gps全球定位系统原理

全球定位系统（Global Positioning System，GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空全方位进行实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。因其在1991年的海湾战争中发挥了不可估量的作用，引起世界各国的重视。我国测绘等部门经过多年的使用表明，GPS具帶天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，它的使用给测绘领域带来了一场深刻的技术革命。

GPS系统包括三大部分：GPS卫星星座、地面监控系统和用户设备GPS信号接收机。其中，GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作（21+3）GPS星座。这24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，在两万公里的高空，每12恒星时绕地球一周。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。

对于导航定位来说，GPS卫星是一个动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。由地面监控系统提供每颗GPS卫星的星历，并保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间，再用卫星导航电文发给用户设备。GPS信号接收机的任务是：捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对接收到的GPS时间信号进行变换、放大和处理，以便测量出从卫星到接收机天线的传播时间。静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中位置固定不变，由于能高精度地测量GPS信号的传播时间，从而可计算出卫星到接收机的距离，再利用GPS卫星在轨的已知位置，即可解算出接收机所在位置的三维坐标。如图4.16所示，测得接收点到卫星的距离，就可确定该接收点一定在以卫星为球心、所得距离为半径作球面交于地球球面而得的圆周上。通过第二个卫星得到另一个圆周，那么该接收点即在两个圆周的交线上。动态用GPs动物体的运行

从GPs的基本原理可知，GPS的定位精度主要决定于GPS时间信号的精度。根据广义相对论，引力大的地方时钟走得慢，地球表面处的引力大于距地面两万多公里的卫星处的引力，因此地面上的时钟比卫星上的时钟走得慢，两者相差

（当然还存在相对论的运动学效应，即运动速度大的时钟走得慢，但此处该效应只有10-1量级，因此引力效应是主要的）由于卫星与地面接收机相距两万多公里，所以即使有微小的误差，也会引起对应的地面距离有较大的误差。如图4.17所示，设卫星到接收机的实际距离为l0=cr，对应于地面上的A点，由于引力效应，卫星处的钟比地面上的钟走得快些，因此地面上的钟与卫星发射GPS时间信号时的时间差会减

小，接收机会误以为自己处于A'点，且有OA'=l0-c△t，由此引起的地面定位误差为AA'=、l6-（10-c△t）2≈lo、2c△t/l0≈0.5×10-4l0≈1（公里）。

也就是说，10-9量级的广义相对论效应会引起全球定位系统约1公里的定位误差，相距1公里的两点对于没有经过广义相对论效应修正的GPS是不能区分的。经过广义相对论效应修正后的GPS精度可在1米以内。