第二章GPS导航定位系统的组成和原理2.1卫星定位系统的发展概述1957年10月4日，前苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星后，人们就开始利用卫星进行定位和导航的研究。卫星定位技术是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。2.1.1早期的卫星定位技术早期，人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标，由地面上的观测站对卫星的瞬间位置进行摄影测量，测定测站点至卫星的方向，建立卫星三角网。同时也可利用激光技术测定观测站至卫星的距离，建立卫星测距三角网。1966至1972年期间，美国国家大地测量局在英国和联邦德国测绘部门的协作下，用卫星三角测量方法测设了一个具有45个测站点的全球三角网，获得了±5m的点位精度。然而，由于卫星三角测量受天气和可见条件影响，观测和成果换算需耗费大量的时间，同时定位精度不甚理想，并且不能得到点位的地心坐标。2.1.2卫星多普勒定位系统1958年12月，美国海军武器实验室和詹斯·霍普金斯大学物理实验室开始研制一种卫星导航系统，称之为美国海军导航卫星系统，简称NNSS系统。1959年9月美国发射了第一颗实验性卫星，到1961年11月，先后发射了9颗试验性导航卫星。从1963年12月起，陆续发射了由6颗卫星组成的子午卫星星座，1964年该系统建成并投入使用。在这一系统中，由于卫星轨道面通过地极，所以又被称为子午卫星导航系统。2.1.3第二代卫星导航定位系统1．GPS卫星定位系统1973年12月，美国国防部批准美国海陆空三军联合研制新一代卫星导航系统，即为目前的全球定位系统，简称为GPS系统。1978年2月22日，第一颗GPS实验卫星发射成功。1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功。1994年3月28日完成第24颗工作卫星的发射工作。2．GLONASS卫星定位系统前苏联自1982年10月，开始研制发射第二代导航卫星——GLONASS卫星，至1996年共发射24+1颗卫星，经数据加载，调整和检验，于1996年1月18日系统正式运行，主要为军用。1999年底补网发射了3颗卫星，至2000年初，该系统只有7颗卫星保持连续工作。2000年10月补网又发射了3颗卫星。到2001年3月GLONASS系统中有13颗健全的卫星。从2004年后，GLONASS系统基本上进入了较好的运营状态。3．伽利略全球卫星导航系统欧盟在1992年2月首次提出“伽利略”计划。计划分成四个阶段：论证阶段，时间为2000年；系统研制阶段，包括研制卫星及地面设施、系统在轨确认，时间为2001～2005年；星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006～2007年；运营阶段，从2008年开始。“伽利略”系统的卫星星座将由30个颗卫星（27颗工作卫星和3颗备用卫星）组成。4．中国北斗卫星导航定位系统中国北斗系统是一个分阶段演进的卫星导航定位系统，北斗卫星导航定位系统的系统构成有：由两颗地球静止卫星(800E和1400E)、一颗在轨备份卫星(110.50E)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。该系统以2000年至2003年发射的三颗北斗卫星为基础，北斗卫星导航系统最终将通过由30颗非静止轨道卫星组成的卫星“星座”，扩展到覆盖全球。2.2GPS卫星定位系统的组成1978年2月22日，第一颗GPS实验卫星发射成功。1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告GPS系统进入了营运阶段。GPS由空间系统、地面监控系统和用户定位设备三部分组成。2.2.1空间系统GPS的空间部分是由24颗工作卫星（其中，21颗为工作卫星，3颗为备用卫星，目前的卫星数已经超过32颗）组成，它们均匀分布在6个近似圆形的轨道面上（每个轨道面4颗，轨道倾角为55°）。每颗卫星可覆盖全球约38%的面积。卫星的设计寿命为7.5年，轨道高度为2000km以上，周期12h。在全球任何地方、任一时刻平均能看到6~8颗卫星，足以提供给全球任一地点的移动和固定用户作连续实时三维定位导航用。其中每颗卫星都由太阳能电池、姿态及速度控制、遥测跟踪、指令、温控、反作用控制、入轨发动机及导航等分系统所组成。2.2.2地面控制系统地面控制系统由监测站、主控制站、地面天线所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。2.2.3用户定位设备部分用户定位设备由天线、接收机、带软件的数据处理器和控制、显示部分组成，可对在轨运行卫星进行作业选择、数据采集、加工处理、运算和存储。用户接收机只要收到4颗卫星发来的导航信号，便可测量伪距离和伪距离的变化，经数据处理，即可求解得三维位置、速度和时间数据。三维位置用以地心为中心的直角坐标系表示，可以换算成