关于GPS定位系统的结构和原理

GPS定位系统的定义

GPS定位系统是指使用卫星在全球范围内执行实时定位和导航的系统，称为GPS（全球定位系统）. GPS定位系统功能必须包含三个要素: GPS终端，传输网络和监视平台；这三个要素必不可少；通过这三个要素，可以提供车辆的防盗，防盗，行驶路线监控和呼叫指令功能.

GPS定位系统是美国的第二代卫星导航系统. 它是在子午线卫星导航系统的基础上开发的，它采用了子午线系统的成功经验. 与子午线系统一样，GPS定位系统由三部分组成: 空间部分，地面监视部分和用户.

GPS定位系统的组成

空间部分（空间部分）

GPS定位系统的空间部分由24颗GPS工作卫星组成，这些卫星共同构成了GPS卫星星座，其中21颗可用于导航的卫星，3颗是活动的备用卫星. 这24颗卫星以6°的轨道绕地球旋转，倾角为55°. 卫星的运行时间约为12个小时. 每颗GPS工作卫星都会发出用于导航和定位的信号. GPS用户使用这些信号进行工作. 可以看出，GPS定位系统的卫星部分的作用是连续发送导航消息.

控制部分

GPS定位系统的控制部分由一个监视系统组成，该监视系统由分布在世界各地的多个跟踪站组成. 根据其不同的功能，这些跟踪站分为主控制站，监视站和注入站. 主控站的作用是根据GPS上监视站的观测数据计算卫星的星历表和卫星时钟校正参数，并将这些数据通过注入站注入到卫星中；同时，它还执行控制并向卫星发出指令. 当工作卫星发生故障时，调度备用卫星替换发生故障的工作卫星；另之前进行的.

用户部分（地面接收）

GPS定位系统的用户部分由GPS，数据处理软件和相应的用户设备（例如计算机气象仪器）组成. 它的作用是从GPS卫星接收信号，并将这些信号用于导航和定位.

以上三个部分共同构成了一个完整的GPS定位系统.

GPS定位系统的特征

GPS定位系统具有性能好，精度高，适用范围广的特点，是迄今为止最好的导航定位系统. 随着全球定位系统的不断完善，软硬件的不断完善，应用领域也在不断探索中. 现在它已经扩散到国民经济的各个部门，并逐渐渗透到人们的日常生活中. [页面]

GPS定位系统的原理

GPS定位系统的基本原理是基于高速移动的卫星的瞬时位置作为已知的起始数据来确定待测点的位置，并采用空间距离切除的方法. 如图所示，假设将GPS放置在要在时间t进行测量的地面点上，则可以测量到达的GPS信号的时间△t，并且该接收到的卫星星历表和其他数据可以确定以下四个方程:

以上四个方程中待测点的坐标x，y，z和Vto是未知参数，其中di = c△ti（i = 1、2、3、4）.

di（i = 1、2、3、4）是卫星1，卫星2，卫星3和卫星4到的距离.

△ti（i = 1、2、3、4）是卫星1，卫星2，卫星3和卫星4的信号分别到达所花费的时间.

c是GPS信号的传播速度（即光速）.

四个方程式中每个参数的含义如下:

x，y，z是要测量的点的坐标的空间直角坐标.

xi，yigps定位系统工作原理，zi（i = 1、2、3、4）是在时间t处卫星1，卫星2，卫星3和卫星4的空间直角坐标，

可以从卫星导航消息中获取.

Vt i（i = 1、2、3、4）是分别由卫星星历表提供的卫星1gps定位系统工作原理，卫星2，卫星3和卫星4的卫星时钟的时钟差.

Vto是的时钟差.

要测量的点的坐标x，y，z和的时钟差Vto可以通过上述四个方程求解.

相对性为GPS提供了必要的修正

GPS定位系统卫星定时信号提供有关纬度，经度和高度的信息. 准确的距离测量需要准确的时钟. 因此，精确的GPS将使用相对论效应.

精度低于30米的GPS接收机表示已使用相对论效应. 华盛顿大学的物理学家克利福德·威尔（Clifford M. Will）详细解释说: “如果不考虑相对论效应，卫星上的时钟将与地球上的时钟不同步. ”相对论认为，快速移动的物体在时间上比静态物体慢. 威尔计算得出，每颗GPS卫星每小时大约横贯14,000公里，这意味着它的卫星原子钟比每天的地球钟慢7微秒.

重力对时间的影响更大. 在大约20,000公里的高度，GPS卫星的引力大约是地面的四分之一. 结果是车载时钟每天为45微秒，而GPS必须解决总共38微秒的偏差. 阿什比解释说: “如果卫星上没有频率补偿，那么每天将增加11公里的误差. ” （这种影响实际上更为复杂，因为卫星沿着偏心轨道运行，有时离地球更近，有时离地球更远.

摘要

本文主要介绍了GPS定位系统的概念，组成，原理，特点以及在GPS定位系统中应用相对论的必要修正.

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