GNSS｜全球定位系統（GPS）
自己挖的坑，
含着淚也要填了！
今天，
小編就帶大家一起
近距離的瞭解GPS。
0 什麼是GPS
GPS的英文全稱是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System，簡稱GPS，有時也被稱作NAVSTAR GPS，意爲導航衛星測時和測距全球定位系統，或簡稱全球定位系統。
GPS是由美國控制的，在全世界範圍內向用戶提供實時、連續、穩定、全天候的導航定位和精確授時服務。
1 GPS組成
GPS組成
圍繞地球的衛星（空間段）
地面上的監控站（地面控制段）
用戶擁有的接收機（用戶段）
空間段
GPS空間段由6條軌道組成，每條軌道至少4顆衛星，至少24顆衛星構成星座，目前在軌32顆衛星。衛星運行週期爲半個平恆星日，約爲11小時58分，保證在任一時刻、任一地點高度角15度以上都能夠觀測到4顆以上的衛星。
空間衛星的功能
✪將導航電文（衛星星曆）通過衛星信號傳送給用戶
✪提供發射信號的時間基準
✪根據地面控制段提供的控制指令控制衛星的姿態和軌道
地面控制段
地面控制段由主控站（1個），監測站（6個）和注入站（4個）組成。
地面控制段的功能
地面控制段的主要作用是編算導航電文（衛星星曆），保持GPS系統時間同步，監測和控制衛星運行。
主控站：從各個監控站收集衛星數據，計算衛星星曆和時鐘修正參數等，並通過注入站注入衛星；向衛星發佈指令，控制衛星；當衛星出現故障時，調度備用衛星。
監測站：接收衛星信號，監測衛星運行狀態，收集天氣數據，將這些信息傳送給主控站。
注入站：將主控站計算的導航電文及時鐘修正參數等注入衛星。
分佈情況
主控站：位於美國科羅拉多州（Colorado）的Schriever空軍基地。
注入站：阿松森羣島（Ascencion），大西洋；迭戈加西亞（Diego Garcia），印度洋；卡瓦加蘭（Kwajalein），東太平洋; 卡拉維拉爾角（Cape Canaveral），弗羅裏達州。
監測站：1個與主控站在一起；4個與注入站在一起；還有一個在夏威夷（Hawaii），西太平洋。
用戶段
GPS用戶設備部分包含GPS接收器及相關設備。
功能
✪接收處理GPS衛星信號
✪計算位置、速度和時間
2 GPS服務：SPS和PPS
GPS系統針對不同用戶提供兩種不同類型的服務。
一種是標準定位服務(SPS–Standard Positioning Service)，
另一種是精密定位服務(PPS–Precision Positioning Service)。
SPS主要面向全世界的民用用戶。
PPS主要面向美國及其盟國的軍事部門以及民用的特許用戶。
3 GPS信號
信號組成
數據碼（載有導航電文）
測距碼（僞隨機碼PRN）
載波信號（調製到L波段上發送衛星信號）
GPS衛星發射載波信號的頻率有三種：
在L1和L2上又分別調製着多種信號，這些信號主要有：
C/A碼
C/A碼最初並不是設計來定位的，而是用來幫助捕獲P碼的，因此C/A碼又被稱爲捕獲碼或者粗碼。C/A碼屬於民用碼測距碼，被調製在L1載波上，是1MHz的僞隨機碼（PRN碼）。由於每顆衛星的C/A 碼都不一樣，因此，經常用它們的PRN號來區分。C/A碼是普通用戶用以測定測站到衛星間的距離的一種主要信號。
P（Y）碼
P碼又被稱爲精碼，它被調製在L1和L2載波上，是10MHz的僞隨機碼。P碼與W碼進行模二相加生成保密的Y碼。P（Y）碼是一種結構保密的軍用碼，美國政府不提供給一般GPS 民用用戶使用。
導航電文
導航電文是由衛星播發給用戶的描述衛星運行狀態參數的電文，被調製在L1載波上，其信號頻率爲50Hz，包括系統時間、星曆、曆書、衛星時鐘的修正參數、導航衛星健康狀況和電離層延時模型參數等內容。導航電文包括曆書數據和廣播星曆兩種衛星星曆。
衛星星曆是導航電文數據中描述衛星運行的主體內容，由地面主控站產生，由衛星轉發給用戶接受機。
4 僞碼測距原理
GPS衛星通過L1載波發送含有星曆數據的C/A碼，接收機接收後經過捕獲、跟蹤、解碼解析出衛星的星曆數據。
捕獲、跟蹤的同時，測得衛星到接收機的到達時間，即可測得衛星到接收機的僞距。
四星定位
由於衛星的位置精確，且可獲得衛星到接收機的僞距，根據三維座標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X,Y,Z）。考慮到衛星的時鐘與接收機時鐘之間的時鐘誤差，每個位置的三個變量和時鐘偏差組成的四個未知變量，實際上有4個未知數，X、Y、Z和時鐘誤差（T）。此時需要引入第4顆衛星，形成4個僞距方程。因此，僞碼測距至少需要四顆衛星來定位。
事實上，接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星，此時，接收機可按衛星的星座分佈分成若干組，每組4顆，然後通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。
5 GPS測量誤差
GPS衛星離地面的平均高度約爲20200km，在GPS信號的傳播和接收過程中，必然會受到各種因素的影響，那麼，GPS定位精度的影響因素主要有哪些呢？
與衛星有關的誤差
✪SA（Selective Availability）
SA干擾技術是在民用C/A碼上加入人爲干擾（抖動時鐘和或星曆）來降低廣播星曆精度，降低普通用戶利用GPS進行導航定位定時精度，降低SPS服務質量。
美國政府已於2000年5月1日宣佈暫停使用SA。
✪衛星星曆誤差
在進行GPS定位時，計算在某時刻GPS衛星位置所需的衛星軌道參數是通過各種類型的星曆提供的，但不論採用哪種類型的星曆，所計算出的衛星位置都會與其真實位置有所差異，這就是所謂的星曆誤差。
✪衛星星鍾誤差
衛星採用的原子鐘與GPS時間之間存在變化的頻偏、頻漂，導致二者不同步的誤差。
與傳播途徑相關的誤差
✪電離層延遲誤差
由於地球周圍的電離層對電磁波的折射效應以及電子密度分佈不均，GPS信號通過電離層時傳播路徑發生彎曲，速度發生變化，稱爲電離層延遲誤差。
✪對流層延遲誤差
對流層獲得地面輻射能量，溫度垂直分佈不均，GPS信號通過對流層時傳播路徑發生彎曲、速度發生變化，稱爲對流層延遲誤差。
✪多路徑效應誤差
由於接收機周圍環境的影響，使得接收機所接收到的衛星信號中還包含有各種反射和折射信號的影響，從而產生測距誤差。
與接收機相關的誤差
✪接收機時鐘誤差
用戶GPS接收機所使用的時鐘與衛星原子時鐘之間存在時間同步差異。
✪觀測誤差
用戶GPS接收機系統分辨率及天線的安裝精度等引起的誤差。
6 差分技術（DGPS）
由於衛星運行軌道、衛星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，使得民用GPS的定位精度不高。爲提高定位精度，普遍採用差分GPS(DGPS）技術，建立基準站（差分臺）進行GPS觀測。
DGPS技術的實質：星鍾誤差、星曆誤差、電離層延遲誤差和對流層延遲誤差等具有空間相關性和時間相關性。即同一時間、處於同一區域內的不同接收機來自同一組衛星的觀測值，其包含的這四種誤差成分近似相等或相關。兩基準站之間基線距離越近，時空相關性越強，消除的誤差越多。
這期內容到此結束，
希望能對您有所幫助！
最後的最後，
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