立的段组成:空间段、地面控制/检测网络和用户接收设备[4]。
空间段即卫星星座,由24颗在轨卫星构成,。在这种配置下,卫星位于6个地心轨道平面内,每个轨道面4颗卫星。GPS卫星的额定轨道周期是半个恒星日即1lh58min。各轨道接近于圆形,且沿赤道以600间隔均匀分布,相对于赤道面的倾斜角额定为550。轨道半径(即从地球质心到卫星的额定距离)大约为26600km。位于地平面以上的卫星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n颗。这一卫星星座为全球用户提供24h的导航和时间确定能力。

GPS卫星星座
2)地面控制段负责监测、指挥、控制GPS卫星星座,包括一个主控站、三个注入站和五个检测站,。就其功能而言,地面控制段监测下行L波段导航信号,更新导航电文,解决卫星异常情况。此外,地面控制段还监测卫星的健康状况,管理与卫星位置保持机动和电池充电相关的任务,指挥卫星有效载荷。地面控制段的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。这就需要地面站检测各颗卫星的时间,并求出时钟差,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地面监控段框图
3)用户设备接收GPS卫星发射信号,以获取必要的导航和定位信息,经各种数据处理,完成导航和定位工作。用户设备主要由GPS设备、数据处理软件、微处理机及其终端设备组成;GPS设备包括天线、接收机、电源、输入输出设备等,主要用于接收GP
S卫星信号,以获得导航和定位信息;GPS软件部分是指各种后处理软件包,其作用是对观测数据进行精加工,以获取精密定位结果。
GPS应用发展现状
随着GPS接收机的逐步商用化,特别是美国政府取消了SA[5](selective Availability)政策(选择可用性政策,其目的是为了降低非特许用户GPS定位定时的精度)后,GPS的定位定时精度得到了很大的提高;GPS机价格的进一步降低使得其在民用领域得到迅速的发展[6]。
1)精密授时
在定位能力受到普遍注意的同时,GPS作为全球精密时间源,其授时服务也在迅速增长。实际上,GPS作为精密时间源,它对商业和产业基础设施的影响要比导航或跟踪更大。因此,有人建议将系统更名为全球定位和时间服务系统(GPTS)。
2)精密定位
大地测量学家采用了原先为无线电天文学开发的技术,利用GPS载波相位测量在相对定位中达到了毫米级精度。借助这种精密定位的能力可将GPS应用于监测大型工程建筑结构在实际载荷条件下的变形,也可以用于农业、建筑业和采矿业中的机械实时控制。另外,将GPS和PC组合,可以收集大量位置数据,并将其组织到地理信息系统中(GIS),最简单的典型系统可由背包中带电池和GPS卡的计算机,手持键盘和显示单元组成。一个如此装备的用户可以边走边采集数据,并随时将信息输入,产生或更新数据库。
3)航空和空间导航
1983年,南朝鲜航班由于导航问题偏离航路,进入苏联空域而被击落,这次灾难引起了人们对GPS应用于民用航空带来的潜在好处的关注。直到数年前,民用航空仍完全依靠机载导航系统和地面无线电导航设施进行导航,但无线电导航设施的运行和维护成本昂贵,因而世界