GPS全球定位的原理是什么？

分析:

GPS系统包括三个部分:空间部分——GPS卫星星座；地面控制部分-地面监控系统；用户设备部分--GPS信号接收机。

1，GPS卫星星座

一个GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记为(21+3)GPS星座。这24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上，轨道倾角为55度，轨道平面相隔60度，即轨道赤经相隔60度。每个轨道平面内的卫星之间的仰角距离为90度，一个轨道平面内的卫星比西边相邻轨道平面内的相应卫星超前30度。

在20000公里的高空，对于恒星来说，地球自转一周，它们就绕地球转一圈，也就是绕地球转一圈的时间是12恒星时。这样对于地面观测者来说，每天都会提前四分钟看到同一个GPS卫星。地平线以上的卫星数量随时间和地点而变化。最少能看到4颗卫星，最多能看到11颗卫星。在利用GPS信号进行导航定位时，为了定出站点的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这四颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定影响。在某个地方的某个时间，连精确的点坐标都无法测量。这个时间段称为“空档期”。但这个时间差很短，不影响全球大部分地区全天候、高精度、连续、实时的导航定位测量。GPS工作卫星的数量与测试卫星的数量基本相同。

2.地面监控系统

对于导航定位来说，GPS卫星是一个动态的已知点。恒星的位置是根据卫星传送的星历表计算出来的，星历表描述了卫星的运动和轨道参数。每个GPS卫星广播的星历表由地面监控系统提供。卫星上的各种设备是否正常工作，卫星是否一直沿着预定的轨道运行，都要由地面设备进行监视和控制。地面监控系统的另一个重要功能是保持所有卫星处于同一时间标准——GPS时间系统。这就需要地面站监测每颗卫星的时间，找出时钟差。然后由地面注入站发送给卫星，卫星通过导航电文发送给用户设备。GPS工作卫星地面监测系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

3.GPS信号接收器

GPS信号接收机的任务是捕获按照一定的卫星高度截止角选取的待测卫星的信号，跟踪这些卫星的运行，对接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，从而测量GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译GPS卫星发送的导航电文，实时计算出台站的三维方位、位置乃至三维速度和时间。

GPS卫星发出的导航定位信号是一种可供无数用户享用的信息资源。对于陆地、海洋、太空的广大用户来说，只要用户拥有能够接收、跟踪、转换、测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机。GPS信号可以随时用于导航和定位测量。根据使用目的的不同，用户所需的GPS信号接收机也不同。目前世界上已经有几十家工厂生产GPS接收机，产品有几百种。这些产品可以根据它们的原理、用途和功能进行分类。

在静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中是固定的。接收机高精度测量GPS信号的传播时间，利用已知的GPS卫星在轨位置，计算出接收机天线位置的三维坐标。动态定位是用GPS接收机测量运动物体的轨迹。GPS信号接收器所在的移动物体称为载体(如帆船、空中的飞机、步行车辆等。).载体上GPS接收机的天线在跟踪GPS卫星的过程中相对于地球运动，接收机利用GPS信号实时测量运动载体的状态参数(瞬时三维位置和三维速度)。

接收机硬件、内部软件和GPS数据后处理软件包构成了一个完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为两部分:天线单元和接收单元。对于测地接收机，这两个单元一般分为两个独立的部分。观测时，天线单元放在台站上，接收单元放在台站附近适当的地方。两台机组通过电缆连接成一台整机。有的还把天线单元和接收单元做成一个整体，观测时放在试验现场。

GPS接收机一般使用电池作为电源。同时使用机内机外两种DC电源。设置内置电池的目的是为了在更换外置电池时不中断连续观察。在使用外置电池的过程中，内置电池会自动充电。关机后，机器中的电池向RAM存储器供电，以防止数据丢失。

近年来，国内引进了多种类型的GPS测地接收机。当使用各种类型的GPS测地接收机进行精密相对定位时，双频接收机的精度可以达到5MM+1PPM。单频接收机的精度可以达到10MM+2PPM。在一定的距离内。差分定位的精度可以达到亚米级到厘米级。

目前，各种类型的GPS接收机越来越小，越来越轻，便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航和定位系统接收机已经问世。