精品专题（2021-2022年收藏）GPS定位原理与应用练习.docx

GPS（Global Positioning System）是全球定位系统，是一种利用一组人造卫星进行导航和定位的技术。相较于传统的大地测量，GPS有显著的优势，如选点灵活，不需要视线通透，可以实现全天候作业，定位精度高，观测时间短，且能提供测站的三维坐标。GPS系统主要由三部分组成：GPS卫星星座（空间部分），地面监控系统（地面控制部分）和GPS信号接收机（用户设备部分）。 GPS卫星星座是由多颗卫星构成的网络，它们在预定轨道上运行，为用户提供定位服务。至少需要观测4颗卫星来确定一个地面点的三维位置。"卫星星历"是描述卫星运动轨迹的一系列参数，包括卫星的位置、速度和时间信息。 地面监控系统包括主控站、信息注入站和卫星监测站。主控站负责收集数据，计算卫星的精确轨道和时间信息，然后通过信息注入站将这些信息发送给卫星。监测站则提供对卫星的观测数据，以辅助主控站的计算。 GPS信号接收机是用户端设备，它接收并处理卫星信号，计算出接收机的地理位置。接收机可以根据不同的标准分类，例如按载波频率分为单频和双频接收机，按用途分为导航、测地和授时型接收机，按通道数分为多通道、序贯通道和多路复用通道接收机，按工作原理分为码相关型、平方型和混合型接收机。 接收机天线是接收卫星信号的关键组件，它需要具有良好的抗干扰能力，全圆极化的特性，以接收来自各个方向的信号，同时其相位中心和几何中心偏差要小，保持稳定性。常见的天线类型有单极或偶极天线、螺旋形天线、微带天线、锥形天线和扼流圈振子天线等。 除了GPS，全球还有其他卫星导航系统，如俄罗斯的GLONASS、欧洲的伽利略以及中国的北斗系统。北斗系统采用了独特的星座布局，包括地球静止同步卫星和中轨卫星，以提高覆盖范围和定位精度。 在GPS定位中，常用的坐标系统有天球坐标系和地球坐标系。天球是一个假想的球体，其中包含了重要的点、线和面，如春分点、天轴、天球赤道等。天球空间直角坐标系和天球球面坐标系是描述天体位置的两种方式，前者基于地球质心，Z轴指向天球北极，而后者以赤经和赤纬来表示天体位置，两者之间可以通过一定的数学转换相互关联。