全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)(Global Positioning System-GPS)是美國從本世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術(shù)革命。

隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。

GPS系統(tǒng)的特點:

1、全球，全天候工作：

能為用戶提供連續(xù)，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(yōu)于10米，采用差分定位，精度可達厘米級和毫米級。

3、功能多，應用廣：

隨著人們對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。

GPS:

在衛(wèi)星定位系統(tǒng)出現(xiàn)之前，遠程導航與定位主要用無線導航系統(tǒng)。

1、無線電導航系統(tǒng)

● 羅蘭--C：工作在100KHZ，由三個地面導航臺組成，導航工作區(qū)域2000KM，一般精度200-300M。

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

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

缺點：覆蓋的工作區(qū)域��；電波傳播受大氣影響；定位精度不高。

2、衛(wèi)星定位系統(tǒng)

最早的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國的子午儀系統(tǒng)（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較小（5-6顆），運行高度較低（平均1000KM），從地面站觀測到衛(wèi)星的時間隔較長（平均1.5h），因而它無法提供連續(xù)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(xù)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(fā)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(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。

第二階段為全面研制和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。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(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進入工程建設階段。1993年底實用的GPS網(wǎng)即（21 3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。

GPS原理

1、GPS系統(tǒng)的組成

GPS由三個獨立的部分組成：

● 空間部分：21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。

● 地面支撐系統(tǒng)：1個主控站，3個注入站，5個監(jiān)測站。

● 用戶設備部分：接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號，以獲得必要的導航和定位信息，經(jīng)數(shù)據(jù)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(jù)高速運動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。如圖所示，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衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式：

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

di (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4到接收機之間的距離。

△ti (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的信號到達接收機所經(jīng)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(shù)意義如下：

x、y、z 為待測點坐標的空間直角坐標。

xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4在t時刻的空間直角坐標，

可由衛(wèi)星導航電文求得。

Vt i (i=1、2、3、4) 分別為衛(wèi)星1、衛(wèi)星2、衛(wèi)星3、衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，由衛(wèi)星星歷提供。

Vto為接收機的鐘差。

由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z 和接收機的鐘差Vto 。

DGPS原理

目前GPS系統(tǒng)提供的定位精度是優(yōu)于10米，而為得到更高的定位精度，我們通常采用差分GPS技術(shù)：將一臺GPS接收機安置在基準站上進行觀測。根據(jù)基準站已知精密坐標，計算出基準站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準站實時將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發(fā)出的改正數(shù)，并對其定位結(jié)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，觀測所有衛(wèi)星，根據(jù)基準站已知坐標和各衛(wèi)星的坐標，求出每顆衛(wèi)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(shù)，將其傳輸至用戶接收機，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(shù)又稱RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)，是實時處理兩個測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機，進行求差解算坐標。

載波相位差分可使定位精度達到厘米級。大量應用于動態(tài)需要高精度位置的領域。

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