GPS接收机的设计[毕业论文].doc

GPS 接 收 机 的 设 计摘 要全球定位系统(Global Positioning System，缩写GPS)，是美国第二代卫星导航系统，是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。目前在国内GPS主要应用于铁路、空运及海运领域，随着社会经济和科学技术的发展，卫星导航观念也逐渐为人们所接受。将全球定位系统应用于汽车导航，给汽车提供全球性、全方位、全天候的实时导航。同时，便携式的GPS定位仪可为户外运动用户提供精确定位数据。GPS 系统由 GPS 卫星、地面监控系统、GPS 接收机三部分组成，其中 GPS 接收机是交由用户使用的器件，它由天线前端单元、基带处理单元和定位解算与应用单元组成。本论文研究了利用GR-87全球定位模块和STC89c52设计GPS接收机，该接收机可以在串行显示系统中实时显示设备所处的位置信息、时间信息和运行速度信息。完成GPS接收机的软硬件设计，GPS接收机可以显示正确的位置信息、时间信息和速度信息。并实现了GPS定位仪与电脑的串行通信，通过串口可将定位数据输出到电脑显示。同时论文实现了GR-87全球定位模块和STC89c52设计的GPS接收机与液晶模块的显示。在对GPS全球定位系统的定位的原理进行了详细地分析和介绍的基础上论文完成了对GPS接收机的硬件电路的设计、绘制和主要电路元器件如GPS接收模块、微处理器、存储器、LCD显示模块等进行了详细介绍。具体说明了GPS系统软件及GPS数据输出的格式及其读取方法，并且绘制了GPS软件流程框图。 关键词：全球定位系统，STC89c52，串行通信，液晶显示 THE DESIGN OF GPS RECEIVERSABSTRACTGlobal Positioning System (GPS) which is the second generation satellite navigation systems of the United States, was developed on the basis of Meridian satellite navigation systems. It adopted successful experience of Meridian System. GPS was applied to railway, airlift and ocean shipping widely in the past. With the development of economy and technology, the conception of satellite navigation becomes attracting and understanding. GPS can be used in automobile navigation，it can realize real-time navigation to automobile and this navigation is global, all position and all time. Meanwhile the GPS positioning equipment can provide precision positioning data for user who is outside. It consists of three parts, the GPS satellite, the ground control system and GPS receiver. GPS receiver is used by ordinary user, and it also consists of three parts, the antenna front-end modules, baseband unit and positioning solution modules.In this paper, the use of GR-87 GPS module and STC89c52 design GPS receiver, the receiver can display system in real time in the serial display device location information, time information and speed information. Complete GPS receiver hardware and software design, GPS receiver can show the correct location information, time information and speed information. And to achieve a GPS locator and computer serial communications, positioning data via the serial port can be output to the computer display. Paper also realized GR-87 GPS module and STC89c52 design s GPS receiver and LCD display modules.On the basis of detailed analysis and introduction of the GPS fixed position principle, the thesis designed and drew the GPS hardware electric circuit ,and introduced some main parts of the electric circuit detailed such as the GPS receive module，microprocessor, memorizer, LCD display module and function key, etc. The thesis concretely explained the GPS system software, the format and reading method of GPS deferent data，designed the flow chart of GPS software.KEY WORDS: Global Positioning System, STC89c52，serial communications, LCD display目录前 言1第1章 绪论3§1.1 GPS概述3§1.2 GPS的研究发展5§1.3 内容安排7第2章 GPS全球卫星定位系统8§2.1 GPS系统简介8§2.1.1 背景8§2.1.2 系统构成9§2.2 GPS系统定位原理11§2.2.1 用于卫星导航定位的坐标系11§2.2.2 GPS卫星的星历13§2.2.3 导航定位方法18第3章 GPS接收机的硬件设计23§3.1 GPS接收机的基本工作原理23§3.2 GPS接收机硬件图25§3.2.1 GPS接收机总体硬件组成框图25§3.3 GPS接收机硬件各个组成元件25§3.3.1 STC89C5225§3.3.2 GPS接收模块28§3.3.3 天线31§3.3.4 LCD模块31§3.3.5 MAX232模块31第4章 GPS接收机的软件设计35§4.1 概述35§4.2 系统软件35§4.2.1 GPS数据的输出格式及提取35§4.2.2 单片机的信息接收处理37§4.3 功能软件39结论40参考文献41致谢43附录44翻译原稿51译文59前 言全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是美国从20世纪70年代初开始规划研制，历时21年，耗资200多亿美元，于1993年12月达到初始运行能力，1995年初达到全运行能力，具有向全球范围内的用户(海、陆、空)提供精确、连续的三维位置和速度信息的卫星导航定位系统。GPS是一种双重用途的系统，即提供民用和军用两种不同的服务，分别称为标准定位服(Standard Positioning Service，SPS)和精密定位服务(Precise Positioning Service，PPS)。SPS是指定为民用服务的，而PPS是指定为美国授权的军方用户和选定的政府机构用户服务的，GPS PPS的接入是通过加密而受控的。GPS具有全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，随着科学技术的发展，GPS定位技术已经越来越接近普通人的生活。用户通过用户设备接收GPS卫星信号，经信号处理获得用户位置、速度等信息，最终实现利用GPS进行定位导航的目的。目前，卫星导航的应用已经遍及军事、航海、航空、测量、交通、勘测等几乎一切与位置、速度、时间有关的人类活动中。可以说，GPS是目前最先进、应用最广泛的卫星导航定位系统，具有非常好的市场前景。本设计利用STC89C52开发板、GR-87全球定位模块、PC机、液晶显示屏，实现了低成本GPS导航系统的方案设计，接收并且处理了接收机的输出数据。首先介绍了GPS全球定位系统，GPS接收机的硬件及软件设计，和GPS接收机发送数据时采用的NMEA 0183标准，然后在此基础上分析了GPS接收机的数据输出格式，给出了当GPS接收机与PC通信时用户程序的实现方法，最后为适应工业应用现场需要将本地远程命令以汉字和ASCII码显示的要求，提出采用基于单片机的液晶显示器(LCD)显示终端。所设计的LCD显示终端成本低、可靠符合设计要求。本文为GPS与PC机平台的应用提供了很好的参考，而且对GPS在单片机系统中的应用也有很好的借鉴作用。最后所用到的液晶显示对本地根据远程控制命令显示汉字和ASCII码提供了很好的实践作用。第1章 绪论§1.1 GPS概述GPS接收机是全球定位系统GPS(Global Positioning System)中用户使用的器件。GPS系统是美国政府在继阿波罗登月计划、航天飞机计划之后的第三项重点空间计划。从1973年至1994年的20年间，美国国防部(DOD-Department of Defense)耗巨资120亿美元(有资料记载为300亿美元)发射几十颗卫星于1994年才建立起来的一个具有在海、陆、空 进行全方位实时三维导航与定位能力的高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的新一代卫星导航与定位多功能系统1。GPS技术已发展成为多领域(如陆地、海洋、航空航天)、多模式(GPS、DGPS、RGPS、LADGPS、WADGPS，WWDGPS)、多用途(如在途导航、精密定位、精确定时，卫星定轨、资源调查、海洋开发、交通管制等)、多机型(如测地型、定时型、全站型、手持型、车载式、星载式、船载式、弹载式)的高新技术的国际性产业2。美国国防部研制GPS的首要目的是为美国称霸世界的全球战略服务。1991年GPS在海湾战争中的首次使用就创造了人类战争史上的奇迹，美国官兵的一致结论是“GPS赢得了战争”。海湾战争可以说是GPS发展史上的一个里程碑，因为它在一夜之间，使GPS由一个军事领域中的可选系统变成了必备系统。此后，GPS突破了军事应用的界限，渗透到更为广阔的民用领域，其应用的深度和广度与日俱增。自GPS对民间开放以来，各种产品、应用层出不穷，GPS已经深入国民生产、日常生活的方方面面3，主要包括如下领域：（1） 测量GPS技术给测绘界带来了一场革命。利用RTK(Real-time kinematic)载波相位动态实时差分方法，在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度。与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着巨大的优势：l.测量精度高。2.操作简便，仪器体积小，便于携带。3.全天候操作。4.观测点之间无须通视。5.测量结果统一在WGS84坐标下，信息自动接收、存储，减少繁琐的中间处理环节。当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域4。（2） 交通出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车或送请求，降低能源消耗，节省运行成本。GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色，在城市中建立数字化交通电台，实时发播城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航5。民航运输通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。（3） 救援利用GPS定位技术，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率特种车辆(如运钞车)等，可对突发事件进行报警、定位，将损失降到最低。有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员实施有效的搜索、拯救。装有GPS装置的渔船，在发生险情时，可及时定位、报警，使之能更快更及时地获得救援6。（4） 农业当前，发达国家己开始把GPS技术引入农业生产，即所谓的“精准农业耕作”。该方法利用GPS进行农田信息定位获取，包括产量监测，土样采集等，计算机系统通过对数据的分析给农田地块施肥、喷药。通过实施精准耕作，可在尽量不减产的情况下，降低农业生产成本，有效避免资源浪费，降低因施肥除虫对环境造成的污染7。（5） 娱乐消遣随着GPS接收机的小型化以及价格的降低，GPS逐渐走进了人们的日常生活，成为人们旅游、探险的好帮手。通过GPS，人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地，并且可以最优的路径行驶：野营者带着GPS接收机，可快捷地找到合适的野营地点，不必担心迷路；甚至一些高档的电子游戏，也使用了GPS仿真技术8。（6） 邮递服务对重要的货物、包裹与信函等进行跟踪、引导与保护对货场物品入库与出库的调度能有效地确定货物的存放地点，提高出货效率，增加管理手段、避免积压9。（7） 渔业生产GPS能满足渔猎对定位的要求。同时能为捕鱼船队在法律上避免发生捕鱼边界的纠纷，提高在经济专属区的作业效率10。（8） E911呼叫美国通讯委员会(FCC)要求将所有的移动电话安装无线电定位装置，以便用户在通过移动电话向911请求帮助时可找到用户位置，实现快速援助11。GPS将是满足FCC要求的一种精确、成本低廉的方式。GPS手持机是利用GPS基本原理设计而成的，体积小巧、携带方便、独立使用的全天候实时定位导航设备。好的手持机必备的条件是：灵敏度高，存贮量大，外部接口齐全。GPS手持机按用途可分为陆用型、空用型、海用型。陆用型GPS手持机一般没有内置地图，主要利用航路点记录，选择相应航路点可自动生成路线。内置天线使得机型小巧，它是应用最广的GPS设备；空用型提供全球空域图和地域图，灵敏度极高，适用于在高速行进的飞机中定位；海用型内置全球海图，超大屏幕，提供可固定在船体上的配套支架和天线。GPS手持机以其体积小巧、携带方便、价格低廉、独立使用等优点将再GPS系统应用上具有最大的潜力。§1.2 GPS的研究发展全球定位系统GPS的研制最初主要用于军事目的。如为陆海空三军提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测、应急通讯和爆破定位等方面。随着GPS系统步入试验和实用阶段，其定位技术的高度自动化及所达到的高精度和巨大的潜力，引起了各国政府的普遍关注。此前，我国曾成功发射4颗北斗导航实验卫星，目前，我国的“北斗一号”卫星导航试验系统已经投入运行，与美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统并列，成为全球仅有的3个投入正式运行的卫星导航定位系统近年来，欧洲也提出了有自己特色的“伽利略”全球卫星定位计划。2000年，北斗导航定位系统两颗卫星成功发射，标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航定位系统，这对于满足我国国民经济、国防建设的需要，促进我国卫星导航定位事业的发展，具有重大的经济和社会意义。随着北斗导航卫星顺利升空，我国目前正在建设的北斗卫星导航系统将在“北斗一号”卫星导航试验系统的基础上更加完善。“5+30”的卫星布局完成后，将能够实现全球卫星定位，为我国卫星导航定位产业的发展建造一个良好的空间基础设施。2007年4月14日凌晨4时11分，我国北斗导航系统(COMPASS)建设计划的第一颗卫星北斗导航卫星(COMPASSMI)成功发射升空。第一颗不再以“试验”冠名的北斗导航卫星顺利升空，标志着我国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶段，也为我国卫星导航定位产业的发展提供了更多的想象空间。由于频点已经分配完毕，2020年前全球只能有四大卫星导航定位系统，而我国的北斗卫星导航系统就是其中之一。未来密布在太空的全球卫星定位系统将形成我国、美、俄、欧操纵的北斗系统、GPS、“GLONASS”、“伽利略”四大系统竞争的局面。我国的北斗卫星导航系统空间段计划由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，将提供开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为l0米，授时精度为50纳秒，测速精度02米/秒；授权服务则是针对高端专业用户提供的有偿服务。根据计划，我国将在未来几年陆续发射系列北斗导航卫星，预计到2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。这个系统将主要用于国家经济建设，为交通运输，气象、石油、海洋、森林、通信、公安等部门以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。中国全球定位系统技术应用协会信息咨询服务中心主任曹冲透露，“5+30'的导航卫星布局将于20lO年前建成。美国的GPS系统由24颗工作卫星和4颗备用卫星组成。它们分布在6个等间距的轨道平面上，轨道面相对赤道的夹角为55度，每个轨道面上有4颗工作卫星，卫星的轨道接近圆形，轨道高度为201836万公里，周期约12小时。GPS能覆盖全球，用户数量不受限制。其所发射的信号编码有精码与粗码。精码保密，主要提供给本国和盟国的军事用户使用；粗码提供给本国民用和全世界使用。精码给出的定位信息比粗码的精度高。GPS系统能够连续、适时、隐蔽地定位，一次定位时间仅几秒到十几秒，用户不发射任何电磁信号，只要接受卫星导航信号即可定位，所以可全天候昼夜作业，隐蔽性好。俄罗斯的GLONASS卫星定位系统拥有工作卫星21颗，分布在3个轨道平面上，同时有3颗备份星。每颗卫星都在191万公里高的轨道上运行，周期为11小时15分。因GLONASS卫星星座一直处于降效运行状态，现只有8颗卫星能够正常工作。GLONASS的精度要比GPS系统的精度低。为此，俄罗斯正在着手对GLONASS进行现代化改造，12月就发射了3颗新型“旋风”卫星。该卫星的设计寿命将为78年(现行卫星寿命为3年)，具有更好的讯号特性。欧洲“伽利略”系统是欧洲计划建设的新一代民用全球卫星导航系统，预计2008年系统建成并投入运营。按照规划，“伽利略”计划将耗资约27亿美元，星座由30颗卫星组成。卫星采用中等地球轨道，均匀地分布在高度约为23万公里的3个轨道面上，星座包括27颗工作星，另加3颗备份卫星系统的典型功能是信号中继，即向用户接收机的数据传输可以通过一种特殊的联系方式或其他系统的中继来实现，例如通过移动通信网来实现。“伽利略”接收机不仅可以接受本系统信号，而且可以接受GPS、“GLONASS”这两大系统的信号，并且具有导航功能与移动电话功能相结合、与其他导航系统相结合的优越性能。§1.3 内容安排本文的内容安排如下：第一章是绪论部分，指出了GPS接收机是GPS的用户设备部分。介绍了GPS系统的背景意义，以及GPS接收机的应用，和对国内外研究现状的分析。第二章：分析了GPS全球定位系统。阐述了GPS的系统构成、导航定位原理和应用前景。第三章：研究并设计了GPS手持接收机的硬件原理图及部分重要元器件的详细介绍。第四章：开发并设计了GPS接收机的软件设计。结论：总结了本课题的研究内容和成果。附录中罗列了该课题设计的GPS接收机软件的硬件实物。第2章 GPS全球卫星定位系统§2.1 GPS系统简介§2.1.1 背景海空导航、车辆引行、大地测量等都需要精密定位。为此，人们建立了不少类型的传统无线电导航和惯性导航定位系统，如罗兰-C(Loran-C)、欧米伽(Omega)、塔康(Tacan)以及后来美国建立的为海军舰艇导航服务的“海军导航卫星系统”(Navy Navigation Satellite System，NNSS)。这些系统的主要缺点是：(1)作用距离短。例如塔康无线电导航系统，它的作用距离仅是一个半径为70Km的圆；(2)用户有限。例如采用机载询问器和地面应答器工作的塔康系统，仅可供不足15，500个左右的用户使用； (3)定位精度低。定位误差一般为几米到几十米，甚至几公里。传统的导航技术需要一场深刻的革命。1973年12月，美国国防部批准海陆空三军联合研制新型军用卫星导航系统NAVSTAR GPS(Navigation by Satellite Timing and Ranging Global Positioning System，用卫星定时测距全球导航定位系统)，通常简称为“GPS全球卫星定位系统”。GPS被美国列为重点空间计划之一，成为继阿波罗登月计划，航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。经过方案论证、工程研制、生产作业等三个研制阶段，到1993年底，整个GPS工作卫星星座已全部建成12。GPS全球卫星定位系统同其它导航与定位系统相比，其主要特点13如下：（1）全球地面连续覆盖。由于GPS卫星的数目较多且分布合理，所以地球上任何地点均可连续同步观察到四颗卫星以上，从而保证了全球、全天候连续的实时导航和定位。（2）功能多，精度高。GPS可为各类用户连续地提供动态目标三维位置，三维速度和时间等信息。一般说来，其单点实时定位精度可达到510米(不施加SA术)，静态相对定位精度可达O.1lppm，测速精度为0.1m/s，而测时精度约为数十纳秒。（3）实时定位速度快。利用GPS一次定位和测速任务可在一秒至数秒内完成。（4）抗干扰性能好，保密性强。GPS采用了数字通讯中的特殊编码技术，即伪随机码技术。§2.1.2 系统构成GPS全球卫星定位系统主要包括三大组成部分，即空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机14。系统组成如图2-1所示。图2-1 GPS系统组成1. GPS卫星星座(空间部分)GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作(21+3)GPS星座。工作卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面内分布有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55度，各个轨道平面之问相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比其西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。轨道平均高度为20.183Km，卫星运行周期为11小时58分。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少可见到4颗，最多可见到11颗15。GPS卫星的空间配置，保证了在地球上任何地方、任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星。空间部分的三颗备用卫星，将在必要时根据指令代替发生故障的卫星，从而保证GPS空间部分正常而高效地工作。每颗卫星装有2台铷钟和2台铯钟(一台工作三台备用)，为GPS卫星提供高精度的时间标准。2. 地面监控系统(地面控制部分)对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。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。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准。GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。监测站的作用在于对GPS卫星进行连续的观测，采集数据和监测卫星的工作状况，并收集当地的气象资料，然后把所有观测资料传送到主控站以确定卫星的精密轨道。主控站除协调和管理整个地面监控系统工作外，其主要任务包括：推算和编制各卫星的星历、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卫星系统时间标准；调整偏移轨道的卫星；启用备用卫星以代替失效的工作卫星。注入站的主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令注入到相应卫星的存储系统。3. 用户设备部分(GPS信号接收机)自从GPS全部建成以后，它将昼夜不停地发送导航定位信息，在地球的任何地方和任何时间实现实时定位。这其中最重要的关键设备就是用户接收机。这是直接面向用户的部分。GPS信号接收机的任务是：能够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，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间以完成定位工作。GPS接收机的工作流程是：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接受到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星的运行所发出的导航电文，实时的计算出测站的三维位置、三维速度和时间。§2.2 GPS系统定位原理§2.2.1 用于卫星导航定位的坐标系宇宙直角坐标系是与地球牢固联结，即随地球旋转的直角坐标系(如图22)。图2-2宇宙直角坐标系坐标系的原点O位于地心，XOY平面与地球赤道面重合，OX轴穿过格林尼治子午线和赤道的交点，OZ轴与地球极轴重合。这个坐标系易于将地理坐标，地球自转、卫星轨道参量、导航定位参量联系在一起，同时便于计算机应用线性代数知识进行定位解算。由于GPS卫星运行于宇宙空间，为了确定卫星在宇宙空间的位置，还得在宇宙空间找一个可视为固定不变的参考坐标系。地球绕极轴转动，依据陀螺原理，地球的极轴在宇宙空间的指向是稳定不变的，把地球赤道面无限扩展和天球相交，交线称为天球赤道。同时，考虑到地球绕太阳公转的轨道面也是一个稳定平面，此轨道面称为黄道平面。它通过地心，与赤道平面约有23.44度的夹角。空间两个互不平行的稳定平面可用来建立一个固定的坐标系，即地心天球坐标系。黄道平面无限扩展和天球相交，交线称天球黄道。天球赤道和天球黄道相交两点，即春分点和秋分点这样一来，取地心和春分点连线构成的春分点轴为一参考轴，加上天球极轴以及与这两轴垂直并位于天球赤道平面内的第三条轴，以地心为坐标原点，构成地心天球坐标系。如图2-3所示。建立了地心天球坐标系，就可用来确定卫星的运行轨道参量，从而确定卫星在宇宙空间的位置。图2-3地心天球坐标系为了确定用户空间位置，最常用的是地面上的地理坐标，即经度、纬度、高度（，H）来表征。因为地球并非一个标准球体，为了高精度定位，可以设想一个理想的地球重力场的等位面，称为大地水准球面。这是一个不很规则的球面，但可以通过测量地球的重力场来确定。以大地水准球面为基础，选取一个几何椭球体，使之与大地水准球面最吻合，这个几何椭球体便被称为基准椭球体，用它来代表地球。最吻合的标准不同，就有不同的基准椭球体。对GPS系统来说，选用了与整个地球的大地水准面最吻合的WGS84椭球。利用基准椭球，可以定义地球上任一点的地理坐标经度、纬度、高度H。首先考虑宇宙直角坐标系X，Y,Z,与地心天球坐标X *，Y *,Z* 的关系：G为格林尼治子午线赤经。即OX轴与OX*的夹角，有G =G0+C（t-t0）,其中C为地球自转角速度，t0为参考时间，G0为参考时刻t时格林尼治子午线赤经。显然有： (2.1)再考虑基准椭球上任一点P的地理坐标，H与宇宙直角坐标系X，Y，Z之间的关系。（1）已知（，H）求X，Y,Z,变换式为： （2.2）其中：，a为基准椭球赤道面半短轴，b为半长轴，f称为扁平系数。（2）已知X，Y,Z求，H，的公式为： （2.3）§2.2.2 GPS卫星的星历1 卫星运行一般规律GPS是系统设置在空间的导航台。用户利用GPS卫星实施定位，必须准确知道任意时刻卫星的位置，不同时刻的一组组卫星时空数据称为卫星星历。假设地球是质量均匀分布的圆球，除了地球引力外没有其他力作用于卫星。这种情况下卫星的运行规律完全符合开普勒定律，称为无扰动的卫星运动轨道。卫星将在通过地心的平面上运行，轨道是以地心为一焦点的圆锥曲线。其极坐标方程为：； 方程中r为轨道半径，e为离心率。GPS38卫星导航系统所用的卫星的基本运行轨道是以地心为一焦点的椭圆轨道或以地心为中心的圆轨道。精确的圆轨道是难以实现的，所以圆轨道实际上常是近圆的椭圆轨道。为了刻画GPS卫星在宇宙空间中位置，引入了六个基本轨道参量，即：描述卫星轨道平面在空间位置的参量升交点赤径和轨道面倾角i；描述轨道形状的参量半长轴a，椭圆轨道离心率e，近地点角；描述卫星在轨道面上的位置参量真近点角。各参量定义如图2-4所示。图2-4参量定义图，i ，a，e，又称为卫星轨道六要素。由这些基本参量，可以计算出卫星在宇宙直角坐标系中的坐标。计算公式如下： （2.4）由于 ，以及在无扰动的情况下，G，C， , ，t 都是常量，只有是时间的函数，只要知道各时刻的值，由式(24)可得各时刻的 ， 值。要实现定位，必须时刻知道卫星的位置即该时刻的， 值，这些值随时间而变。GPS卫星并不直接发送这些不断随时间变化的量，而引入平近点角M和偏近点角E的概念： （用迭代法由M求V） （2.5）其中n为卫星在轨道上运行的平均角速度，为常量。利用式(2.5)，用n代替，卫星只须向用户发播时间变量t，其余均为常量。这样，用户只要知道卫星发布导航电文的时间，就可以计算出该时刻卫星在空间中的坐标，。2 有扰动的卫星轨道前面讨论卫星的基本运行规律和基本轨道参量时，是假设地球是质量均匀分布的圆球，同时卫星除受地球引力作用外，不受其他外力作用。实际上，卫星还受到其他各种引力的作用。这些力将使卫星运行偏离开普勒轨道，并使基本轨道参量发生变化，这些力统称为扰动力。在扰动力的作用下，卫星所受力的合成并不指向地心，因此，卫星的基本轨道参量将发生缓慢的、非周期性和周期性的变化以及不规律的变化。卫星运行轨道将成为带有进动，形状渐变、非平滑的椭圆轨道。扰动力的来源很多，主要有地球形状的影响、日月引力扰动、太阳辐射光压、大气阻力等因素。对于卫星轨道的基本参量，i ，a，e，而言，扰动可分为两种性质，一种是长期的漂移或进动，这会引起有一定规律的轨道参量变化；另一种是各种扰动力引起的不规则的漂移。考虑到扰动力的作用，实际卫星轨道的表示必须修正，并且式(24)和(25)也要重新表示。一般有： ，为基准时间，为t=时的值。 （2.6）3 实际卫星定轨方法如前所述，GPS卫星定位系统35实际上是星基定位系统。为了确定用户的位置(宇宙直角坐标系)，必须先知道卫星在该坐标中不同时刻的位置。卫星定位和用户定位的方法相同，也要找一些位置基准点这些位置基准点的宇宙直角坐标是准确已知的，它们可以是地面站、空间站或天然星体。GPS系统中的卫星定轨采用地面站作基准点，其坐标是已知的，且为常值。通过测量卫星相对基准点的距离、角度、速度等参量，求解由这些参量确定的定位方程，算出卫星的坐标但，。对地面站而言，只有当卫星运动到其视界以内时才能进行定位参量的测量，根据定位参量解算出卫星在该区域的坐标。因此，为了得到任何时刻卫星的位置坐标，可以在全球布站，但这种方法费用昂贵，且维护困难。所以，实际上只能在有限的地点布置卫星监测站。GPS卫星定位系统36的监测站从战略上考虑，全部分布在美国本土。这样的布站方案，会给卫星定轨精度带来一定的影响。在有限布站的前提下，为了随时得到卫星的空间位置，一般是利用检测站测得的定位参量直接解算出卫星轨道的轨道参量Pm ，m=1,2l，l 6(l=6时，即为卫星轨道基本参量)。有了卫星轨道参量，并测得t0时刻卫星的坐标就不难计算出任意时间 ,卫星的坐标。此方法实际上是对卫星通过地面站可视范围内的一段轨道进行测量，利用测量信息估算整个卫星运行轨道的轨道参量，推算出其它时刻卫星运行的轨道。一颗相对地面运动的卫星的位置坐标虽然不断变化，但其轨道参量的变化却是缓慢的，有的参量在很长的时间间隔内可看作不变。由测得卫星定位参量解算出卫星轨道参量的过程称为星历制备过程。制备出的星历由注入站注入GPS卫星，再由GPS卫星通过发射含有轨道信息的导航电文的形式传递给用户，用户接收机接收到信号后，经过解码可获得所需要的卫星星历。这种星历一般称为预报星历或广播星历。 GPS卫星星历的精度，实际上决定了GPS定位的精度上限。因此，为了保持卫星预报星历的必要精度，一般采用限制预报星历外推时间间隔的方法。为此，GPS跟踪站每天都利用其观测资料更新用以确定卫星参考星历的数据，计算每天卫星轨道状态的更新值，并且每天按时将其注入相应的卫星加以存储，用以更新卫星的参考轨道。GPs卫星发射的广播星历，每小时更新一次预报星历的精度，目前一般估计约为2050米。对于某些进行精密定位工作的用户来说，预报星历的精度难以满足要求。因此，一些国家的某些部门，根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，向用户提供在用户观测时间内的卫星星历，降低了预报星历外推的误差，这种星历称后处理星历或精密星历其精度目前可达米级，进一步的发展可望达到分米级。后处理星历不通过卫星的无线电信号向用户传递，而是利用磁带或通过电传通讯等方式有偿地为所需要的用户服务GPS用户通过卫星广播星历，可以获得的有关卫星星历参数共有16个，其中包括一个参考时刻，六个对应参考时刻的轨道参数和九个反映摄