1 GPS的基本介紹
GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是美國從20世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)[1]。其地面監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖。
1．1 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2所示，假設(shè)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)星星歷等其他數(shù)據(jù)可以確定以下4個方程式：
上述4個方程式中待測點坐標x，y，z和Vt0為未知參數(shù)，其中di=cti(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)。
4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(dǎo)航電文求得。Vti(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。Vt0為接收機的鐘差。
由以上4個方程即可解算出待測點的坐標x，y，z和接收機的鐘差Vt0。
目前GPS系統(tǒng)提供的定位精度低于10m，而為得到更高的定位精度，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。
1．2 GPS主要用途
GPS性能優(yōu)異，應(yīng)用范圍極廣。可以說，凡是需要導(dǎo)航和定位的部門，都可以采用GPS。GPS的建成和應(yīng)用，是導(dǎo)航技術(shù)的一場革命，影響深遠。其主要用途有：
(1)導(dǎo)航定位應(yīng)用
GPS是空中、海洋和陸地導(dǎo)航定位最先進、最理想的技術(shù)。他可以為飛機、艦船、車輛、坦克、炮兵、陸軍部隊和空降兵提供全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。他是航天飛機和載人飛船最理想的制導(dǎo)、導(dǎo)航系統(tǒng)。為其起飛、在軌運行和再入過程連續(xù)服務(wù)。
(2)精密定位應(yīng)用
應(yīng)用GPS載波相位測量技術(shù)，可以精確地測定兩點間的相對位置，為大地測量、海洋測量、航空攝影測量和地球動力學(xué)測量提供了高精度、現(xiàn)代化的測量手段。GPS已廣泛應(yīng)用于建立準確的大地基準、大地控制網(wǎng)和地殼運動監(jiān)測網(wǎng)等。
(3)精密授時、大氣研究
GPS用戶接收機通過對GPS衛(wèi)星的觀測，可獲得準確GPS時。GPS時與UTC時是同步的，因此GPS亦是當今精度的全球授時系統(tǒng)。一般接收機測時精度為100 ns；專用定時接收機可獲得更高的精度，用于遠距離時間同步可達ns級。由于UTC時有跳秒，故GPS時與UTC時有已知的整數(shù)秒差。利用GPS測定的電離層延遲和多普勒頻移延遲，可用來研究電離層的電子積分濃度、折射系數(shù)、電子濃度隨高度的分布，以及上述電離層參量在時間和空間上的相關(guān)性等。
(4)為武器精確制導(dǎo)
應(yīng)用GPS／INS組合制導(dǎo)系統(tǒng)時，GPS不斷修正導(dǎo)彈飛行中慣性導(dǎo)航誤差，提高制導(dǎo)精度，增強武器的"精確打擊"能力。在海灣戰(zhàn)爭中，GPS為提高武器的命中精度，發(fā)揮了巨大作用，故被稱為"效益倍增器"。
(5)航天與武器試驗中的應(yīng)用
GPS在各類航天器定軌和導(dǎo)彈、常規(guī)武器試驗中有著廣泛的應(yīng)用。GPS可為各類衛(wèi)星測定精密軌道。用差分GPS完成飛船的交會和對接。在武器試驗中，應(yīng)用GPS可精確測定彈道。他具有不受天氣條件、發(fā)射場區(qū)、射向、射程和發(fā)射窗口的限制；可實現(xiàn)連續(xù)、全程跟蹤測量，可跟蹤低飛和多個目標，且精度高、費用低。
GPS還可用于飛行器姿態(tài)測量。姿態(tài)測量采用GPS載波相檢測量技術(shù)。在衛(wèi)星或其他航天器的適當位置上安裝多副天線，用GPS測定各天線的精確位置，從而確定航天器的姿態(tài)。
GPS(Global Positioning System，全球定位系統(tǒng))是美國從20世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)[1]。其地面監(jiān)控系統(tǒng)的原理框圖。
1．1 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2所示，假設(shè)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)星星歷等其他數(shù)據(jù)可以確定以下4個方程式：
上述4個方程式中待測點坐標x，y，z和Vt0為未知參數(shù)，其中di=cti(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)。
4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(dǎo)航電文求得。Vti(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。Vt0為接收機的鐘差。
由以上4個方程即可解算出待測點的坐標x，y，z和接收機的鐘差Vt0。
目前GPS系統(tǒng)提供的定位精度低于10m，而為得到更高的定位精度，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。
1．2 GPS主要用途
GPS性能優(yōu)異，應(yīng)用范圍極廣。可以說，凡是需要導(dǎo)航和定位的部門，都可以采用GPS。GPS的建成和應(yīng)用，是導(dǎo)航技術(shù)的一場革命，影響深遠。其主要用途有：
(1)導(dǎo)航定位應(yīng)用
GPS是空中、海洋和陸地導(dǎo)航定位最先進、最理想的技術(shù)。他可以為飛機、艦船、車輛、坦克、炮兵、陸軍部隊和空降兵提供全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。他是航天飛機和載人飛船最理想的制導(dǎo)、導(dǎo)航系統(tǒng)。為其起飛、在軌運行和再入過程連續(xù)服務(wù)。
(2)精密定位應(yīng)用
應(yīng)用GPS載波相位測量技術(shù)，可以精確地測定兩點間的相對位置，為大地測量、海洋測量、航空攝影測量和地球動力學(xué)測量提供了高精度、現(xiàn)代化的測量手段。GPS已廣泛應(yīng)用于建立準確的大地基準、大地控制網(wǎng)和地殼運動監(jiān)測網(wǎng)等。
(3)精密授時、大氣研究
GPS用戶接收機通過對GPS衛(wèi)星的觀測，可獲得準確GPS時。GPS時與UTC時是同步的，因此GPS亦是當今精度的全球授時系統(tǒng)。一般接收機測時精度為100 ns；專用定時接收機可獲得更高的精度，用于遠距離時間同步可達ns級。由于UTC時有跳秒，故GPS時與UTC時有已知的整數(shù)秒差。利用GPS測定的電離層延遲和多普勒頻移延遲，可用來研究電離層的電子積分濃度、折射系數(shù)、電子濃度隨高度的分布，以及上述電離層參量在時間和空間上的相關(guān)性等。
(4)為武器精確制導(dǎo)
應(yīng)用GPS／INS組合制導(dǎo)系統(tǒng)時，GPS不斷修正導(dǎo)彈飛行中慣性導(dǎo)航誤差，提高制導(dǎo)精度，增強武器的"精確打擊"能力。在海灣戰(zhàn)爭中，GPS為提高武器的命中精度，發(fā)揮了巨大作用，故被稱為"效益倍增器"。
(5)航天與武器試驗中的應(yīng)用
GPS在各類航天器定軌和導(dǎo)彈、常規(guī)武器試驗中有著廣泛的應(yīng)用。GPS可為各類衛(wèi)星測定精密軌道。用差分GPS完成飛船的交會和對接。在武器試驗中，應(yīng)用GPS可精確測定彈道。他具有不受天氣條件、發(fā)射場區(qū)、射向、射程和發(fā)射窗口的限制；可實現(xiàn)連續(xù)、全程跟蹤測量，可跟蹤低飛和多個目標，且精度高、費用低。
GPS還可用于飛行器姿態(tài)測量。姿態(tài)測量采用GPS載波相檢測量技術(shù)。在衛(wèi)星或其他航天器的適當位置上安裝多副天線，用GPS測定各天線的精確位置，從而確定航天器的姿態(tài)。