差分GPS.doc

GPS定位技术——差分GPS技术
一、GPS系统的提出
全球定位系统是美国国防部部署的一种卫星无线电定位导航与报时系统,GPS是全球定位系统的简称。
20世纪50年代后期,美洋发射洲际弹道导弹时发现,如果知道导弹轨迹,就可推出船的位置,那么导弹换成在轨卫星也行。在此思想指导下,1958年底,美国海军委托霍普金斯大学应用物理实验室研究军用舰艇导航服务的卫星系统,即海军导航卫星(又称子午仪导航系统),于1964年1月研制成功,用于北极星核潜艇的导航定位并逐步用于各种军舰导航定位。尽管子午仪导航系统已得到广泛的应用,并显示出巨大的优越性,但也存在严重缺陷,一台接收机需观察15次合格卫星通过才能达到10m的单点定位精度,而且只能给出2维坐标———经度和纬度,不能给出高程。
鉴于子午仪导航系统存在的缺陷及海陆空三军和民用部门对导航要求越来越高,美国于1973年正式开始GPS的研究和论证工作。开始方案是24颗卫星平均分布在互成120°的3个轨道平面上,对于地球上的任何位置均能同时观测到6~9颗,后调整为18颗卫星分布在互成60°的6个轨道面上,每个轨道面上布3颗,彼此相距120°,从一个轨道面到下一个轨道面的卫星错动40°,保证地球上任何一点均能同时观察到4颗星,经过一段实验后于1990年初对卫星配置进行第三次修改,最终由21颗工作卫星和3颗在轨备用星组成,于1993年建成(如图1)。
除了美国的GPS之外,俄罗斯也拥有类似系统———全球导航卫星系统,于1995年建成,我国于2000年先后发射了两颗自行研制的“北斗导航试验卫星”,构成北斗导航系统,标志着我国将拥有自主研制的第一代卫星导航定位系统。
二、GPS系统的组成
GPS系统由导航星座、地面台站和GPS接收机3部分组成。导航星座由21颗工作星和3颗备用星,分布在6条轨道上,轨道呈圆形,偏心率为0·01,轨道高度20200km,倾角55°,运行周期为12小时,每颗星以1575·42Hz和1227·60Hz两种频率为军事用户播发加密的高精度导航数据(P码),定位精度可达10米,测速精度0·1m/s,授时精度为10ns,同时以1575·42Hz的频率为民用用户播发精度较低的导航数据(C/A码),定位精度100米。
GPS地面站由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成。监测站对每颗卫星长年连续不断地进行观察,每6秒进行1次伪距测量和积分多普勒观察。采集气象要素,定时将观测数据送往主控站,经大型计算机计算各卫星原子钟钟差、电离层、对流层校正参量等各种测量数据,编制各卫星星历,编成电文发送到注入站,当卫星通过注入站视界时,注入站通过S波段发射机将导航信息注入卫星,每天1次,然后由卫星实时地播送给用户。
GPS系统采用无源工作方式,用户不需向卫星发射信息或询问而只接收由导航星送下的信息,所以用户设备主要包括导航接收机和处理控制解算显示设备。
三、GPS的原理及差分GPS技术
GPS的主要用途是导航、定位。确定运载体(飞机、舰船等)当时所处位置为导航的最基本任务,这一任务叫“定位”,它是完成其他各项导航任务的基础。
由于地球的自转,以地球为中心建立的坐标系在自转中不断变化,不适于对宇宙空间的卫星定位,在导航系统中表示位置是利用天球极轴、春分点轴,以及赤道平面垂直于春分点