工程师联盟科普系列 | GPS卫星定位系统,原理与技术一文全懂

追风少年

全球定位系统（Global PosiTIoning System，通常简称GPS）是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区（98%）提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星；地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中4颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确。

　　该系统是由美国政府于20世纪70年代开始进行研制于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收机，无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务（SPS，Standard PosiTIoning Service）和军规的精确定位服务（PSS，Precise PosiTIoning Service）两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入误差以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在100米左右；军规的精度在十米以下。2000年以后，克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此，现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。

　　GPS系统拥有如下多种优点：全天候，不受任何天气的影响；全球覆盖（高达98%）；三维定速定时高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位；不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性，提高了其军事应用效能。
　　GPS系统的组成

　　GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。

　　GPS卫星星座：

　　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。

　　在两万公里高空的GPS卫星当地球对恒星来说自转一周时它们绕地球运行二周即绕地球一周的时间为12恒星时。这样对于地面观测者来说每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗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11颗。在用GPS信号导航定位时为了结算测站的三维坐标必须观测4颗GPS卫星称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时甚至不能测得精确的点位坐标这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。

　　地面监控系统：

　　对于导航定位来说GPS卫星是一动态已知点。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。

　　GPS信号接收机：

　　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位置甚至三维速度和时间。

　　GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机。可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同用户要求的GPS信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。

　　静态定位中GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变接收机高精度地测量GPS信号的传播时间利用GPS卫星在轨的已知位置解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰空中的飞机行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

　　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。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说两个单元一般分成两个独立的部件观测时将天线单元安置在测站上接收单元置于测站附近的适当地方用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体观测时将其安置在测站点上。

　　GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中机内电池自动充电。关机后机内电池为RAM存储器供电以防止丢失数据。

　　近几年国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时其双频接收机精度可达5MM+1PPM.D单频接收机在一定距离内精度可达10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。

　　目前各种类型的GPS接收机体积越来越小重量越来越轻便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。
　　GPS系统发展历程

　　自1978年以来已经有超过50颗GPS和NAVSTAR卫星进入轨道。

　　前身

　　GPS（又称全球卫星导航系统或全球卫星定位系统）系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此，美国海军研究实验室（NRL）提出了名为TInmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPS系统精确定位的基础。而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道 该计划以伪随机码（PRN）为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的１％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

　　计划

　　最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星，地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样，粗码精度可达100m，精码精度为10m。 由于预算压缩，GPS计划不得不减少卫星发射数量，改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改：21颗工作星和3颗备份星工作在互成30度的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

　　计划实施

　　GPS计划的实施共分三个阶段：

　　第一阶段为方案论证和初步设计阶段。

　　从1978年到1979年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为26560km，倾角64度。轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网，结果令人满意。

　　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颗称为BLOCK I的试验卫星，研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14米。

　　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，这一阶段的卫星称为BLOCK II 和 BLOCK IIA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年底使用的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。
　　GPS卫星

　　在测试架上的GPS卫星

　　GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的，卫星重774kg，使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构，主体呈柱形，直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板（BLOCK I），全长5.33m接受日光面积为7.2m2。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转，使板面始终对准太阳，为卫星不断提供电力，并给三组15Ah镉镍电池充电，以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线，能发射张角大约为30度的两个L波段（19cm和24cm波）的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统，以便使卫星保持在适当的高度和角度，准确对准卫星的可见地面。

　　由GPS系统的工作原理可知，星载时钟的精确度越高，其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器，相对频率稳定度为10 ？ 11/秒。误差为14米。1974年以后，gps卫星采用铷原子钟，相对频率稳定度达到10 ？ 12/秒，误差8m。1977年，BOKCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到10 ？ 13/秒，误差则降为2.9m。1981年，休斯公司研制的相对稳定频率为10 ？ 14/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差仅为1m。
　　GPS系统原理

　　当苏联发射了第一颗人造卫星后，美国约翰·霍布斯金大学应用物理实验室的研究人员提出既然可以已知观测站的位置知道卫星位置，那么如果已知卫星位置，应该也能测量出接收者的所在位置。这是导航卫星的基本设想。GPS导航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。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到（由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P（Y）码。C/A码频率1.023MHz，重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每30秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。

　　差分技术

　　为了使民用的精确度提升，科学界发展另一种技术，称为差分全球定位系统（Differential GPS）， 简称DGPS。亦即利用附近的已知参考坐标点（由其它测量方法所得）， 来修正 GPS 的误差。再把这个即时（real time）误差值加入本身坐标运算的考虑， 便可获得更精确的值。

　　GPS有2D导航和3D导航分，在卫星信号不够时无法提供3D导航服务，而且海拔高度精度明显不够，有时达到10倍误差。但是在经纬度方面经改进误差很小。卫星定位仪在高楼林立的地区扑捉卫星信号要花较长时间。
　　GPS的功能

　　精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中

　　工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量

　　勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到

　　导航：

　　武器导航：精确制导导弹、巡航导弹

　　车辆导航：车辆调度、监控系统

　　船舶导航：远洋导航、港口/内河引水

　　飞机导航：航线导航、进场着陆控制

　　星际导航：卫星轨道定位

　　个人导航：个人旅游及野外探险

　　定位：

　　车辆防盗系统

　　手机，PDA，PPC等通信移动设备防盗，电子地图，定位系统

　　儿童及特殊人群的防走失系统

　　精准农业：农机具导航、自动驾驶，土地高精度平整
　　GPS的六大特点

　　第一，全天候，不受任何天气的影响；

　　第二，全球覆盖（高达98%）；

　　第三，三维定点定速定时高精度；

　　第四，快速、省时、高效率；

　　第五，应用广泛、多功能；

　　第六，可移动定位。

　　定位精度高应用实践已经证明GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6100-500KM可达10-71000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较其边长较差最大为0.5mm校差中误差为0.3mm。

　　观测时间短随着GPS系统的不断完善软件的不断更新目前20KM以内相对静态定位仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时当每个流动站与基准站相距在15KM以内时流动站观测时间只需1-2分钟然后可随时定位每站观测只需几秒钟。

　　测站间无须通视GPS测量不要求测站之间互相通视只需测站上空开阔即可因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视点位位置可根据需要可稀可密使选点工作甚为灵活也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。

　　可提供三维坐标经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

　　操作简便随着GPS接收机不断改进自动化程度越来越高有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小重量越来越轻极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。

　　全天候作业目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响功能多、应用广。

　　从这些特点中可以看出GPS系统不仅可用于测量、导航还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初设计GPS系统的主要目的是用于导航收集情报等军事目的。但是后来的应用开发表明GPS系统不仅能够达到上述目的而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位米级至亚米级精度的动态定位亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此GPS系统展现了极其广阔的应用前景。

　　目前正在运行的全球卫星定位系统有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统。

　　欧盟1999年初正式推出“伽利略”计划，部署新一代定位卫星。该方案由27颗运行卫星和3颗预备卫星组成，可以覆盖全球，位置精度达几米，亦可与美国的GPS系统兼容，总投资为35亿欧元。该计划预计于2010年投入运行。

　　中国还独立研制了一个区域性的卫星定位系统——北斗导航系统。该系统的覆盖范围限于中国及周边地区，不能在全球范围提供服务，主要用于军事用途。
　　应用

　　军事 洲际弹道导弹

　　物流管理

　　地理信息系统

　　移动电话

　　数码相机

　　航空

　　卫星地图

　　航空



工业软件服务平台泊松比：www.posongbi.com

更多岗位、项目，请关注

欢迎加

工盟联系人

联系：18217616841（微信）