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GPS定位原理概述(GPS系统构成、信号组成、SPS和PPS)

简介

GPS(Global Positioning System)即全球定位系统,是由美国建立的一个卫星导航定位系统,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。

第1节GPS的组成

GPS(Global Positioning System)即全球定位系统,是由美国建立的一个卫星导航定位系统,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。

GPS计划始于1973年[Huang1],已于1994年进入完全运行状态(FOC[1])。[Huang2]GPS的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成:

n空间部分

GPS的空间部分是由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颗为可用于导航的卫星,3颗为活动的备用卫星[2]。这24颗卫星分布在6个倾角为55°的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时。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的。

n控制部分

GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成,根据其作用的不同,这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个,位于美国克罗拉多(Colorado)的法尔孔(Falcon)空军基地,它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据,计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等,并将这些数据通过注入站注入到卫星中去;同时,它还对卫星进行控制,向卫星发布指令,当工作卫星出现故障时,调度备用卫星,替代失效的工作卫星工作;另外,主控站也具有监控站的功能。监控站有五个,除了主控站外,其它四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein),监控站的作用是接收卫星信号,监测卫星的工作状态;注入站有三个,它们分别位于阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein),注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

n用户部分

GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的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。

以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。

第二节 GPS信号组成

GPS卫星发射两种频率的载波信号,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:

nC/A码

C/A码又被称为粗捕获码,它被调制在L1载波上,是1MHz的伪随机噪声码(PRN码),其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样,因此,我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。

nP码

P码又被称为精码,它被调制在L1和L2载波上,是10MHz的伪随机噪声码,其周期为七天。在实施AS时,P码与W码进行模二相加生成保密的Y码,此时,一般用户无法利用P码来进行导航定位。

nY码

见P码。

n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。

第3节SPS和PPS

GPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPS–Standard Positioning Service),另一种是精密定位服务(PPS–Precision Positioning Service)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供,标准定位服务由标准定位子系统(SPS–Standard Positioning System)提供,精密定位服务则由精密定位子系统(PPS–Precision Positioning System)提供。SPS主要面向全世界的民用用户。PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。

一、SPS

SPS – Standard Positioning Service(标准定位服务)是供普通民用用户使用的。世界上的任何民用用户都可以免费且不受限制地使用该类定位服务。绝大多数的GPS接收机都具有接收SPS信号的能力,美国国防部通过采用SA有意识地降低了SPS的定位精度。

SPS的估计精度为:

n水平精度:100 m

n垂直精度:156 m

n时间精度:340 ns[1]

二、PPS

PPS – Precision Positioning Service(精密定位服务)是供经过美国政府授权的用户使用的。这类用户包括美国及其盟国的军事部门、某些美国政府部门、以及一些经过挑选并通过美国政府特别批准的民用用户。使用PPS需要采用加密设备、密钥以及专用的接收机。

PPS的估计精度为:

n水平精度:22 m

垂直精度:27.7 m

时间精度:100 ns

[1]ns:纳秒,10-9秒。

 

原文来自头条号测绘联盟 

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