文档介绍：第十章 GPS原理与应用
全球定位系统(global positioning system,简称GPS)是20世纪70年代由美国国防部研制的新一代卫星导航定位系统。
目前GPS已广泛应用于交通运输、军事和野外作业等各个领域。
一、GPS发展历史
全球定位系统(GPS)是美国从上世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。
最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统(Transit),1958年研制,64年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小(5-6颗),运行高度较低(平均1000KM),从地面站观测到卫星的时间隔较长(),因而它无法提供连续的实时三维导航,而且精度较低。
为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。
GPS实施计划共分三个阶段:
第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年,共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。
第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准。
第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。
二、GPS系统组成
GPS系统包括三大部分:GPS卫星星座;地面监控系统;GPS信号接收机。

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。

对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。卫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:
1个主控站:Colorado springs()。
3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、 Diego Garcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。
5个监控站: 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。
55
Colorado springs
Hawaii
kwajalein
Diego Garcia
Ascencion

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,甚至三维速度和时间。