?GPS(全球定位系統(tǒng))設(shè)計?主要包括三個主要部分：空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。

空間星座部分

GPS的空間星座部分由24顆衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星分布在6個軌道上，每個軌道上有4顆衛(wèi)星。這些衛(wèi)星的平均高度約為20,200公里，軌道接近正圓，運行周期為11小時58分鐘。衛(wèi)星信號大約需要70毫秒即可到達(dá)地面。每顆衛(wèi)星都有一個獨特的SVM(空間飛行器編號)和不同的PRN(偽隨機噪聲碼)。衛(wèi)星的核心設(shè)備是高精度原子鐘，用于確定系統(tǒng)時間標(biāo)準(zhǔn)?1。

地面監(jiān)控部分

地面監(jiān)控部分包括一個主控站、四個注入站和六個監(jiān)測站。主控站是地面監(jiān)控部分的核心，負(fù)責(zé)監(jiān)視所有衛(wèi)星的運行軌道，計算衛(wèi)星鐘差，并確保各顆衛(wèi)星的原子鐘與主控站的原子鐘同步。監(jiān)測站負(fù)責(zé)通過接收機對GPS進(jìn)行連續(xù)觀測和數(shù)據(jù)采集，同時采集當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)，處理后返還主控站?1。

用戶設(shè)備部分

用戶設(shè)備部分主要是GPS接收機，它接收衛(wèi)星信號，從信號中獲取衛(wèi)星的運行軌道等信息，通過計算來確定自身的位置。定位的基本原理是通過測量接收機到至少四顆衛(wèi)星的距離(利用信號傳播時間計算)，結(jié)合多普勒效應(yīng)和偽隨機噪聲碼，解算出接收機的三維坐標(biāo)和一個鐘差，從而實現(xiàn)定位?12。

技術(shù)參數(shù)和設(shè)計特點

?衛(wèi)星數(shù)量?：24顆衛(wèi)星分布在6個軌道上，每個軌道有4顆衛(wèi)星。

?軌道高度?：平均20,200公里。

?運行周期?：11小時58分鐘。

?信號到達(dá)時間?：約70毫秒。

?核心設(shè)備?：高精度原子鐘用于確定系統(tǒng)時間標(biāo)準(zhǔn)。

?定位原理?：通過測量到至少四顆衛(wèi)星的距離，結(jié)合多普勒效應(yīng)和偽隨機噪聲碼進(jìn)行定位計算?13。

(一)GPS基礎(chǔ)原理

GPS，全稱Global Positioning System，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中了，現(xiàn)在的智能手機里都會自帶GPS定位功能。這是一個美國的全球定位系統(tǒng)，雖然我們現(xiàn)在也有北斗了，但畢竟GPS搞的早，所以先從它開始研究起。

整個GPS系統(tǒng)分三大部分：地面站、衛(wèi)星和接收機。

地面站負(fù)責(zé)監(jiān)控。它們通過接收、測量各個衛(wèi)星信號，計算衛(wèi)星的運行軌道，并將衛(wèi)星的運行軌道信息發(fā)射給衛(wèi)星，讓衛(wèi)星去轉(zhuǎn)播。

衛(wèi)星負(fù)責(zé)向地面發(fā)射信號，為廣播形式。

接收機接收衛(wèi)星信號，從衛(wèi)星信號中獲取衛(wèi)星的運行軌道等信息，通過計算來確定自身的位置。

地面站和衛(wèi)星都是由美國控制的，我們能控制的只有接收機。

定位的基本原理其實很簡單，中學(xué)幾何知識就夠了。把接收機抽象成一個質(zhì)點X，三個衛(wèi)星抽象成質(zhì)點X，Y，Z，如果A到X，Y，Z的距離分別為rx，ry，rz，分別以X，Y，Z為圓心，以rx，ry，rz 為半徑作3個球面，3個球面相交于兩點，其中一點就是接收機所在位置(因為接收機肯定在地面附近，根據(jù)計算結(jié)果很容易排除另一點)。

那rx，ry，rz 這幾個距離怎么知道呢?很簡單，利用公式：距 離 = 速 度 × 時 間。

衛(wèi)星發(fā)射信號到接收機，速度為光速是已知的，所以我們只要知道信號從衛(wèi)星到接收機跑的時間有多長就可以了。這個時間長度就是接收到信號的時間減去發(fā)射信號時的時間。接收到信號的時間接收機自然是知道的，發(fā)送信號的時間可以根據(jù)信號內(nèi)容算出來，那么時間長度就可以算出來了，于是距離可知。

這里還有一個問題，因為各種原因，接收機的時間和GPS衛(wèi)星的時間通常不同步，于是在計算時間時會多一個未知數(shù)鐘差，所以我們需要再多一顆衛(wèi)星，4顆衛(wèi)星4個方程，解出4個未知數(shù)。

至此，若用方程來表示，設(shè)接收機的位置坐標(biāo)為(x, y, z)，衛(wèi)星位置坐標(biāo)分別為(xn, yn, zn), n = 1, 2, 3, 4，衛(wèi)星到接收機的距離分別為r1, r2, r3, r4，c為光速，δt為鐘差，則有以下方程組：

這就是GPS定位的基本原理。

(二)GPS時間

前面GPS基礎(chǔ)原理中提到了一個鐘差的概念，并沒有細(xì)說。

時間是一個相對的概念，最簡單的例子：你的手表的時間和我的手表的時間可能是不一樣的，那不一樣就會有問題，我說的8點上班和你認(rèn)為的8點上班就不是同一個時刻了，于是你上班就可能會遲到。同理，GPS衛(wèi)星的時間和接收機的時間也不一樣，于是在利用時間來算距離的時候就會有很大的誤差，所以我們要統(tǒng)一時間。

為了統(tǒng)一時間，人類做了很多的努力，建立了多個不同的時間系統(tǒng)。有以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的世界時(UT)，有以原子鐘為基礎(chǔ)的國際原子時(TAI)，還有兩者折中的協(xié)調(diào)世界時(UTC)。目前，幾乎所有國家的標(biāo)準(zhǔn)時間都采用協(xié)調(diào)世界時。

然而GPS系統(tǒng)并沒有采用協(xié)調(diào)世界時，而是建立了其專用的GPS時間系統(tǒng)(GPST)。

GPS時間是連續(xù)的。

GPS時間用星期數(shù)(周數(shù))和周內(nèi)秒來表示時間。

GPS時間的秒長由地面站的原子鐘和衛(wèi)星的原子鐘的觀測量綜合得出。

GPS時間的零時刻與協(xié)調(diào)世界時的1980年1月6日(是個星期天)零時刻同步。

GPS時間落后國際原子時19秒加一個秒內(nèi)偏差。美國會控制GPS時間使這個秒內(nèi)偏差小于1微秒，一般在幾百納秒之內(nèi)。

需要注意的是每顆GPS衛(wèi)星都有自己的衛(wèi)星時間，每顆衛(wèi)星都是按照自己本身的時鐘在運行，而由GPS地面站來保證衛(wèi)星時間與GPS時間之間的差異小于1微秒。在衛(wèi)星播發(fā)的導(dǎo)航電文中，在遙測字(TLW: Telemetry Word)和交接字(HOW: HandOver Word)中與時間相關(guān)的數(shù)據(jù)都是基于衛(wèi)星時間，而其他的數(shù)據(jù)都是基于GPS時間。

GPS時間與協(xié)調(diào)時的差異參數(shù)由導(dǎo)航電文給出，在導(dǎo)航電文第4子幀第18頁。這些參數(shù)由地面站負(fù)責(zé)更新，至少每6天更新一次，否則準(zhǔn)確性會隨時間流逝而下降。

衛(wèi)星時間與GPS時間的差異參數(shù)也由導(dǎo)航電文給出，在導(dǎo)航電文第1子幀。

這樣GPS時間和衛(wèi)星時間還有協(xié)調(diào)時三者就聯(lián)系起來了，可以互相推導(dǎo)出來。還有一個接收機時間是獨立于這三者的，所以存在一個接收機時間與GPS時間的鐘差未知數(shù)。

時間關(guān)系確定，誤差保持在一定范圍，就可以用于計算距離，進(jìn)而定位，這就是GPS的基本原理。

(三)GPS坐標(biāo)系

定位就需要坐標(biāo)，坐標(biāo)當(dāng)然是相對坐標(biāo)系而言的，我們描述一個物體的位置，首先就需要建立坐標(biāo)系。

按大類來分，坐標(biāo)系可以分為慣性坐標(biāo)系和非慣性坐標(biāo)系。慣性坐標(biāo)系是在空間靜止或者做勻速直線運動的坐標(biāo)系，其他都是非慣性坐標(biāo)系。

GPS涉及到的坐標(biāo)系大體有五個，在說這五大坐標(biāo)系之前，我們需要先了解一些基本概念。

基本概念

地極(Polar)：地球自轉(zhuǎn)軸與地球表面的兩個交點，北邊的叫北極，南邊的叫南極。

赤道面(Equator Plane)：通過地心并于地球自轉(zhuǎn)軸垂直的平面。

赤道(Equator)：赤道面與地球表面相交的大圓。

天球(Celestial Sphere)：天文學(xué)概念，指一個以地心為中心，半徑為任意長的假想球體。其目的是將天體沿觀測者視線投影到球面上，以便于研究天體及其相互關(guān)系。

黃道(Ecliptic)：太陽中心在天球上視運動的軌跡。即地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道平面與地球表面相交的大圓。

黃赤交角(Ecliptic Obliquity)：黃道面與赤道面的夾角，約23.5°。

春分點(Vernal Equinox)：黃道與赤道有兩個交點，其中太陽投影沿黃道從南向北通過赤道的點，稱為春分點，另一點為秋分點。

歲差(Axial Precession )：地球自轉(zhuǎn)軸長期進(jìn)動，引起春分點沿黃道西移，致使回歸年短于恒星年的現(xiàn)象。周期約為25800年。主要有日月歲差和行星歲差。

章動(Nutation )：月球在白道上運行，白道與黃道相交成5°9′的角，月球圍繞地球公轉(zhuǎn)導(dǎo)致地球在公轉(zhuǎn)軌道上左右搖擺，以18.6年為周期，這種現(xiàn)象稱為章動。

極移(Polar Wandering )：地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球并不固定，這種運動稱地極移動，簡稱極移。

子午面：(Meridian Plane)：包含地球自轉(zhuǎn)軸的平面。

本初子午面(Prime Meridian Plane)：通過英國倫敦格林尼治天文臺與地球自轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的平面，是地球上計算經(jīng)度的起始經(jīng)線。

有了這些基本概念后，就可以進(jìn)一步了解五大坐標(biāo)系了。

地心慣性坐標(biāo)系(ECI: Earth Centered Inertial)

地心慣性坐標(biāo)系是太陽系內(nèi)的一個慣性坐標(biāo)系，不隨地球而轉(zhuǎn)動，也不受地球、太陽運行的章動和歲差的影響。

坐標(biāo)原點位于地心;X軸位于赤道平面內(nèi)，指向某一特定年(歷元時刻)的太陽春分點位置;Z軸指向那一年地球北極的平均位置處;Y軸位于赤道平面內(nèi)，與X軸垂直，且與X、Z軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

由于采用的歷元時間不同，可以有各種不同的地心慣性坐標(biāo)系，目前國際上通用的地心慣性坐標(biāo)系是J2000歷元坐標(biāo)系，它是以公元2000年的春分點為基準(zhǔn)的歷元坐標(biāo)系。

地心地固直角坐標(biāo)系(ECEF: Earth Centered Earth Fixed)

地固坐標(biāo)系固定在地球上而隨地球一起在空間做公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)運動，因此地球上任一固定點在地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)就不會由于地球旋轉(zhuǎn)而變化。

坐標(biāo)原點位于地心;X軸指向參考子午面與地球赤道的交點;Z軸與地球自轉(zhuǎn)軸重合并指向地球北極;Y軸位于赤道平面內(nèi)，與X軸垂直，且與X、Z軸構(gòu)成右手直角坐標(biāo)系。

因為有極移，所以采用了協(xié)議地極，以1900年到1905年間的地極實際位置的平均值作為基準(zhǔn)點。

大地坐標(biāo)系：也叫經(jīng)緯高坐標(biāo)系(LLA: Longitude Latitude Altitude)

也是地固坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點位于地心。

基于基準(zhǔn)橢球體(基準(zhǔn)橢球體是定義的與地球幾何最吻合的橢球體)。

大地緯度 ? phi? 是過該點的基準(zhǔn)橢球面法線與赤道面的夾角。緯度值在-90°到+90°之間。北半球為正，南半球為負(fù)。

大地經(jīng)度 λ lambdaλ 是過該點的子午面與本初子午面之間的夾角。經(jīng)度值在-180°到+180°之間。