GNSS｜全球定位系统（GPS）
自己挖的坑，
含着泪也要填了！
今天，
小编就带大家一起
近距离的了解GPS。
0 什么是GPS
GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System，简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS，意为导航卫星测时和测距全球定位系统，或简称全球定位系统。
GPS是由美国控制的，在全世界范围内向用户提供实时、连续、稳定、全天候的导航定位和精确授时服务。
1 GPS组成
GPS组成
围绕地球的卫星（空间段）
地面上的监控站（地面控制段）
用户拥有的接收机（用户段）
空间段
GPS空间段由6条轨道组成，每条轨道至少4颗卫星，至少24颗卫星构成星座，目前在轨32颗卫星。卫星运行周期为半个平恒星日，约为11小时58分，保证在任一时刻、任一地点高度角15度以上都能够观测到4颗以上的卫星。
空间卫星的功能
✪将导航电文（卫星星历）通过卫星信号传送给用户
✪提供发射信号的时间基准
✪根据地面控制段提供的控制指令控制卫星的姿态和轨道
地面控制段
地面控制段由主控站（1个），监测站（6个）和注入站（4个）组成。
地面控制段的功能
地面控制段的主要作用是编算导航电文（卫星星历），保持GPS系统时间同步，监测和控制卫星运行。
主控站：从各个监控站收集卫星数据，计算卫星星历和时钟修正参数等，并通过注入站注入卫星；向卫星发布指令，控制卫星；当卫星出现故障时，调度备用卫星。
监测站：接收卫星信号，监测卫星运行状态，收集天气数据，将这些信息传送给主控站。
注入站：将主控站计算的导航电文及时钟修正参数等注入卫星。
分布情况
主控站：位于美国科罗拉多州（Colorado）的Schriever空军基地。
注入站：阿松森群岛（Ascencion），大西洋；迭戈加西亚（Diego Garcia），印度洋；卡瓦加兰（Kwajalein），东太平洋; 卡拉维拉尔角（Cape Canaveral），弗罗里达州。
监测站：1个与主控站在一起；4个与注入站在一起；还有一个在夏威夷（Hawaii），西太平洋。
用户段
GPS用户设备部分包含GPS接收器及相关设备。
功能
✪接收处理GPS卫星信号
✪计算位置、速度和时间
2 GPS服务：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)。
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。
3 GPS信号
信号组成
数据码（载有导航电文）
测距码（伪随机码PRN）
载波信号（调制到L波段上发送卫星信号）
GPS卫星发射载波信号的频率有三种：
在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：
C/A码
C/A码最初并不是设计来定位的，而是用来帮助捕获P码的，因此C/A码又被称为捕获码或者粗码。C/A码属于民用码测距码，被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机码（PRN码）。由于每颗卫星的C/A 码都不一样，因此，经常用它们的PRN号来区分。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信号。
P（Y）码
P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机码。P码与W码进行模二相加生成保密的Y码。P（Y）码是一种结构保密的军用码，美国政府不提供给一般GPS 民用用户使用。
导航电文
导航电文是由卫星播发给用户的描述卫星运行状态参数的电文，被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包括系统时间、星历、历书、卫星时钟的修正参数、导航卫星健康状况和电离层延时模型参数等内容。导航电文包括历书数据和广播星历两种卫星星历。
卫星星历是导航电文数据中描述卫星运行的主体内容，由地面主控站产生，由卫星转发给用户接受机。
4 伪码测距原理
GPS卫星通过L1载波发送含有星历数据的C/A码，接收机接收后经过捕获、跟踪、解码解析出卫星的星历数据。
捕获、跟踪的同时，测得卫星到接收机的到达时间，即可测得卫星到接收机的伪距。
四星定位
由于卫星的位置精确，且可获得卫星到接收机的伪距，根据三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的时钟误差，每个位置的三个变量和时钟偏差组成的四个未知变量，实际上有4个未知数，X、Y、Z和时钟误差（T）。此时需要引入第4颗卫星，形成4个伪距方程。因此，伪码测距至少需要四颗卫星来定位。
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，此时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。
5 GPS测量误差
GPS卫星离地面的平均高度约为20200km，在GPS信号的传播和接收过程中，必然会受到各种因素的影响，那么，GPS定位精度的影响因素主要有哪些呢？
与卫星有关的误差
✪SA（Selective Availability）
SA干扰技术是在民用C/A码上加入人为干扰（抖动时钟和或星历）来降低广播星历精度，降低普通用户利用GPS进行导航定位定时精度，降低SPS服务质量。
美国政府已于2000年5月1日宣布暂停使用SA。
✪卫星星历误差
在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。
✪卫星星钟误差
卫星采用的原子钟与GPS时间之间存在变化的频偏、频漂，导致二者不同步的误差。
与传播途径相关的误差
✪电离层延迟误差
由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应以及电子密度分布不均，GPS信号通过电离层时传播路径发生弯曲，速度发生变化，称为电离层延迟误差。
✪对流层延迟误差
对流层获得地面辐射能量，温度垂直分布不均，GPS信号通过对流层时传播路径发生弯曲、速度发生变化，称为对流层延迟误差。
✪多路径效应误差
由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，从而产生测距误差。
与接收机相关的误差
✪接收机时钟误差
用户GPS接收机所使用的时钟与卫星原子时钟之间存在时间同步差异。
✪观测误差
用户GPS接收机系统分辨率及天线的安装精度等引起的误差。
6 差分技术（DGPS）
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，使得民用GPS的定位精度不高。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测。
DGPS技术的实质：星钟误差、星历误差、电离层延迟误差和对流层延迟误差等具有空间相关性和时间相关性。即同一时间、处于同一区域内的不同接收机来自同一组卫星的观测值，其包含的这四种误差成分近似相等或相关。两基准站之间基线距离越近，时空相关性越强，消除的误差越多。
这期内容到此结束，
希望能对您有所帮助！
最后的最后，
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