GPS导航综述报告
学号：1010200219，姓名：赵玲
摘要：本文针对GPS导航技术，由GPS的发展历程进一步介绍了GPS系统的组成部分，基本工作原理和定位方法。最后，在此基础上指出GPS的特点，并根据其特点列举了GPS的应用领域。
关键词：GPS导航、定位、测距
一.引言
导航的定义是“使运载体或人员从一个地方到另一个地方的科学”。在日常生活中，我们每一个人都会进行某种形式的导航。驱车去上班或步行去商店需要我们使用基本的导航技能。对于我们大多数人来说这些技能需要我们的眼睛、常识和地标。然而在一些情况下，需要更精确的知道我们的位置、预期的航向或达到期望目的地所需的时间，此时便需要不同于地标的导航装置。这些导航装置也许是一个简单的时钟，以确定经过已知距离的速度；或者是汽车的里程表，以随时保持行驶的距离。其他一些导航装置要发射电子信号，因而更复杂一些。
这些导航装置称为无线电导航装置。
全球卫星定位系统（Global Positioning System 简称 GPS）是随着现代航天及无线电通讯科学技术的发展建立起来的一个高精度、全天候和全球性的无线电导航定位、定时的多功能系统。它利用位于距地球2万多公里高的由24颗人造卫星组成的卫星网（即所谓“天网”），向地球不断发射定位及时间信号。地球上的任何一个GPS接收机，只要接收到四颗以上的卫星发出的信号，经过计算处理后，就可报出GPS接收机（目标）的位置（经度、纬度、高度）、时间和运动状态（速度、航向）。数据会适时地通过无线通讯网链传送至主控制基地中心，而后面具有强大地理信息处理、查询功能的电子地图上进行运动轨迹的显示，并能对准确位置、速度、运动方向、车辆状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询，以确保车辆的安全，方便调度管理，提高远营效率。该系统适用于公安、银行、部队、机场对车辆的监控和调度管理。
二.发展历程
1958年底美国海军武器实验室就着手建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System－NNSS）。该系统中，卫星的轨道都通
过地极，故也称“子午（Transit）卫星系统”。1964年该系统建成，并在美国军方启用。
1973年美国国防部便开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划。这就是目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NAVSTAR / GPS），简称“全球定位系统”（GPS）。
GPS计划经历了方案论证（1974～1978年），系统论证（1979～1987年），试验生产（1988～1993年）三个阶段，总投资300亿美元。整个系统分为卫星星座、地面监测控制系统和用户设备三大部分。论证阶段发射了11颗BlockⅠ型GPS实验卫星（设计使用寿命为5年）；在试验生产阶段发射了28颗BlockⅡ型和BlockⅡA型GPS工作卫星（第二代卫星的设计使用寿命为7.5年）；第三代改善型GPS卫星BlockⅡR和BlockⅢ型GPS工作卫星从90年代末开始发射计划发射20颗，以逐步取代第二代GPS工作卫星，改善全球定位系统。
鉴于国际卫星导航系统GNSS的迅速发展，以及现行GPS系统的完整性、连续性、可行性和抗干扰性能有待改进的事实，美国政府决心对GPS系统核心部分进行现代化，主要包括：增加GPS两个新的民用频率，提高GPS卫星集成度，增强GPS无线电信号强度，改进导航电文、改善导航定位精度、提高可靠性和强化GPS抗干扰能力。
三.GPS系统组成
由三大部分组成，即空间部分（GPS卫星星座）、地面监控部分、用户设备部分。如图3.1所示：
图3.1 GPS系统组成
1、空间部分
GPS系统的空间部分是指GPS工作卫星星座，其由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在6个地心轨道平面内，每个轨道面4颗卫星。各轨道接近于圆形，而且沿赤道以60°间隔均匀分布，相对于赤道面的倾斜角额定55°，轨道半径（即从地球质
心到卫星的额定距离）大约为26600km。卫星运行周期为11小时58分（恒星时），同一轨道上的各卫星的升交角距为90°。GPS卫星的上述时空配置，基本保证了地球上任何地点，在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，以满足地面用户实时全天候精密导航和定位。
GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg，两侧各安装两块双叶太阳能电池板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星带有四台高精度原子钟，其中2台为铷钟，2台为铯钟。GPS卫星上设有微处理机，可以进行必要的数据处理工作，它主要的3个基本功能：根据地面监控指令接收和储存由地面监控站发来的导航信息，调整卫星姿态、启动备用卫星；向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息；通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。
2、地面监控部分
由5个地面站组成。1个主控站，其位于美国本土科罗拉多斯平土（Colorado Spings）的联合空间执行中心CSOC，3个注入站，其分别设在印度洋的迭哥加西、南大西洋的阿松森岛和南太平洋的卡瓦加兰。5个监控站，其中4个与主控站、注入站重叠，另外一个设在夏威夷。
主控站的主要任务为：根据各监控站提供的观测资料推算编制各颗卫星的星历、卫星钟差、和大气层修正参数并把这些数据传送到注入站；提供GPS系统的时间标准；调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；启用备用卫星以取代失效的工作卫星。注入站的主要任务为：在主控站的控制下，把主控站传来的各种数据和指令等正确并适时地注入到相应卫星的存储系统。监测站的主要任务为：给主控站编算导航电文提供观测数据，每个监控站均用GPS信号接收机，对每颗可见卫星每6秒钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，并采集气象要素等数据。
汽车gps导航系统3、用户设备部分
即GPS信号接收机，由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成。其主要功能是接收GPS卫星发射的信号，获得必要的导航和定位信息及观测量，根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息[3]。
四.基本工作原理及定位方法
4.1 到达时间（TOA）测距原理
GPS利用到达时间（TOA）测距原理来确定用户的位置。这种原理需要测量信号从已知的发射源发出至到达用户接收机所经历的时间。将这个信号传播时间乘以信号的速度，便得到从发射源到接收机的距离。接收机通过测量从多个位置已知的发射源所广播的信号的传播时间，利用多球相交于一点的原理便能通过几何计算确定自己的位置[1]。如图4.1所示：