项目四 GPS全球定位系统认识 和设备使用
任务一、认识GPS系统的组成
一、任务内容
（一）全球定位系统简介
1964 年，美国海军建成了第一个卫星导航系统—— 子午仪卫星导航系统。
1967 年，前苏联也发射了自己的导航卫星——宇宙 192。
1973年，美国国防部批准其海陆空三军联合研制新 一代卫星导航系统，即授时和测距导航卫星，或者 称全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System，NAVSTAR/GPS）， 简称 GPS 系统。
图 4-1-8 GPS 接收机原理图
4.GPS定位方法分类 1)静态定位和动态定位 如果在定位过程中，用户接收机天线处于静止状态，
或者更明确地说。待定点在协议地球坐标系中的位 置，被认为是固定不动的，那么确定这些待定点位 置的定位测量就称为静态定位。
相反，如果在定位过程中，用户接收机天线处在运 动状态，这时待定点位置将随时间变化。确定这些 运动着的待定点的位置，称为动态定位。
2000 年 10 月，我国成功发射了第一颗北斗导航卫星， 开始北斗卫星导航试验系统建设工作。2012年12月27 日，北斗卫星导航系统已正式提供区域服务，
（二） GPS 系统的组成
图4-1-1 GPS系统组成
1．GPS 卫星星座和 GPS 卫星 1）GPS 卫星星座和 GPS 卫星
图 4-1-2 Block I卫星 图 4-1-3 Block II卫星
2)绝对定位和相对定位 根据参考点的不同位置，GPS定位测量又可分为绝对
定位和相对定位。绝对定位是以地球质心为参考点， 测定接收机天线(即待定点)在协议地球坐标系中的绝 对位置。由于定位作业仅需使用一台接收机，所以 又称为单点定位。 如果选择地面某个固定点为参考点，确定接收机天 线相位中心相对参考点的位置，则称为相对定位。
3)与接收设备有关的误差
在GPS定位测量中，与用户接收设备有关的误差 主要包括：观测误差、接收机钟差、天线相位中心 偏移误差。
4)其它误差来源
在GPS定位中，除了上述各种误差外，卫星钟和 接收机钟震荡器的随机误差、大气折射模型和卫星 轨道摄动模型误差、地球潮汐以及信号传播的相对 论效应等都会对观测量产生影响。
7.GPS定位的误差来源及对策 1)与GPS卫星有关的误差 卫星星历误差
卫星星历误差是指卫星星历给出的卫星空间位置与 卫星实际位置间的偏差，由于卫星空间位置是由地面 监控系统根据卫星测轨结果计算求得的，所以又称为 卫星的轨道误差。
卫星钟差
所谓时钟误差是指卫星钟误差，以及接收机钟误差。
2)卫星信号传播误差 电离卫层星和信对号流传层播时误所差产包生括的：误信差号，穿以过及地信球号上到空达
地面时产生反射信号而引起的多路径干扰误差。 电离层传播误差
电离层是指地球上空50～1000km之间的大气层。
对流层传播误差
从地面起向上到距地面40km的大气层称为对流层。
多路径效应影响
所信谓号多外路，径尚效可应能，收是到指经接天收线机周天围线物除体直反接射收的到卫卫星星信的号， 两种信号叠加将会引起天线相位中心位置的变化。
两者都是伪随机噪声码
C/A码有如下2个特点： 1) C/A码的码长很短，易于捕获。 2) C/A码的码元宽度较大。
GPS卫星的导航电文
GPS卫星的导航电文主要包括：卫星星历、时钟 改正、电离层时延改正、卫星工作状态信息以及由 C/A码捕获P码的信息。导航电文同样以二进制码的 形式播送给用户，因此又叫数据码，或称D码。
GPS卫星星历
GPS系统通过两种方式向用户提供卫星星历，一 种方式是通过导航电文中的数据块Ⅱ直接发射给用 户接收机，通常称为预报星历；另一种方式是由GPS 系统的地面监控站，通过磁带、网络、电传向用户 提供。称为后处理星历。
2. 地面监控系统
图4-ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-7 地面监控
3. GPS 用户接收机
工作卫星 Block II：与试验卫星 Block I 相比 Block II 卫 星能够存储14天的导航电文并具有实施选择可用性(SA) 和反电子欺骗（AS）功能。最后一颗 Block II 卫星于 2007年3月15日退役。
Block IIA 中大写字母 A 代表Advanced（更先进的）。该系列 卫星的质量和设计寿命与 Block II 系列卫星基本相同。但是却 增加了相互通信的能力，并且存储导航电文 的能力也增至180 天。
GPS 卫星的主要功能为： 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控制指令
通过星载高精度原子钟产生基准信号和提供精确的 时间标准
向用户连续不断地发送导航定位信号。
接收地面主控站通过注入站发送给卫星的调度命令， 如调整卫星的姿态、启用备用时钟或启用备用卫星 等。
GPS卫星的测距码信号 GPS卫星发射两种测距码信号，即C/A码和P码，
Block IIR 系列，R 代表 replenishment （补充）。目前有12颗 成功发射。
Block IIR-M 系列卫星是 Block IIR 系列的升级版，M 代表 modernized（现代化的）。
Block IIF 系列由波音公司研制开发，F 代表 follow-on（继任 者）。
5.GPS 静态定位原理
图4-1-9 GPS静态定位原理
6.GPS动态定位原理
GPS动态测量是利用GPS卫星定位系统实时测量 物体的连续运动状态参数。如果所求的状态参数仅 仅是三维坐标参数，就称为GPS动态定位。如果所求 的状态参数不仅包括三维坐标参数，还包含物体运 动的三维速度，以及时问和方位等参数，这样动态 测量就称为导航。
图 4-1-4 Block IIA 卫星 图 4-1-5 Block IIR 卫星
图 4-1-6 GPS 卫星导航载荷结构框图
GPS卫星可分为试验卫星和工作卫星两大类。
试验卫星 Block I也叫原型卫星。其任务主要是满足方 案论证和整个系统试验、改进的需要。最后一颗 Block I 卫星于1985年10月9日发射升空，1995年11月18日退役。