GPS卫星定位系统，原理与技术一文全懂

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。

由于民用的标准定位服务不需要任何授权，就可以任意使用，所以美国担心，敌人用自己造出来的剑来攻击自己，于是在民用信号中人为地加入误差以降低精确度，使定位精确度在100米左右。建成后的北斗三号全球导航系统的定位精度将提升1至2倍，达到2.5米至5米水平，将为民用用户免费提供约10米精度的定位服务、0.2米/秒的测速服务，并将为付费用户提供更高精度等级的服务。3、gps手持机的精度及sa政策理论上，gps手持机的定位精度可以到米级，美国佬出于安全考虑，人为限制民用gps手持机的定位经度，制定了sa政策，美国防部为减小gps手持机精确度而实施的一种措施），当sa政策实施时，定位精度只有20-30米，但目前sa政策已经取消，民用gps手持机的定位精度已经可以达到10

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全天候模式：可按用户个人需要，全天 24 小时内，可分别设定早、中、晚三次定时上水及三次定时加热，并且可分别设定每次定时上水的水位和定时加热的温度。10、全天候模式：可按用户个人需要，全天24小时内，可分别设定早、中、晚三次定时上水及三次定时加热，并且可分别设定每次定时上水的水位和定时加热的温度。数据接收的思想是，当不在字节帧接收过程时，每次定时中断以3倍的波特率监视rxd的状态，当其连续3次采样电平依 次为1、0、0时，就认为检测到了起始位，则开始启动一次字节帧接收，字节帧接收过程由接收状态机控制，每次中断只接收1个位，经过若干个定时中断完成1 个字节帧的接收。

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：

首先，北斗导航系统用的在轨卫星颗数比gps更多，北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，而gps空间卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。tower with distribution tube 带分煤管的转运站 track track (profile)layout track adhesive track advancing track bed track configuration track dozer track ga(u)ge track layout track level track locomotive track lubricator 路线,轨道,铁路线 铁路线平面/断面 布置图 轨道粘着力 轨道接长 道床 轨迹线 履带式推土机 轨距 线路布置 轨面 干线机车 轨道润滑器。非静止轨道卫星定位系统 一般是由中、低轨上的多颗卫星（星座）和移动用户终端构成的定位系统。

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：

高频头的主要作用是将天线接收到的下行跟踪与捕获，到卫星位置速度计算、观测量模型分析和定位导航解算的几乎所有信号处理理论，同时也融进了作者在该领域多年的研发经验和心得。

它的作用是接收gps卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。  gpsgps卫星用卫星用l l波段两种频率的波（波段两种频率的波（1575.42mhz1575.42mhz和和1227.6mhz1227.6mhz） 向用户发射导航定位信号， 同时接收地面发送的导导航定位信号， 同时接收地面发送的导航电文以及调度命令。toa测量要求ms的发射与所有bts的接收精确同步(1μs的定位误差将导致300m的定位误差)，并且在其发射信号中要包含发射时间标记以便接收基站信号到达时间确定信号所传播的距离。

自动跟踪是指根据地面站接收机所接收的卫星信标信号，检测出俯仰和方位误差信号，根据误差信号大小驱动天线转台系统，使天线自动对准卫星。只有掌握这一规律，才能用好这面天线，大家只要看一下这个天线的接收方位，不仅可以知道接收的是哪颗卫星，而且还能知道接收的是哪个极化的信号呢。如想自己安装，我可以提供方法供参考，您可先将小锅安装好，用射频线连接到卫星电视接收机上的射频接口，然后从接收机的输出端接入电视机，具体是:接收机输出端有视频接口端()、音频接口端(红色、白色)，接入电视机的相对应的视频、音频接口，打开电视机选择“视频1或视频2”，打开接卫星收机调整小锅朝南(也有在东面)从仰角9度上向慢慢调整及南东、南西慢慢寻找卫星方向，如知道卫星位置就快多了，当收到信号时应根据信号的强度和质量进行微调，直到信号的强度和质量在96%以上才能按确定，固定小锅，进行频道自动收寻，信号偏移会出现画面定格或无声，安装调试完毕。

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午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。gps检测仪工资原理该系统用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。

toa测量要求ms的发射与所有bts的接收精确同步(1μs的定位误差将导致300m的定位误差)，并且在其发射信号中要包含发射时间标记以便接收基站信号到达时间确定信号所传播的距离。gps 系统定位精度在最初设计的时候是远远超乎设计人员的预料，甚至于不得不对 gps 民用信号的精度给予限制，人为将定位误差加大到 100 米左右。中国相关单位发展卫星制导非常早，上世纪90年代就开始进行技术跟踪，本世纪安装完成相关型号的研制，如珠海航展上面展出的ft-1卫星制导，与jdam一样，ft-1也是把普通的尾翼取下，换上制导组件，同时在弹体上面加装边条翼，以提高升阻比，增加投放距离，载机在5000-12000米高度、m0.6-m0.9范围之内投放ft-1，距离可以达到18公里，不过它采用了gps民码信号，所以精度较低，只有30米，如果采用高精度军码信号，其精度可以降低到10米以下[1]。

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