基于GPS系统的测向定位研究.doc

摘要摘要如今GPS系统已经广泛的应用于空中、陆地和海洋的定位与导航.GPS以其全球性、实时性、全天候连续、快速、高精度的导航/定位/授时功能，为全球用户提供服务。利用GPS载波相位技术对载体进行定向和测姿的研究开辟了一个新的GPS应用研究领域.本文针对双天线GPS接收机的载体姿态测定技术进行了探讨,在GPS载波相位测量载体姿态的理论基础上，设计了一种低成本、高灵活性的GPS测姿应用系统。本文首先讲解了GPS系统的原理，GPS接收机的各个功能单元和GPS定位的基本原理。接着介绍了GPS载波相位测量的基本原理,及其在载体姿态测定中的应用.重点阐述了应用双天线载波相位测量解算载体姿态的差分模型算法和快速求解整周模糊度的新方法。在此基础上应用加拿大NovAtel公司的两块OEMV1板卡和飞利浦公司的ARM7芯片给出了系统软、硬件实现方案。用C语言编写了卫星载波相位测量和星历参数等原始数据的接收、解算程序以及模糊度求解算法后的处理程序。最后通过姿态后处理程序对测得的卫星数据进行解算，得出了实验结果.结果表明该系统能够满足二维常规姿态测量的要求并具有较高的解算精度。关键词GPS；载波相位； 姿态测定; 整周模糊度;OEM;ARMVAbstractAbstractCurrently, the Global Positioning System (GPS hereafter） has been widely used in the air, land and marine positioning and navigation。 GPS provides services for customers all around the world as its functions of navigation， positioning and timing with globalization， real time performance, all weather, fast speed and high precision。 The research of attitude determination explores a new area in GPS applicationby using GPS carrier phase measurement. Aiming at carrier attitude determinationby the twoantenna GPS receiver, this thesis discusses the principle and designs a method to measure the carrier attitude by using twoantenna， with lower cost and higher performance。This thesis firstly explains the theory of GPS system and the parts of GPS receiver. Secondly the article introduces the principle of determination carrier attitude using carrier phase， especially puts focus on the differential model algorithm using twoantennacarrier phase and fast ambiguity resolution to compute the carrier attitude。Thirdly, it is put forward the implementation scheme of system software/hardware by using the NovAtel OEMV-1 receiver and the Philips ARM7 chip and the C language program is compiled to pick up the satellite carrier phase data, ephemeris data and other data, which resolutes the ambiguity for data post processing。Finally， the attitude solution program is given to calculate the determination data。 The experimental results demonstrate that the system meets the common required specifications and reaches a high precision resolution.KeywordGPS； Carrier Phase; Attitude Determination; Integer Ambiguity； OEM； ARM目录目录摘要IABSTRACTIII第1章绪论11.1引言11。2 国内外研究的现状及动态21。3 课题的科学意义和应用前景41.4 课题研究工作及论文主要内容4第2章GPS卫星导航定位系统52。1 GPS概述52。2 GPS系统的组成62。2。1 空间星座部分62.2。2 地面监控部分72。2.3 用户设备部分82。3 GPS接收机92。3.1 GPS信号接收机的主要单元92。3.2 GPS接收机的工作原理102。4参考坐标系112.5 GPS信号的基本结构142.6导航电文152。7本章小结16第3章 GPS定位原理及相关技术173。1 利用到达时间测量值测距的原理173。1。1 二维位置确定173.1。2 通过多个球面的相交实现三维定位183。2伪距法定位测量原理193。3 载波相位定位测量原理243。3。1 多普勒频移测量253.3。2 载波波数和整周跳变263.4本章小结28第4章应用GPS载波相位测量载体姿态294.1基于载波技术的载体姿态求解原理294。1。1 GPS测量数学模型294.1.2线性化测量方程324.1。3 GPS差分运算334。2 整周模糊度快速解算技术354。2.1 整周模糊度的求解354.2。2 搜索空间的简约和T矩阵定义384。2。3简约空间内搜索394.3 GPS测姿精度分析404。4 本章小结40第5章实验系统设计415。1 NovAtel OEMV1 板简介415.1.1 NovAtel OEMV-1板的组成425。1。2 NovAtel OEMV1板的硬件系统配置425.2 NovAtel OEMV1板的原始数据采集与处理445。2.1接收机输出的数据格式445。2。2 接收机的具体二进制数据分析455。2。3 原始二进制数据采集与解算495。3 ARM7的系统硬件设计495.3。1 天线单元505.3。2 接收机单元505.3.3 接口单元505。3。4系统数据处理和控制单元515。4 ARM7 LPC2138系统模块515。4.1 LPC2138的硬件资源525。4。2 LPC2138的软件资源535。5 本章小结54第6章实验测试结果556。1测姿系统软件实现流程556.2实验仿真结果566。3本章小结58结论59参考文献61附录165攻读学位期间发表的学术论文67致谢69CatalogCatalog摘要IABSTRACTIIICHAPTER 1 INTRODUCTION11.1 Preface11.2 Research Status Home and Abroad21。3 Scientific Meaning and Future Application41。4 Main Contents4CHAPTER 2 GLOBAL SATELLITE NAVIGATION AND POSITIONING SYSTEM INTRODUCTION52。1 GPS Summary52。2 GPS Somposition62.2.1 Constellation Section62。2.2 Control Section72。2.3 Users Equipment82。3 GPS Receiver82.3.1 GPS ReceiverMain Unit92。3。2 GPS ReceiverWorking Principle102。4 Reference Coordinate112.5 GPS SignalBasic Frame142。6 Navigation Message152.7 Summary16CHAPTER 3 GPSPOSITIONINGPRINCIPLE173.1 Measurement Distance Principle using TOA173.1。1 Determination Planar Position173.1.2 Determination Threedimensional Positon by Multisphere183。2 Pseudorange Positioning Measurement Principle193.3 Carrier Phase Positioning Measurement Principle243.3。1 Doppler FrequencyMeasurment253。3。2 Carrier Phase Cycle and Cycle Slip263。4 Summary28CHAPTER 4 MEASUREMENT ATTITUDE APPLYING GPS CARRIER PHASE294。1 Attitude Solution based on Carrier Phase Technology294。1。1 GPS Measurement Model294.1。2 Linearized Measurement Equation324。1。3 GPS Differential Operation334。2 GPS Fast Integer Ambiguity Resolution Technique354.2。1 GPS Integer Ambiguity Resolution354。2.2 Search Space Reduction and T Matrix Definiton384。2。3 Searchin the Reduced Space394.3 Attitude Measuremnet Precision Analysis404。4 Summary40CHAPTER 5 SYSTEM HARDWARE DESIGN415。1 NovAtel OEMV1 Card Introducton415。1.1 NovAtel OEMV-1 Card Structure425。1。2 NovAtel OEMV1 Card Hardware425.2 Gathering and Processing Original Data445。2。1 Data Structure445.2。2 Receiver Binary Data Analysis455。2。3 Binary Original Data Gathering and Processing495。3 Hardware System Composing495。3.1 Antanna Unit505。3.2 Receiver Unit505。3.3 Interface Unit505。3。4 Data process and Control Unit515。4 ARM7 LPC2138 Nodel515。4。1 LPC2138 Hardware Resource525.4.2 LPC2138 Software Resource535。5 Summary53CHPTER 6 EXPERIMENT RESULT556。1 Attitude Measurement Software Flow556.2 Experiment Result566。3 Summary58CONCLUSION59REFERENCES61APPENDIX 165PUBLISHED PAPER67ACKNOWLEDGE69第1章 绪论第1章 绪论1。1引言GPS（Global Positioning System）即全球卫星定位系统,是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的1.自1994年7月美国全球定位系统全部建成并投入使用以来，短短几年内，这一技术发展极为迅速。作为新一代卫星导航与定位系统，GPS以其全球性、实时性、全天候连续、快速、高精度的导航/定位/授时功能,为确定目标的地理位置和空间轨迹行业带来了一场革命。GPS成为了全球范围内的一项重要信息源，并且相关产业和服务市场迅速扩大，年产值达上百亿美元，成为当今国际公认的八大无线产业之一2.有鉴于卫星导航技术在民用和军事领域的重要意义，卫星导航系统得到了许多国家的关注:俄罗斯也拥有自己的全球卫星导航定位系统GLONASS，并将该系统演变成一个与GPS一样的军民两用系统；欧盟于2002年3月正式启动伽利略计划,打造自己的全球卫星导航定位系统；日本也在加紧实施其“准天顶卫星系统;此外，印度卫星导航系统也将被投入使用。2000年10月31日和12月21日，我国成功发射了第一颗和第二颗导航定位实验卫星，2003年5月25日，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号运载火箭，成功地将第三颗-“北斗一号导航定位卫星送入太空，这标志着我国已自主建立了完善的卫星导航系统“北斗导航系统”，但由于起步较晚尚未得到广泛应用。目前在我国应用最多的还是美国的GPS系统.全球定位系统（GPS）自问世以来,其相关技术不断发展，迅速渗透到科技、军事、生活的各个领域。自主定位的GPS接收机取代了原有的导航定位设备，提供更为准确、可靠的位置信息。高精度的GPS接收机及其相应的算法正逐步取代原有的旧的GPS接收机。而利用GPS载波信号来确定载体的姿态则是一种新的应用。从上世纪八十年代初开始,借鉴GPS载波相位差分技术和干涉仪原理，便不断有人提出利用GPS来测量载体的航向和姿态。这一技术迅速成为GPS研究的又一热点。建立在基线(长度从几米到数千公里）测量的精确载体导航和动态定位,仅仅是GPS应用领域的一部分.多GPS天线组合测量系统(通常由2、3或4个GPS天线集成，并采用天线配置技术安装在一个载体上）已成为GPS应用的重要分支.多GPS天线组合测量系统不仅可以提供载体的位置和速度信息，而且能够提供一定精度的载体姿态信息。利用相位干涉原理,采用天线布阵技术，可以实现载体的航向及姿态的测量3。传统的惯性导航系统(INS）或平台罗经系统是一种自主式导航系统,不受外界干扰,具有良好的隐蔽性。但它的定位误差随时间而积累，工作前的准备时间达数小时。不仅价格昂贵、设备复杂、体积庞大，而且需要经常进行维护和检修.而GPS姿态测量系统利用GPS本身特有的优点，不仅能提供载体的位置、航迹、速度等基本信息，而且能提供载体航向、姿态信息。可以说是多种设备功能集于一身，并有精度高，实时性好，抗干扰能力强等特点。同时体积小，重量轻,稳定性高,成本低廉,最大特点是误差不随时间累积，无需实时校正和经常维护。因此非常适合装备于现代化船只、路上交通工具及飞行器等载体。随着GPS技术的不断发展,用GPS独立来进行定位测姿或与其它导航系统组合定位测姿已成为一种必然趋势4。1。2 国内外研究的现状及动态国外的GPS技术发展较早，美国在GPS系统1993年实现民用化以前,就开始进行GPS姿态系统的研究了5。尽管GPS是为了提供精确定位和授时服务而设计的，但它潜在的测姿能力早在系统设计的初期就已被认识。1978年麻省理工学院的Coumselman和美国宇航局喷气推进实验室（JPT）的MacDoran等人提出了无码接收机的概念。通过适当的布局安装在同一平面上且不在同一线上的3个GPS天线，采用载波相位差分测量,天线之间构成的基线向量能够被精确地测定。因此，由基线所确定的载体平面姿态也同时被确定6。20世纪80年代初期，由于受GPS硬件性能和昂贵价格的制约，研究人员局限于系统仿真研究。利用GPS来确定姿态的第一次实验是由美国海军水面武器中心（NAVSWC）完成的。NAVSWC在1982年11月重新处理了1980年5月收集的相位测量数据(作为GPS灵敏度的实验部分）。采用的方法是：单天线围绕一个精确的边长为2m的正三角的每个顶点停留数分钟收集数据。GPS接收机是由斯坦福通信公司（STI)制造的单卫星跟踪接收机。这次试验验证了当相位测量不中断时,它具有高精度改变位置估算的潜力。1985年1月，美国天宝（Trimble）公司开始了一个由NAVSWC提供的小型新技术研究（SBIR）合同,研制能确定位置和姿态的GPS接收机。1988年7月，该接收机在美国海军Yorktown号导弹巡洋舰上进行了试验，航向和姿态接收机（HAT)采用3个排成直角形阵列的天线.用于确定航向和纵摇的第一基线长60cm,用于确定横摇的第二基线长40cm,天线周围防护栏杆由不反射的纤维玻璃制成.姿态测量设备由接收机和手提式电脑组成，姿态计算是在试验后处理的7。进入20世纪90年代，国外各大公司竞相开展GPS姿态系统的研制和试验，并取得了令人瞩目的进展。目前已商业化的产品有Ashtech 3DF系统，NovAtel Beeline系统，Hemisphere Crescent和Trimble的TANSVECTOR、MS860系统.上述系统试验结果表面其姿态测量精度能达到0。03至0。5,实际精度指标还要取决于GPS天线的配置和多路径影响8。除了以上各大公司在GPS姿态测量方面取得了进展外，各研究机构、大学在姿态测量算法研究、基线布阵方法和误差分析等研究领域也做了大量工作,取得了不少成果.但研究工作基本上都集中于提高组合导航系统的精度。目前，东南大学、国家GPS工程中心、武汉大学、三所航空大学、西安导航研究所、海军工程大学等都取得了一些应用成果9。随着GPS姿态测量系统产品的问世，许多厂家和研究机构把研究重点转移到提高系统的可靠性、精度、实时跟踪能力等方面.根据最新资料，几个有代表性的研究方向为：1. 算法研究：GPS姿态测量除了硬件设备条件外，关键技术是算法研究和软件实现，特别是整周模糊度快速确定算法的研究。2. 组合研究：充分发挥GPS姿态测量的优势与其它系统进行组合,GPS的定位和姿态测量功能与惯性导航系统（INS)或平台罗经系统或其它导航仪器进行组合，特别是全姿态组合和速度组合，可以发挥各自优势.GPS姿态测量系统成本低、校准时间短,与INS可以组成价格低、性能高的组合系统。3. 超短基线的应用研究:由于GPS的姿态测量精度直接与天线之间的空间距离密切相关.从理论上讲，基线越长，姿态测量精度就越高。但是基线太长，在使用时，安装环境受到制约，同样也限制了系统的应用范围.如基线太长，一般的飞机和汽车难以安装，或者安装基线的刚度不够.另外,基线太长或刚度不够，会影响计算精度和实时解算,特别会影响模糊度计算和多路径效应.4. 简化系统结构、进一步降低成本：Kornfield等人提出用单一天线测量飞机的姿态信息。该姿态信息与传统的基于机体坐标系的纵摇和横摇不同，它是基于分级速度轴的姿态角.试验结果证明，由单一GPS天线提供的姿态信息可以作为飞机姿态测量的备份，也可用于原姿态测量系统的故障诊断.对于21世纪舰船导航技术的发展，国际导航界专家一致认为将以GPS(包括GLONASS）、INS、电子海图和组合导航4个研究方向为重点。GPS除了导航定位外,还将应用于载体的航向及姿态测量。要想成功地将GPS姿态系统应用于舰船等载体上,除了需进一步提高测量精度外，还必须提高输出数据更新率，满足实时测量的要求，这是目前和未来开发的重点10。GPS不仅可以实时、全天候地提供载体的位置、速度和1pps秒脉冲信号，而且利用相位干涉原理，采用天线布阵技术，可以实现载体的航向及姿态的测量。应用GPS测量姿态,不仅成本低,而且可以提供较高的精度，基本满足一般载体的需要，其最大特点是误差不随时间累积，是一种不依赖于精密机械技术的导航仪器，有人称之为“GPS陀螺”。低成本的“GPS陀螺”姿态测量易实现冗余技术、故障检测和隔离技术,而这些技术正是保障载体运行的关键技术，对于在海上作业或执行远航任务尤为重要1114.1。3 课题的科学意义和应用前景国外生产的这些GPS导航测姿产品,其市场价格均相当昂贵。而且作为一个有着极大潜力的买方市场，深入研究GPS姿态测量系统的关键技术,开发较为实用的相关软件,形成产品，是一项十分有意义的工作.在航海上,GPS所提供的连续、高精度的船位对船舶导航定位、保证船舶安全经济地航行在计划航线上起着极为重要的作用。GPS船舶姿态测量系统，为船体姿态测定开辟了新的途径。它在测量航向和姿态的同时，也可以进行测速和定位,是一个功能比较齐全的导航设备。随着载波相位动态跟踪技术的发展，以此为基础的GPS船舶姿态测量系统会逐渐显示出其巨大的潜力及优越性，这将对航海技术的发展产生重要的影响。1。4 课题研究工作及论文主要内容在陆地的车辆行驶监测、海洋的远洋作业调度、航空的飞行自主导航以及航天的低轨通讯卫星群的实时轨道测量等应用中，我们都需要知道载体的三维姿态.GPS测姿，是在一个载体的几个不同位置上分别安设GPS信号接收天线,再用GPS姿态解算算法求解出运动载体的姿态参数。本文结合所做课题应用加拿大NovAtel公司的两块OEMV1板和飞利浦公司LPC2138ARM7芯片，研究设计出基于单基线的GPS姿态测量系统.在载体上两个位置安放GPS天线，利用GPS载波相位测量的差分模型,结合整周模糊度的快速求解算法来测定载体的基线向量，从而得到载体的二维姿态信息。主要工作集中于GPS载波相位差分技术，在最小二乘搜索技术基础上，提出整周模糊度快速解算新的方法，并设计出相应的算法实现程序。采集数据，解算出航向，验证算法和软硬件的正确性、可行性。全文共分六章，各章节内容简介如下：第1章 简要介绍了本课题研究的目的、意义及其发展现状。第2章 主要介绍了GPS系统组成、接收机原理、时空参考系统及导航电文的结构。第3章 论述了GPS的伪距法和载波相位技术的定位原理.第4章 详细阐述姿态测量原理和整周模糊度快速解算新方法.第5章 介绍系统采用的GPS板卡及相关信息和硬件设计方案.第6章 通过设计系统软件解算出实验测试结果,对系统的可行性进行验证。最后总结本文所做的工作，并提出一些有待改进之处。- 59 -第2章 GPS卫星导航定位系统第2章GPS卫星导航定位系统2。1GPS概述1957年10月4日，原苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星，它开创了空间技术造福人类的新时代.50多年来，人造地球卫星技术在通信、气象、导航、地球勘探、地球动力学、天文学和军事科学等众多学科领域，得到了极其广泛的应用，推动了科学技术的迅猛发展，也丰富了人类的科学文化生活15。1955年12月，美国霍普金斯大学应用物理实验室在美国海军的资助下，研制了一种卫星导航系统，即“海军卫星导航系统”，因为这些导航卫星是沿着地球子午圈的轨道运行-轨道绕过地球的南北两极上空,故又称之为子午卫星导航系统。1964年该系统建成,随即在美国军方使用,1967年7月，美国政府批准解密子午卫星所发送的导航电文部分内容而提供民用使用。由于子午卫星导航系统不受气象条件的影响，自动化程度较高，且具有良好的定位精度，所以，利用它所发送的导航信号和导航电文进行导航定位测量的技术和应用，取得了许多令人瞩目的成就。子午卫星导航系统将导航和定位技术推向了一个新的发展时代，是导航史上划时代的事件.但它仍然存在着一些明显的不足，该系统卫星个数较少（56颗）、运行高度较低（平均约1000km）、从地面站观测到卫星的时间间隔较长,而且发射频率较低，难以补偿电离层效应的影响。所以难以满足高动态、高精度目标（飞机、导弹等)导航的要求。从大地测量学方面来看，由于它定位速度慢、精度也较低，所以该系统在大地测量学和地球动力学方面的应用也受到了很大的限制.1973年12月,美国国防部批准它的海陆空三军联合研制一种新的军用卫星导航系统-Navigation by satellite timing and ranging（NAVSTAR）global positioning system(GPS），即GPS卫星全球定位系统,简称GPS系统。GPS系统是美国国防部提出建立的一种可以定时和测距空间交汇点的导航系统1。它可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息,满足军事部门和民用部门的需要。它的整个发展大概分为三个阶段:第一阶段为原理方案可行性验证阶段.从1978年到1979年，共发射了四颗试验卫星,建立了地面跟踪网，研制了地面GPS接收机,对系统的硬件和软件进行了试验.试验结果令人满意。第二阶段为系统的研制与试验阶段。从1979年到1984年，又连续发射了7颗试验卫星.第一阶段和第二阶段共发射了11颗试验卫星。同时，研制了各种导航型接收机和测地型接收机。试验表明，GPS的定位精度大大超过设计标准，其中粗码（C/A码）的定位精度远远超过设计标准，高达20m。由此证明，GPS计划是相当成功的。第三阶段为最后的工程发展与完成阶段。1989年2月4日，发射了第一颗GPS工作卫星，到1994年3月10日共研制发射了28颗工作卫星。同时，高精度的导航型接收机和采用相位差分技术的GPS载体姿态测量接收机,满足了精密导航与制导等一系列军事目的的要求。从1978年发射第一颗GPS试验卫星以来，利用该系统进行定位的研究、开发和试验工作，发展异常迅速。理论和实践表明，GPS同其它导航系统相比，有如下一些主要特点:l 全球地面连续覆盖。由于GPS卫星的数量较多，且分布合理，所以地球上任何地点,均可连续地同步观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续的三维定位；l 功能多，精度高。GPS可以为各类用户连续地提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息；l 实时定位.利用GPS系统导航，可以实时监视和修正航行路线，以便选择最佳航线;l 应用广泛.随着GPS定位技术的发展,其应用的领域在不断拓宽。目前，在导航方面,它不仅已广泛地用于海上、空中和陆地运动目标的导航，而且，在运动目标的监控与管理,以及运动目标的报警与救援等方面，也获得了成功的应用；在测量工作方面，这一定位技术在大地测量、工程测量、工程与地壳变形监控、地籍测量和海洋测绘等各个领域的应用，也已经非常普遍.2。2 GPS系统的组成GPS由3段组成：卫星星座、地面控制/监测网络和用户接收设备。GPS联合计划办公司(JPO)对这些组成部分分别命名为空间、控制和用户设备区段。卫星星座包括在轨卫星，它们向用户设备提供测距信号和导航电文.控制段（CS)对空间的卫星进行跟踪和维护，CS监测卫星的健康状况和信号的完好性，并维持卫星的轨道布局。此外CS更新卫星的时钟校正量和星历，以及其他许多对确定用户位置、速度和时间（PVT)至关重要的参数。最后，用户接收机设备，即用户段完成导航、授时和其他有关的功能16。2.2。1空间星座部分空间段即卫星星座,用户根据该星座的卫星进行测距测量。空间飞行器（SV,即卫星）发射进行用于测距测量的PRN码信号。GPS系统对用户来说是无源系统，即GPS系统只发射信号，而用户只接收信号.所以，可以有无数的用户同时使用GPS系统.卫星发射的测距信号由包含卫星位置信息的数据进行调制。卫星包括有效载荷和飞行器控制子系统。最主要的有效载荷导航载荷,用于GPSPVT任务;其他有效载荷包括核爆炸监测系统（NUDET），用于检测和报告基于地球的辐射现象。空间段主要包括两个方面的基本内容：其一是以轨道来表示的卫星星座和卫星在轨道中的位置；其二是占据每一轨道位置的卫星特征.美国政府对卫星星座的基本配置由24颗卫星构成。在这种配置下，卫星位于6个地心轨道平面内，每个轨道面4颗卫星。GPS卫星的额定轨道周期是半个恒星日，或者说11小时58分。各轨道接近于圆形,而且沿赤道以60间隔均匀分布,相对于赤道面的倾斜角额定为55。图2。1描述了GPS星座。轨道半径(即从地球质心到卫星的额定距离）大约为26600km.这一卫星星座为全球用户提供24小时的导航和时间确定能力。因此,在同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约四分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线上，同时位于地平线上的卫星数目,随时间和地点而异，最少为4颗，最多为11颗.GPS卫星在空间的上述配置，保障了在地球上的任何地点，任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星，加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响,因此GPS是一个全球性、全天候的连续实时的定位系统。并且空间部分有34颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，保障GPS空间部分正常而高效地工作17。图2。1GPS卫星的星座Fig。2。1 The GPSconstellation2.2。2地面监控部分控制段（CS）的责任是维护卫星和维持其正常功能，包括将卫星保持在正确的轨道位置和监测卫星子系统的健康与状况。CS也监测卫星的太阳能电池、电池的功率电平以及用于机动的推进燃料量。此外,CS还激活和备份卫星以维持系统的可用性。CS至少每天更新一次每颗卫星的时钟、星历和历书,以及在导航电文中的其他指标量。当需要提高导航精度的时候,更新将更加频繁。GPS的地面监测部分（CS）主要由MCS、L波段监测站和S波段地面天线组成.CS的主要功能由MCS完成，它由美国空军空间司令部的第二空间指挥中队（2SOPS）操控，位于科罗拉多州科罗拉多泉城的谢里佛尔空军基地（AFB）。它作为GPS运行的任务控制中心，提供每周7天、每天24小时连续的GPS服务.目前为止，CS由两个MCS、6个监测站和4个地面天线组成。分布在阿森松岛,迪戈加西亚,夸贾林，夏威夷，科罗拉多泉城,卡纳维拉尔角。MCS提供对GPS星座的主要命令和控制。其功能包括:l 监测和维持卫星的健康状态；l 监测卫星轨道；l 估计和预测卫星时钟和星历参数；l 产生GPS导航电文；l 维持GPS授时服务及其与UTC（USNO）的同步；l 监测导航服务完好性；l 循环校验并记录传送给GPS用户的导航信息;l 控制卫星机动以在飞行器故障时维持GPS轨道的恢复位置。2.2。3用户设备部分GPS用户设备的核心是GPS接收机,一般由主机、天线、电源和数据处理软件等组成.它的主要功能是接收GPS卫星发送的导航信号，捕获和跟踪各卫星信号的伪随机噪声码和载波,从中解调出卫星星历、星钟修正参数等;通过测量本地伪随机噪声码与卫星的伪随机噪声码之间的时延测定伪距测量值,通过测量载波频率变化和载波相位变化获取伪距变率和载波相位观测值；根据获取的这些数据，计算出用户接收机的三维位置坐标、速度和时间等信息,并将这些结果显示在屏幕上，也可以通过输出端口输出。用户设备部分对用户来说是至关重要的。空间部分和监控部分是用户利用GPS系统进行定位的基础，只有通过GPS信号接收机，才能实现定位的目的。用户部分的主要任务是接收GPS卫星发射的无线电信号，获得必要的信息及观测量，经数据处理从而完成导航、定位、测速和定时等工作。2。3 GPS接收机GPS接收机,是GPS导航卫星的用户设备，是实现GPS卫星导航定位的终端仪器。它是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接收设备，既具有常用无线电接收设备的共性,又具有捕获、跟踪和处理卫星微弱信号的特征。2.3。1GPS信号接收机的主要单元GPS接收机的基本结构框图如图2。2所示，从设备结构的角度来看，可概括为天线单元和接收单元两大部分。对于大多数的GPS信号接收机而言，图中的两个单元被分别安装成两个独立的部件,以便天线单元能安设在运动载体或地面的适当点位上,接收单元置于载体内部或附近的适当地方，用10100m的天线电缆将两者连成一个整机，仅由一个电源对该机供电.天线接收机处理器I/O控制显示单元直流稳压电源电源图2.2 GPS接收机结构图Fig.2.2The frame map of GPSa) 天线：卫星信号是通过天线接收到的，天线为右旋圆极化(RHCP）的并提供 近于半球形的覆盖。典型的覆盖范围是160,其增益从天顶的约2。5dBic变化到仰角15时的近于1。当我们用GPS接收机解算位置的时候，实际上是在估计天线的电子相位中心的位置。相位中心既有物理的也有电子的.天线的物理中心可以用一把尺子实际测量.而电子相位中心与物理相位中心常常不在同一点，可能会随着接收信号到达方向的变化而变化。在一些GPS天线的天线盒可能会装入一个低噪声放大器，成为有源天线。其目的是在接收机内维持一个低的噪声系数。但这种放大器需要供电，通常由接收机前端通过RF同轴电缆供电。天线必须具有足够的带宽以通过需要的信号.GPS信号接收天线必须具有下列特性:(1) 波束半带宽大于70的半球状天线方向图;(2) 电波右旋圆极化;(3) 精确定义和稳定的相位中心;(4) 较强的多径效应抑制能力；(5) 能够接收GPS信号的多个载波频率;(6) 轻便的尺寸和重量;(7) 高度稳定的机械性能。b) 信号接收处理单元:GPS接收机通常需要一个处理器通过其操作顺序对接收机进行控制与指挥，作为接收机的核心部分，包括软硬件。负责接收来自卫星的信号，经过中频放大，滤波和信号处理，实现对信号的跟踪,锁定，测量。由基带处理器和跟踪环路重建载波进行码剥离，解码,从而得到广播电文，并获得伪距定位信息.根据需要，GPS接收机可设计成112通道。现在，GPS接收机中广泛采用并行多通道技术.接收机主要由码跟踪环和载波相位跟踪环组成:码跟踪环是将本机PRN码与接收到的卫星PRN码对齐，实现卫星的跟踪，识别和伪距测量。载波相位跟踪环由锁相环（PLL）和科斯塔斯锁相环（Costas PLL）组成.实现复制载波相位与接收到的卫星载波相位锁定，进行载波相位测量，以求得测相伪距。c) 输入/输出装置：I/O装置是GPS设备和用户之间,将接收到的信息通过串口或并口传递给处理设备。d) 电源可能是组合的、外置的，或者两者结合。在组合或自备实现方式中，典型情况下使用碱性电池或锂电池。而在组合方式应用中一般使用已有的电源.机载、车载和船载GPS设备一般使用平台的电源。综上所述,GPS接