全球導航定位系統

1973年12月，美國正式實施第二代導航衞星工程，從1978年起開始發射和建設命名為“導航星”的軍用導航衞星系統，並於1993年整個系統部署完畢。該系統可滿足陸海空軍的高動態的飛機、導彈等的導航定位需要。美國“導航星”全球定位系統（GPS），最初由6個軌道面上的18顆衞星網組成，後來又修訂為用21顆主用、3顆備用衞星在6個不同平面的軌道上繞地運行。所以，在地球上的任何一點，都可同時看到這個系統的6～7顆衞星，用户通過這些信號能準確地確定自身所在的地理經緯度、高度和速度。GPS可對飛機、艦船進行連續實時導航，定位精度比“子午儀”更高，水平距離和高度精度均為5米。探險隊員和勘測隊員只需揹負1000克重的便攜式接收終端，就可確定自己所在經緯度和高度。這種新式導航定位系統能快速、連續地提供高精度三維位置、速度和時間的信息，實現近乎實時的導航，一次定位時間只要幾秒到幾十秒即可完成。這個系統還同時向民用開放，只是接收機性能參數有所區別，導航精度略差一點（平均為15米）。

(1) 全球，全天候工作

能為用户提供連續，實時的三維位置，三維速度和精密時間。不受天氣的影響。

(2) 定位精度高

單機定位精度優於10米，採用差分定位，精度可達釐米級和毫米級。

(3) 功能多，應用廣

隨着人們對GPS認識的加深，GPS不僅在測量，導航，測速，測時等方面得到更廣泛的應用，而且其應用領域不斷擴大。

在衞星定位系統出現之前，遠程導航與定位主要用無線導航系統。

(1) 無線電導航系統

羅蘭--C：工作在100KHZ，由三個地面導航台組成，導航工作區域2000KM，一般精度200-300M。

Omega（奧米茄）：工作在十幾千赫。由八個地面導航台組成，可覆蓋全球。精度幾英里。

多卜勒系統：利用多卜勒頻移原理，通過測量其頻移得到運動物參數（地速和偏流角），推算出飛行器位置，屬自備式航位推算系統。誤差隨航程增加而累加。

缺點：覆蓋的工作區域小；電波傳播受大氣影響；定位精度不高

(2) 衞星定位系統

最早的衞星定位系統是美國的子午儀系統（Transit），1958年研製，64年正式投入使用。由於該系統衞星數目較小（5-6顆），運行高度較低（平均1000KM），從地面站觀測到衞星的時間隔較長（平均1.5h），因而它無法提供連續的實時三維導航，而且精度較低。為滿足軍事部門和民用部門對連續實時和三維導航的迫切要求。1973年美國國防部制定了GPS計劃。

(3) GPS發展歷程

GPS實施計劃共分三個階段：

第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年，共發射了4顆試驗衞星。研製了地面接收機及建立地面跟蹤網。

第二階段為全面研製和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續發射了7顆試驗衞星，研製了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。

第三階段為實用組網階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衞星發射成功，表明GPS系統進入工程建設階段。1993年底實用的GPS網即（21+3）GPS星座已經建成，今後將根據計劃更換失效的衞星。

(1)GPS系統的組成

GPS由三個獨立的部分組成：

空間部分：21顆工作衞星，3顆備用衞星。

地面支撐系統：1個主控站，3個注入站，5個監測站。

用户設備部分：接收GPS衞星發射信號，以獲得必要的導航和定位信息，經數據處理，完成導航和定位工作。GPS接收機硬件一般由主機、天線和電源組成。

(2)GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根據高速運動的衞星瞬間位置作為已知的起算數據，採用空間距離後方交會的方法，確定待測點的位置。假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衞星星曆等其它數據可以確定以下四個方程式：

http://www.unistrong.com/GPS_belt/images/yuanlitu1.gif

上述四個方程式中待測點座標x、 y、 z 和Vto為未知參數，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分別為衞星1、衞星2、衞星3、衞星4到接收機之間的距離。

△ti (i=1、2、3、4) 分別為衞星1、衞星2、衞星3、衞星4的信號到達接收機所經歷的時間。

c為GPS信號的傳播速度（即光速）。

四個方程式中各個參數意義如下：

x、y、z 為待測點座標的空間直角座標。

xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分別為衞星1、衞星2、衞星3、衞星4在t時刻的空間直角座標，可由衞星導航電文求得。

Vti (i=1、2、3、4) 分別為衞星1、衞星2、衞星3、衞星4的衞星鐘的鐘差，由衞星星曆提供。

Vto為接收機的鐘差。

由以上四個方程即可解算出待測點的座標x、y、z 和接收機的鐘差Vto 。

目前GPS系統提供的定位精度是優於10米，而為得到更高的定位精度，我們通常採用差分GPS技術：將一台GPS接收機安置在基準站上進行觀測。根據基準站已知精密座標，計算出基準站到衞星的距離改正數，並由基準站實時將這一數據發送出去。用户接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，並對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。差分GPS分為兩大類：偽距差分和載波相位差分。

(1) 偽距差分原理

這是應用最廣的一種差分。在基準站上，觀測所有衞星，根據基準站已知座標和各衞星的座標，求出每顆衞星每一時刻到基準站的真實距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數，將其傳輸至用户接收機，提高定位精度。這種差分，能得到米級定位精度，如沿海廣泛使用的“信標差分”。

(2) 載波相位差分原理

載波相位差分技術又稱RTK（Real Time Kinematic）技術，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準站採集的載波相位發給用户接收機，進行求差解算座標。載波相位差分可使定位精度達到釐米級。大量應用於動態需要高精度位置的領域。