Trimble GPS&TGO
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第一章：GPS测量原理
1.1 GPS简介
GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System的字头缩写词NAVSTAR/GPS的简称，它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。它是美军70年代初在“子午卫星导航定位系统——NNSS系统”的技术上发展而起的具有全球性、全能性（陆地、海洋、航空与航天）、全天候性优势的导航定位、定时、测速系统。利用该系统，用户可以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。 2、GPS的组成
1973年12月，美国国防部正式批准陆海空三军共同研制导航全球定位系统-全球定位系统（GPS）。1994年进入完全运行状态；整套GPS定位系统由三个部分组成的，即由GPS卫星组成的空中部分、由若干地面站组成的地面监控系统、以接收机为主体的用户设备。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。 （1）、空间卫星部分
GPS的空间部分由24颗GPS工作卫星所组成，这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为用于导航的卫星，3颗为活动备用卫星。这24颗卫星分布在6个倾角为55°,高度约为20000公里的高空轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。完整的工作卫星星座保证在全球各地可以随时观测到4-8颗高度角为15°以上的卫星,若高度角在5°则可达到12颗卫星。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作。
（2）、地面监控部分
GPS的控制部分由分布在全球的若干个跟踪站所组成的监控系统构成，
根据其作用不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。
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①主控站的作用：主控站拥有大型电子计算机，用作为主
体的数据采集、计算、传输、诊断、编辑等工作，它完成下列功能:
A、采集数据：主控站采集各监控站所测得的伪距和
积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钟和工作状态的数据、监测站自身的状态数据等
B、编辑导航电文（卫星星历、时钟改正数、状态数据及大气改正数）并送入注入站。 C、诊断地面支撑系统的协调工作、诊断卫星健康状况并向用户指示的功能。 D、调整卫星误差。
②监控站的作用：监测站的主要任务是对每颗卫星进行观测，并向主控站提供观测数据。每个监控站配有GPS接收机，对每颗卫星长年连续不断地进行观测，每6秒进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。监测站是一种无人值守的数据采集中心，受主控站的控制，定时将观测数据送往主控站。
③注入站的作用：主控站将编辑的卫星电文传送到位于三大洋的三个注入站，定时将这些信息注入各个卫星，然后由GPS卫星发送给广大用户。 (3)、用户接收部分
GPS用户部分由GPS接收机（移动站、基准站等）、数据处理软件及相应用户设
备,如计算机气象仪器等所组成。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。 3、GPS信号
GPS导航定位系统属于无线电导航定位系统，用户只需通过接收设备接收卫星播的信号就能测定卫星信号传播时间延迟或相位延迟,解算出接收机与GPS卫星间的距离（称为伪距），确定接收机位置。
GPS卫星发射两种频率的载波信号---伪随机码，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120
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倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：
(1)C/A码：C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上， C/A码是普通用户用以
测定接收机到卫星间的距离的一种主要的信号。
(2)P码：P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，一般用户无法利用P码来进
行导航定位。
(3)Y码：P码与W码进行模二相加生成保密的Y码。
(4)导航信息：导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨
道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。
4、GPS误差
利用GPS定位时，GPS卫星播发的信号受各种因素影响，使得测量结果产生误差，精度下降。影响GPS定位精度的因素可分为下列几个方面： (1)
与GPS卫星有关的因素
① SA政策:美国政府从其国家利益出发，通过对导航电文采用ε技术、对GPS卫星基准
频率加入高频抖动（δ技术）、对P码采用译密技术（P码经过译密技术处理成Y码--反电子欺骗AS政策），人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。单机定位误差达100m。现已取消SA政策，单机误差约15m。（2000年5月1日已经取消该政策）
② 卫星星历误差:卫星星历是GPS卫星定位中的重要数据。卫星星历是由地面监控站跟踪
监测GPS卫星测定的。由于地面监控站测试的误差以及卫星在空中运行受到多种摄动力影响，地面监测站难以充分可靠地测定这些作用力的影响，使得测定的卫星轨道会有误差。
③ 卫星钟差:卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间会有偏
差和漂移，并且随着时间的推移而发生变化。而GPS定位所需要的观测量都是以精密
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测时为依据，卫星钟差会对伪码测距和载波相位测量产生误差。当卫星钟差总量达到1ms时，产生的等效距离误差可达300KM
④地球自转的影响：GPS定位采用的坐标是协议地球坐标系，地面接收到卫星信号时与地球固连的协议坐标系相对于卫星发射瞬间的位置已产生了旋转(绕Z轴旋转)，这样接收到的卫星信号会有时间延迟。（卫星发送信号瞬间坐标与接收机接收的瞬间坐标产生位置上的旋转）。
⑤发射天线相位中心偏听偏差:发射天线相位中心偏差是GPS卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。 (2)
与信号传播途径有关的误差
①电离层延迟:地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。
②对流层延迟:由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。
③多路径效应:由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这些信号会相互叠加，这就是所谓的多路径效应。 (3)
仪器本身的误差
①接收机钟差: 接收机石英钟与卫星的原子钟钟面时间的误差。
②接收机天线相位中心偏差: GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。
③接收机软件和硬件造成的误差:在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。 (4)
其他方面影响
①GPS控制部分人为或计算机造成的影响:由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。
②数据处理软件的影响:数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。 5、坐标系统 (1) 坐标系的分类
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