?GPS(全球定位系統(tǒng))設(shè)計(jì)?主要包括三個(gè)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(gè)軌道上，每個(gè)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(yùn)行周期為11小時(shí)58分鐘。衛(wèi)星信號(hào)大約需要70毫秒即可到達(dá)地面。每顆衛(wèi)星都有一個(gè)獨(dú)特的SVM(空間飛行器編號(hào))和不同的PRN(偽隨機(jī)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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)?1。

地面監(jiān)控部分

地面監(jiān)控部分包括一個(gè)主控站、四個(gè)注入站和六個(gè)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(yùn)行軌道，計(jì)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(jī)對GPS進(jìn)行連續(xù)觀測和數(shù)據(jù)采集，同時(shí)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(jī)，它接收衛(wèi)星信號(hào)，從信號(hào)中獲取衛(wèi)星的運(yùn)行軌道等信息，通過計(jì)算來確定自身的位置。定位的基本原理是通過測量接收機(jī)到至少四顆衛(wèi)星的距離(利用信號(hào)傳播時(shí)間計(jì)算)，結(jié)合多普勒效應(yīng)和偽隨機(jī)噪聲碼，解算出接收機(jī)的三維坐標(biāo)和一個(gè)鐘差，從而實(shí)現(xiàn)定位?12。

技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)特點(diǎn)

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

?軌道高度?：平均20,200公里。

?運(yùn)行周期?：11小時(shí)58分鐘。

?信號(hào)到達(dá)時(shí)間?：約70毫秒。

?核心設(shè)備?：高精度原子鐘用于確定系統(tǒng)時(shí)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(jī)噪聲碼進(jìn)行定位計(jì)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(jī)里都會(huì)自帶GPS定位功能。這是一個(gè)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(gè)GPS系統(tǒng)分三大部分：地面站、衛(wèi)星和接收機(jī)。

地面站負(fù)責(zé)監(jiān)控。它們通過接收、測量各個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，計(jì)算衛(wèi)星的運(yùn)行軌道，并將衛(wèi)星的運(yùn)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(hào)，為廣播形式。

接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，從衛(wèi)星信號(hào)中獲取衛(wèi)星的運(yùn)行軌道等信息，通過計(jì)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(jī)。

定位的基本原理其實(shí)很簡單，中學(xué)幾何知識(shí)就夠了。把接收機(jī)抽象成一個(gè)質(zhì)點(diǎn)X，三個(gè)衛(wèi)星抽象成質(zhì)點(diǎn)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(gè)球面，3個(gè)球面相交于兩點(diǎn)，其中一點(diǎn)就是接收機(jī)所在位置(因?yàn)榻邮諜C(jī)肯定在地面附近，根據(jù)計(jì)算結(jié)果很容易排除另一點(diǎn))。

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

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

這里還有一個(gè)問題，因?yàn)楦鞣N原因，接收機(jī)的時(shí)間和GPS衛(wèi)星的時(shí)間通常不同步，于是在計(jì)算時(shí)間時(shí)會(huì)多一個(gè)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(gè)方程，解出4個(gè)未知數(shù)。

至此，若用方程來表示，設(shè)接收機(jī)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(jī)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(shí)間

前面GPS基礎(chǔ)原理中提到了一個(gè)鐘差的概念，并沒有細(xì)說。

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

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

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

GPS時(shí)間是連續(xù)的。

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

GPS時(shí)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(shí)間的零時(shí)刻與協(xié)調(diào)世界時(shí)的1980年1月6日(是個(gè)星期天)零時(shí)刻同步。

GPS時(shí)間落后國際原子時(shí)19秒加一個(gè)秒內(nèi)偏差。美國會(huì)控制GPS時(shí)間使這個(gè)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(shí)間，每顆衛(wèi)星都是按照自己本身的時(shí)鐘在運(yùn)行，而由GPS地面站來保證衛(wèi)星時(shí)間與GPS時(shí)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(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)都是基于衛(wèi)星時(shí)間，而其他的數(shù)據(jù)都是基于GPS時(shí)間。

GPS時(shí)間與協(xié)調(diào)時(shí)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(huì)隨時(shí)間流逝而下降。

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

時(shí)間關(guān)系確定，誤差保持在一定范圍，就可以用于計(jì)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(gè)，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(gè)交點(diǎn)，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(gè)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)(Vernal Equinox)：黃道與赤道有兩個(gè)交點(diǎn)，其中太陽投影沿黃道從南向北通過赤道的點(diǎn)，稱為春分點(diǎn)，另一點(diǎn)為秋分點(diǎn)。

歲差(Axial Precession )：地球自轉(zhuǎn)軸長期進(jìn)動(dòng)，引起春分點(diǎn)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(dòng)(Nutation )：月球在白道上運(yùn)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(dòng)。

極移(Polar Wandering )：地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球并不固定，這種運(yùn)動(dòng)稱地極移動(dòng)，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(tái)與地球自轉(zhuǎn)軸構(gòu)成的平面，是地球上計(jì)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(gè)慣性坐標(biāo)系，不隨地球而轉(zhuǎn)動(dòng)，也不受地球、太陽運(yùn)行的章動(dòng)和歲差的影響。

坐標(biāo)原點(diǎn)位于地心;X軸位于赤道平面內(nèi)，指向某一特定年(歷元時(shí)刻)的太陽春分點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(yùn)動(dòng)，因此地球上任一固定點(diǎn)在地球坐標(biāo)系的坐標(biāo)就不會(huì)由于地球旋轉(zhuǎn)而變化。

坐標(biāo)原點(diǎn)位于地心;X軸指向參考子午面與地球赤道的交點(diǎn);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?yàn)橛袠O移，所以采用了協(xié)議地極，以1900年到1905年間的地極實(shí)際位置的平均值作為基準(zhǔn)點(diǎn)。

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(diǎn)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(diǎn)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?yàn)檎习肭驗(yàn)樨?fù)。

大地經(jīng)度 λ lambdaλ 是過該點(diǎn)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。