?GPS(全球定位系統(tǒng))設計?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)星的核心設備是高精度原子鐘，用于確定系統(tǒng)時間標準?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，負責監(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)測站負責通過接收機對GPS進行連續(xù)觀測和數據采集，同時采集當地的氣象數據，處理后返還主控站?1。

用戶設備部分

用戶設備部分主要是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)，結合多普勒效應和偽隨機噪聲碼，解算出接收機的三維坐標和一個鐘差，從而實現定位?12。

技術參數和設計特點

?衛(wèi)星數量?：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。

?信號到達時間?：約70毫秒。

?核心設備?：高精度原子鐘用于確定系統(tǒng)時間標準。

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

(一)GPS基礎原理

GPS，全稱Global Positioning System，已經廣泛應用于我們的日常生活中了，現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。

地面站負責監(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)星去轉播。

衛(wèi)星負責向地面發(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，中學幾何知識就夠了。把接收機抽象成一個質點X，三個衛(wèi)星抽象成質點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，根據計算結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信號內容算出來，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。

至此，若用方程來表示，設接收機的位置坐標為(x, y, z)，衛(wèi)星位置坐標分別為(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基礎原理中提到了一個鐘差的概念，并沒有細說。

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)。有以地球自轉為基礎的世界時(UT)，有以原子鐘為基礎的國際原子時(TAI)，還有兩者折中的協調世界時(UTC)。目前，幾乎所有國家的標準時間都采用協調世界時。

然而GPS系統(tǒng)并沒有采用協調世界時，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(周數)和周內秒來表示時間。

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時間的零時刻與協調世界時的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秒加一個秒內偏差。美國會控制GPS時間使這個秒內偏差小于1微秒，一般在幾百納秒之內。

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)的導航電文中，在遙測字(TLW: Telemetry Word)和交接字(HOW: HandOver Word)中與時間相關的數據都是基于衛(wèi)星時間，而其他的數據都是基于GPS時間。

GPS時間與協調時的差異參數由導航電文給出，在導航電文第4子幀第18頁。這些參數由地面站負責更新，至少每6天更新一次，否則準確性會隨時間流逝而下降。

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

這樣GPS時間和衛(wèi)星時間還有協調時三者就聯系起來了，可以互相推導出來。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。

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

(三)GPS坐標系

定位就需要坐標，坐標當然是相對坐標系而言的，我們描述一個物體的位置，首先就需要建立坐標系。

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

GPS涉及到的坐標系大體有五個，在說這五大坐標系之前，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 )：地球自轉軸長期進動，引起春分點沿黃道西移，致使回歸年短于恒星年的現象。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，月球圍繞地球公轉導致地球在公轉軌道上左右搖擺，以18.6年為周期，這種現象稱為章動。

極移(Polar Wandering )：地球自轉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軸構成的平面，是地球上計算經度的起始經線。

有了這些基本概念后，就可以進一步了解五大坐標系了。

地心慣性坐標系(ECI: Earth Centered Inertial)

地心慣性坐標系是太陽系內的一個慣性坐標系，不隨地球而轉動，也不受地球、太陽運行的章動和歲差的影響。

坐標原點位于地心;X軸位于赤道平面內，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，與X軸垂直，且與X、Z軸構成右手直角坐標系。

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系，目前國際上通用的地心慣性坐標系是J2000歷元坐標系，它是以公元2000年的春分點為基準的歷元坐標系。

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

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

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

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

大地坐標系：也叫經緯高坐標系(LLA: Longitude Latitude Altitude)

也是地固坐標系。坐標原點位于地心。

基于基準橢球體(基準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。

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