‌GPS(全球定位系统)设计‌主要包括哪几部分？

‌GPS(全球定位系统)设计‌主要包括三个主要部分：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

空间星座部分

GPS的空间星座部分由24颗卫星组成，这些卫星分布在6个轨道上，每个轨道上有4颗卫星。这些卫星的平均高度约为20,200公里，轨道接近正圆，运行周期为11小时58分钟。卫星信号大约需要70毫秒即可到达地面。每颗卫星都有一个独特的SVM(空间飞行器编号)和不同的PRN(伪随机噪声码)。卫星的核心设备是高精度原子钟，用于确定系统时间标准‌1。

地面监控部分

地面监控部分包括一个主控站、四个注入站和六个监测站。主控站是地面监控部分的核心，负责监视所有卫星的运行轨道，计算卫星钟差，并确保各颗卫星的原子钟与主控站的原子钟同步。监测站负责通过接收机对GPS进行连续观测和数据采集，同时采集当地的气象数据，处理后返还主控站‌1。

用户设备部分

用户设备部分主要是GPS接收机，它接收卫星信号，从信号中获取卫星的运行轨道等信息，通过计算来确定自身的位置。定位的基本原理是通过测量接收机到至少四颗卫星的距离(利用信号传播时间计算)，结合多普勒效应和伪随机噪声码，解算出接收机的三维坐标和一个钟差，从而实现定位‌12。

技术参数和设计特点

‌卫星数量‌：24颗卫星分布在6个轨道上，每个轨道有4颗卫星。

‌轨道高度‌：平均20,200公里。

‌运行周期‌：11小时58分钟。

‌信号到达时间‌：约70毫秒。

‌核心设备‌：高精度原子钟用于确定系统时间标准。

‌定位原理‌：通过测量到至少四颗卫星的距离，结合多普勒效应和伪随机噪声码进行定位计算‌13。

(一)GPS基础原理

GPS，全称Global Positioning System，已经广泛应用于我们的日常生活中了，现在的智能手机里都会自带GPS定位功能。这是一个美国的全球定位系统，虽然我们现在也有北斗了，但毕竟GPS搞的早，所以先从它开始研究起。

整个GPS系统分三大部分：地面站、卫星和接收机。

地面站负责监控。它们通过接收、测量各个卫星信号，计算卫星的运行轨道，并将卫星的运行轨道信息发射给卫星，让卫星去转播。

卫星负责向地面发射信号，为广播形式。

接收机接收卫星信号，从卫星信号中获取卫星的运行轨道等信息，通过计算来确定自身的位置。

地面站和卫星都是由美国控制的，我们能控制的只有接收机。

定位的基本原理其实很简单，中学几何知识就够了。把接收机抽象成一个质点X，三个卫星抽象成质点X，Y，Z，如果A到X，Y，Z的距离分别为rx，ry，rz，分别以X，Y，Z为圆心，以rx，ry，rz 为半径作3个球面，3个球面相交于两点，其中一点就是接收机所在位置(因为接收机肯定在地面附近，根据计算结果很容易排除另一点)。

那rx，ry，rz 这几个距离怎么知道呢?很简单，利用公式：距 离 = 速 度 × 时 间。

卫星发射信号到接收机，速度为光速是已知的，所以我们只要知道信号从卫星到接收机跑的时间有多长就可以了。这个时间长度就是接收到信号的时间减去发射信号时的时间。接收到信号的时间接收机自然是知道的，发送信号的时间可以根据信号内容算出来，那么时间长度就可以算出来了，于是距离可知。

这里还有一个问题，因为各种原因，接收机的时间和GPS卫星的时间通常不同步，于是在计算时间时会多一个未知数钟差，所以我们需要再多一颗卫星，4颗卫星4个方程，解出4个未知数。

至此，若用方程来表示，设接收机的位置坐标为(x, y, z)，卫星位置坐标分别为(xn, yn, zn), n = 1, 2, 3, 4，卫星到接收机的距离分别为r1, r2, r3, r4，c为光速，δt为钟差，则有以下方程组：

这就是GPS定位的基本原理。

(二)GPS时间

前面GPS基础原理中提到了一个钟差的概念，并没有细说。

时间是一个相对的概念，最简单的例子：你的手表的时间和我的手表的时间可能是不一样的，那不一样就会有问题，我说的8点上班和你认为的8点上班就不是同一个时刻了，于是你上班就可能会迟到。同理，GPS卫星的时间和接收机的时间也不一样，于是在利用时间来算距离的时候就会有很大的误差，所以我们要统一时间。

为了统一时间，人类做了很多的努力，建立了多个不同的时间系统。有以地球自转为基础的世界时(UT)，有以原子钟为基础的国际原子时(TAI)，还有两者折中的协调世界时(UTC)。目前，几乎所有国家的标准时间都采用协调世界时。

然而GPS系统并没有采用协调世界时，而是建立了其专用的GPS时间系统(GPST)。

GPS时间是连续的。

GPS时间用星期数(周数)和周内秒来表示时间。

GPS时间的秒长由地面站的原子钟和卫星的原子钟的观测量综合得出。

GPS时间的零时刻与协调世界时的1980年1月6日(是个星期天)零时刻同步。

GPS时间落后国际原子时19秒加一个秒内偏差。美国会控制GPS时间使这个秒内偏差小于1微秒，一般在几百纳秒之内。

需要注意的是每颗GPS卫星都有自己的卫星时间，每颗卫星都是按照自己本身的时钟在运行，而由GPS地面站来保证卫星时间与GPS时间之间的差异小于1微秒。在卫星播发的导航电文中，在遥测字(TLW: Telemetry Word)和交接字(HOW: HandOver Word)中与时间相关的数据都是基于卫星时间，而其他的数据都是基于GPS时间。

GPS时间与协调时的差异参数由导航电文给出，在导航电文第4子帧第18页。这些参数由地面站负责更新，至少每6天更新一次，否则准确性会随时间流逝而下降。

卫星时间与GPS时间的差异参数也由导航电文给出，在导航电文第1子帧。

这样GPS时间和卫星时间还有协调时三者就联系起来了，可以互相推导出来。还有一个接收机时间是独立于这三者的，所以存在一个接收机时间与GPS时间的钟差未知数。

时间关系确定，误差保持在一定范围，就可以用于计算距离，进而定位，这就是GPS的基本原理。

(三)GPS坐标系

定位就需要坐标，坐标当然是相对坐标系而言的，我们描述一个物体的位置，首先就需要建立坐标系。

按大类来分，坐标系可以分为惯性坐标系和非惯性坐标系。惯性坐标系是在空间静止或者做匀速直线运动的坐标系，其他都是非惯性坐标系。

GPS涉及到的坐标系大体有五个，在说这五大坐标系之前，我们需要先了解一些基本概念。

基本概念

地极(Polar)：地球自转轴与地球表面的两个交点，北边的叫北极，南边的叫南极。

赤道面(Equator Plane)：通过地心并于地球自转轴垂直的平面。

赤道(Equator)：赤道面与地球表面相交的大圆。

天球(Celestial Sphere)：天文学概念，指一个以地心为中心，半径为任意长的假想球体。其目的是将天体沿观测者视线投影到球面上，以便于研究天体及其相互关系。

黄道(Ecliptic)：太阳中心在天球上视运动的轨迹。即地球绕太阳公转的轨道平面与地球表面相交的大圆。

黄赤交角(Ecliptic Obliquity)：黄道面与赤道面的夹角，约23.5°。

春分点(Vernal Equinox)：黄道与赤道有两个交点，其中太阳投影沿黄道从南向北通过赤道的点，称为春分点，另一点为秋分点。

岁差(Axial Precession )：地球自转轴长期进动，引起春分点沿黄道西移，致使回归年短于恒星年的现象。周期约为25800年。主要有日月岁差和行星岁差。

章动(Nutation )：月球在白道上运行，白道与黄道相交成5°9′的角，月球围绕地球公转导致地球在公转轨道上左右摇摆，以18.6年为周期，这种现象称为章动。

极移(Polar Wandering )：地球自转轴相对于地球并不固定，这种运动称地极移动，简称极移。

子午面：(Meridian Plane)：包含地球自转轴的平面。

本初子午面(Prime Meridian Plane)：通过英国伦敦格林尼治天文台与地球自转轴构成的平面，是地球上计算经度的起始经线。

有了这些基本概念后，就可以进一步了解五大坐标系了。

地心惯性坐标系(ECI: Earth Centered Inertial)

地心惯性坐标系是太阳系内的一个惯性坐标系，不随地球而转动，也不受地球、太阳运行的章动和岁差的影响。

坐标原点位于地心;X轴位于赤道平面内，指向某一特定年(历元时刻)的太阳春分点位置;Z轴指向那一年地球北极的平均位置处;Y轴位于赤道平面内，与X轴垂直，且与X、Z轴构成右手直角坐标系。

由于采用的历元时间不同，可以有各种不同的地心惯性坐标系，目前国际上通用的地心惯性坐标系是J2000历元坐标系，它是以公元2000年的春分点为基准的历元坐标系。

地心地固直角坐标系(ECEF: Earth Centered Earth Fixed)

地固坐标系固定在地球上而随地球一起在空间做公转和自转运动，因此地球上任一固定点在地球坐标系的坐标就不会由于地球旋转而变化。

坐标原点位于地心;X轴指向参考子午面与地球赤道的交点;Z轴与地球自转轴重合并指向地球北极;Y轴位于赤道平面内，与X轴垂直，且与X、Z轴构成右手直角坐标系。

因为有极移，所以采用了协议地极，以1900年到1905年间的地极实际位置的平均值作为基准点。

大地坐标系：也叫经纬高坐标系(LLA: Longitude Latitude Altitude)

也是地固坐标系。坐标原点位于地心。

基于基准椭球体(基准椭球体是定义的与地球几何最吻合的椭球体)。

大地纬度 ϕ phiϕ 是过该点的基准椭球面法线与赤道面的夹角。纬度值在-90°到+90°之间。北半球为正，南半球为负。

大地经度 λ lambdaλ 是过该点的子午面与本初子午面之间的夹角。经度值在-180°到+180°之间。