全球定位系统简介

2025-03-13 02:18:57

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回答1：

全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS），是利用卫星发射的无线电信号进行导航定位。该系统具有全球性、全天候、高精度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的保密性和抗干扰性。由于该系统不受气象条件的限制，自动化程度较高，因而迅速被世界各国所采用。

（一）GPS全球定位系统的组成

GPS全球定位系统主要由三大部分组成，即空间星座部分（GPS 卫星星座）、地面监控部分和用户设备部分。

1.空间星座部分

全球定位系统的空间星座部分，由24颗卫星组成，其中包括3颗可随时启用的备用卫星。工作卫星分布在6个近圆形轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°，同一轨道上两卫星之间的升交角距相差90°。轨道平均高度为20 200km，卫星运行周期为11小时58分。同时在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多时达11颗。

在全球定位系统中，GPS卫星的主要功能是：接收、储存和处理地面监控系统发射来的导航电文及其他有关信息；向用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫星本身的空间实时位置及其他在轨卫星的概略位置；接收并执行地面监控系统发送的控制指令，如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等。

2.地面监控部分

GPS的地面监控系统主要由分布在全球的5个地面站组成，按其功能分为主控站（MCS）、注入站（GA）和监测站（MS）3种。

主控站有1个，设在美国科罗拉多的斯普林斯（Colorado Springs）。主控站负责协调和管理所有地面监控系统的工作，其具体任务有：根据所有地面监测站的观测资料推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层修正参数等，并把这些数据及导航电文传送到注入站；提供全球定位系统的时间基准；调整卫星状态和启用备用卫星等。

注入站又称地面天线站，其主要任务是通过一台直径为3.6m的天线，将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令注入相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。注入站现有3个，分别设在印度洋迪戈加西亚（Diégo Garcia）、南太平洋卡瓦加兰（Kwajalein）和南大西洋阿松森群岛（Ascencion）。

监测站共有5个，除上述4个地面站具有监测站功能外，还在夏威夷（Hawaii）设有1个监测站。监测站的主要任务是连续观测和接收所有GPS卫星发出的信号并监测卫星的工作状况，将采集到的数据连同当地气象观测资料和时间信息经初步处理后传送到主控站。

3.用户设备部分

全球定位系统的用户设备部分，包括GPS接收机硬件、数据处理软件和微处理机及其终端设备等。

GPS信息接收机是用户设备部分的核心，一般由主机、天线和电源3部分组成。其主要功能是跟踪接收GPS卫星发射的信号并进行变换、放大、处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间；解译导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。根据接收的卫星信号频率，又可分为单频（L₁）和双频（L₁，L₂）接收机等。

（二）GPS定位的基本原理

利用GPS进行定位的基本原理，是以GPS卫星和用户接收机天线之间距离（或距离差）的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标来确定用户接收机所对应的点位，即待定点的三维坐标（x，y，z）卫星之间的距离。由此可见，GPS定位的关键是测定用户接收机天线至GPS卫星之间的距离。

GPS进行定位的方法，根据用户接收机天线在测量中所处的状态来分，可分为静态定位和动态定位；若按定位的结果进行分类，则可分为绝对定位和相对定位。

所谓绝对定位，是在WGS84坐标系中，独立确定观测站相对地球质心绝对位置的方法。相对定位同样在WGS84坐标系中，确定的则是观测站与某一地面参考点之间的相对位置，或两观测站之间相对位置的方法。

所谓静态定位，即在定位过程中，接收机天线（待定点）的位置相对于周围地面点而言，处于静止状态。而动态定位正好与之相反，即在定位过程中，接收机天线处于运动状态，也就是说定位结果是连续变化的，如用于飞机、轮船导航定位的方法就属于动态定位。

各种定位方法还可有不同的组合，如静态绝对定位、静态相对定位、动态绝对定位和动态相对定位等。

（三）GPS实时差分定位

利用GPS对运动物体进行实时定位，可采用GPS接收机单点定位，由于其定位精度受钟差、大气折射率等误差影响，利用C/A码伪距单点定位精度很低。为提高实时定位精度，常采用GPS差分定位技术。

GPS动态差分的方法通常有3种。

1）位置差分。将基准站GPS接收机伪距单点定位得到的坐标值与已知坐标作差分，并将坐标修正值无线电传送至流动站，对流动站测得坐标进行修正。

2）伪距差分。利用基准站已知坐标和卫星星历，求卫星到基准站的几何距离，作为距离精确值，将此值与基准站所测的伪距值求差，作为差分修正值，通过数据链传给流动站，流动站接收差分信号后，对所接收的每颗卫星的伪距观测值进行修正，然后再进行单点定位。

3）载波相位动态实时差分（RTK）。GPS实时动态RTK测量技术，是以载波相位观测量为基础的实时差分GPS测量技术，是当代GPS测量技术发展中的一个新突破。动态实时差分技术的精度取决于高频数据传输设备的可靠性与抗干扰性；软件解算系统对保障成果可靠与精确具有决定性作用。

在常规RTK和差分GPS的基础上又建立起一种网络RTK定位技术，又叫基准站RTK。它是在一定区域内建立多个坐标为已知的GPS 基准站，对该地区进行网状覆盖，并以这些基准站为基准，计算和发播相位观测值误差改正信息。对该地区内的卫星定位用户进行实时改正的定位方式，又称多基准RTK。该方法的主要优点为覆盖面广，定位精度高，可实时提供厘米级定位。

（四）我国北斗卫星导航系统

北斗卫星导航系统〔BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System〕是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统并称全球四大卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端3部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯格洛纳斯（GLONASS）、欧洲伽利略（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。

该系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务并兼具短报文通信能力。已经具备区域导航、定位和授时能力，定位精度优于20m，授时精度优于100ns。

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