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第 一 章 G P S 的 概 述 全球卫星定位系统GPS是美军70年代初在“子午仪卫星导航定位”技术上发展而起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。GPS Navigation Satellite Timing and Ranging Golbal Positioning System 的字头缩写词NAV STAR GPS 的简称。其含义是利用导航卫星进行测时、测距, 以构成全球定位系统, 通常称为“全球定位系统”。整个系统包括三大部分: 空间部分、地面监控部分、用户部分。 第一节 GPS的简介 1.1 空间部分 GPS 空间部分由运行在6条地球轨道上的24颗均匀分布的工作卫星组成, 相邻轨道面夹角为60°, 对赤道的倾角为55°, 每个轨道面上布设三颗间隔均为120°的工作卫星, 轨道高度约为2万km。这种布置能使地球上任何地方、任何时刻至少能够观测到4颗卫星。这些GPS 卫星一边飞行, 一边向地球发射信号。 GPS 卫星具有以下几点功能: ① 接收和储存由地面监控站发来的导航信息, 接收并执行监控站的指令。 ② 卫星上有微处理机, 进行必要的数据处理。 ③ 通过高精度铯原子钟, 提供精密的时间标准。 ④ 向用户发送导航与定位电文。 ⑤ 按监控指令, 对卫星的姿态进行调整, 关闭工作卫星或启用备用卫星。 1.2 地面监控部分 地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、一个主控站和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。 ① 监测站: 目前地面上有5个监测站, 每个监测站备有双频GPS 接收机、高精度原子钟、气象设备、计算机、数据传输设备等。其主要任务是对每颗卫星进行观测, 并向主控站提供观测数据。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。 : 主要任务是根据监测站的观测资料, 推算编制各卫星的星历、卫星钟差、大气修正值, 并把数据传入注入站; 提供全系统时间基准, 将各监测站和卫星上的原子钟与主控站原子钟同步, 并测出钟差, 将钟差编成电文送到注入站; 调整偏轨卫星, 恢复正常运行, 启用备用卫星代替失效的工作卫星工作。 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： GPS用户系统。 ③ 注入站: 将主控站传送来的数据和命令通过发射装置发送到GPS 工作卫星上, 以使工作卫星按更新的数据和指令工作。 接受主控站送达的各卫星导航电文并将之注入飞越其上空的每颗卫星。 1.3 用户部分 用户部分(即GPS 接收机) 是用来接收GPS 卫星数据的。它包括天线、接收机、控制显示装置、电源及数据处理软件。由于用途和定位精度要求不同, 可以组成一个整体, 也可以分散联接使用。GPS 接收机按用途不同可分为导航型、大地型、守时型三大类。按应用场合不同, 又可分为袖珍式、背负式、车载式、机载式、弹载式、船用式和星载式七种。其发展趋势为智能化、重量轻、体积小、能耗低。 第二节 GPS的特点、原理及方法 2.1 GPS 的特点 ① 定位精度高。我国应用实践表明, 在50 km 以内, 相对定位精度可达10- 6, 100～ 500 km 可达10- 7,1000 km 及以上可达10- 9。 ② 观测时间短。随着GPS 系统的不断完善, 软件的不断更新, 目前20 km 以内相对静态定位仅需15～ 20m in; 快速静态相对定位测量, 每个流动站上观测时间仅需1～ 2 m in; 动态相对定位测量, 流动站出发时观测1～ 2 m in, 然后可随时定位, 每站仅需几秒钟。 ③ 测站间无需通视。GPS 测量不要求测站间通视,只需测站上空开阔即可。这一点是常规测量根本无法比拟的。由于观测点间无需通视, 点位位置根据需要可稀可密, 使选点工作更为灵活, 同时也省去常规测量传算点、过渡点的测量工作, 节省大量经费。 ④ 可提供三维坐标。GPS 可同时精确测定测站点的三维坐标, 目前GPS 水准可以达到四等水准测量的精度。 ⑤ 操作简便, 全天候作业。随着GPS 接收机不断改进, 智能化、体积小、重量轻、耗能低的接收机极大地减轻了测量工作者的劳动强度。由于GPS 观测在一天24 h 内任何时间都可以进行, 使野外工作变得轻松愉快。 ⑥ 功能多、应用广。GPS 系统不仅可以用于测量、导航, 还可以测速、测时, 所以在测绘、城市管理、航空航天、授时、物探、姿态测量、地球动力学、气象、农林业以及人们日常生活等诸多领域中均