GPS定位系統(tǒng)原理簡明講解

1、GPS定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)李含倫一、一、GPS的發(fā)展背景的發(fā)展背景二、二、GPS的組成及工作原理的組成及工作原理三、三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用定位系統(tǒng)的應(yīng)用四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng)四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng)目錄目錄1、 GPS的定義的定義 全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）,是一種可以授時(shí)和測距的空間交會(huì)定點(diǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng),可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。 1967年美國政府批準(zhǔn)該系統(tǒng)解密，提供民用。一、一、GPS的發(fā)展背景的發(fā)展背景2 2、GPSGPS發(fā)展過程發(fā)展過程 1958年，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室，開始著手建立為美國海軍艦艇導(dǎo)航的衛(wèi)星

2、系統(tǒng)，即“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（Navy Navigation Satellite SystemNNSS）。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星都通過地極，也稱“子午(Transit)衛(wèi)星系統(tǒng)”。 1964年該系統(tǒng)建成，并在美國軍方啟用。 美國從1973年開始籌建全球定位系統(tǒng)，1994年投入使用。 經(jīng)歷20年，耗資300億美元，是繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后的第三項(xiàng)龐大空間計(jì)劃。 GPS定位技術(shù)是利用高空中的GPS衛(wèi)星，向地面發(fā)射L波段的載頻無線電測距信號(hào)，由地面上用戶接收機(jī)實(shí)時(shí)地連續(xù)接收，并計(jì)算出接收機(jī)天線所在的位置。在地平線上的衛(wèi)星數(shù)目在411顆左右，在地球的任何地方都能同時(shí)收到4顆 以上衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，計(jì)

3、算機(jī)根據(jù)這些信號(hào)可計(jì)算出用戶目前在地球坐標(biāo)系中的位置。衛(wèi)星在圍繞其軌道運(yùn)行時(shí)，向地面發(fā)出的信息，包括其軌道位置信息和電波發(fā)射時(shí)刻信號(hào)。接收機(jī)根據(jù)衛(wèi)星所發(fā)出的信號(hào)到接收到信號(hào)所經(jīng)歷的時(shí)間，便可算出兩者的距離。 二、二、GPS的組成及工作原理的組成及工作原理1、GPS的組成的組成 GPS定位系統(tǒng)是由以下三個(gè)部分組成：二、二、GPS的組成及工作原理的組成及工作原理1.空間部分空間部分GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成（3顆備用衛(wèi)星），它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6 個(gè)軌道面上（每個(gè)軌道面4 顆）。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信

4、息，GPS的衛(wèi)星因?yàn)榇髿饽Σ恋葐栴}；隨著時(shí)間的推移，導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。二、二、GPS的組成及工作原理的組成及工作原理 夏威夷夏威夷 阿松森島阿松森島 科羅拉多科羅拉多 狄哥加西亞狄哥加西亞 卡瓦加蘭卡瓦加蘭 前方交會(huì)前方交會(huì) 后方交會(huì)后方交會(huì) 地面監(jiān)控站地面監(jiān)控站GPS接收機(jī)接收機(jī) u1 1個(gè)主控站個(gè)主控站:Colorado springs(:Colorado springs(科羅拉科羅拉多多. .春田市春田市) )。u3 3個(gè)注入站個(gè)注入站:Ascencion(:Ascencion(阿森松群島阿森松群島) )、 Diego Garcia(Diego Garcia(迭哥伽西亞迭哥伽西亞) )

5、、kwajalein(kwajalein(卡瓦卡瓦加蘭加蘭) )。u5 5個(gè)監(jiān)控站：個(gè)監(jiān)控站： 以上主控站、注入站及以上主控站、注入站及Hawaii(Hawaii(夏威夷夏威夷) )。2. 地面控制系統(tǒng)地面控制系統(tǒng)跟蹤計(jì)算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，由衛(wèi)星通過導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶； 保持各顆衛(wèi)星的時(shí)間同步； 必要時(shí)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行調(diào)度。二、二、GPS的組成及工作原理的組成及工作原理3.用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分即GPS 信號(hào)接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)

6、出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息1222212222122221( 1)( 1)( 1) 2( 2)( 2)( 2) 3( 3)( 3)( 3) rXxYyZzrXxYyZzrXxYyZz GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測點(diǎn)的位置，如圖所示。 為了求得GPS終端的位置（x,y,z），需要先獲得兩組數(shù)據(jù)： 1）GPS終端到各個(gè)衛(wèi)星之間的距離：r1,r2,r3 2）各個(gè)衛(wèi)星的位置：Xn,Yn,Zn二、二、GPS的組成

7、及工作原理的組成及工作原理 距離測量采用單程測量方法：通過測量信號(hào)從衛(wèi)星發(fā)送到接收機(jī)所用的時(shí)間，乘以信號(hào)傳播速度，就可以求得距離：rCT 二、二、GPS的組成及工作原理的組成及工作原理 站在衛(wèi)星角度，知道信號(hào)什么時(shí)間發(fā)射出去的，但是不知道信號(hào)是什么時(shí)間到達(dá)接收機(jī)的；站在接收機(jī)角度，知道信號(hào)什么時(shí)間收到的，但是不知道信號(hào)是什么時(shí)間發(fā)送出來的。 由于全球定位系統(tǒng)采用了單程測距原理，所以要準(zhǔn)確地測定衛(wèi)星至觀測站的距離，就必須使衛(wèi)星鐘與用戶接收機(jī)鐘保持嚴(yán)格同步。但在實(shí)踐中這是難以實(shí)現(xiàn)的。 時(shí)間延遲實(shí)際為信號(hào)的接收時(shí)刻與發(fā)射時(shí)刻之差，即使不考慮大氣折射延遲，為得出衛(wèi)星至測站間的正確距離，要求接收機(jī)鐘與衛(wèi)

8、星鐘嚴(yán)格同步，且保持頻標(biāo)穩(wěn)定。實(shí)際上，這是難以做到的，在任一時(shí)刻，無論是接收機(jī)鐘還是衛(wèi)星鐘，相對(duì)于GPS時(shí)間系統(tǒng)下的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)（以下簡稱GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)）都存在著GPS鐘差，即鐘面時(shí)與GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)之差。 設(shè)接收機(jī)p1在某一歷元接收到衛(wèi)星信號(hào)的鐘面時(shí)為tp1，與此相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)為Tp1，則接收機(jī)鐘鐘差為111pppTtt若該歷元第i顆衛(wèi)星信號(hào)發(fā)射的鐘面時(shí)為t i，相應(yīng)的GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)為T i，則衛(wèi)星鐘鐘差為iiiTtt二、二、GPS的組成及工作原理的組成及工作原理 若忽略大氣折射的影響，并將衛(wèi)星信號(hào)的發(fā)射時(shí)刻和接收時(shí)刻均化算到GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，則在該歷元衛(wèi)星i到觀測站p1的幾何傳播距離可表示為ipipipcTT

9、c111)(可得 )()(111ipipipttcttc二、二、GPS的組成及工作原理的組成及工作原理 雖然衛(wèi)星和接收機(jī)時(shí)鐘不同步，但是衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的時(shí)鐘是同步的，這樣我們可以把接收機(jī)和GPS衛(wèi)星的時(shí)鐘差Ta= 。當(dāng)作一個(gè)未知量，增加一顆觀察衛(wèi)星，求解這四個(gè)未知數(shù)，四個(gè)等式的方程組，即可求得終端的位置（x，y，z）以及接收機(jī)和衛(wèi)星之間的時(shí)鐘差Ta。 衛(wèi)星越多精度越高。12222122221222212222r1(X1x)(Y1y)(Z1z) C( t1Ta)r2(X2x)(Y2y)(Z2z) C( t2Ta)r3(X3x)(Y3y)(Z3z) C( t3Ta)r4(X4x)(Y4y)(Z4z

10、) C( t4Ta) 二、二、GPS的組成及工作原理的組成及工作原理iptt1 從方程組知道，要求出接收機(jī)的準(zhǔn)確位置，還需要知道這四顆衛(wèi)星自身的準(zhǔn)確位置。 衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置是由GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)和參考時(shí)間計(jì)算出來的，這些信息稱為衛(wèi)星星歷，它包含在GPS的衛(wèi)星電文中。 可確定物體（如飛行器）位置（經(jīng)度、緯度、高度）；？ 衛(wèi)星越多,定位越準(zhǔn)確； 一般, GPS接收機(jī)可同時(shí)收到的4-11顆衛(wèi)星的。位置信息。二、二、GPS的組成及工作原理的組成及工作原理 如 果 使 用 載 波 差 分 或 同 時(shí) 使 用 載 波 差分 及 偽 距 差 分 則 定位 精 度 可 達(dá) 5 - 10 mm B什么是什么是RT

11、K技術(shù)技術(shù)常規(guī)常規(guī)GPS的測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測量都需要事后進(jìn)的測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而行解算才能獲得厘米級(jí)的精度，而RTK是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位是能夠在野外實(shí)時(shí)得到厘米級(jí)定位精度的測量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分精度的測量方法，它采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分(Real - time kinematic)方法，是方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)

12、效率。RTK定定位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測數(shù)據(jù)位時(shí)要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實(shí)時(shí)地把觀測數(shù)據(jù)(偽距觀測值，相位觀測值偽距觀測值，相位觀測值)及已及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)。知數(shù)據(jù)傳輸給流動(dòng)站接收機(jī)。RTK測量原理圖測量原理圖發(fā)射電臺(tái)GPS主機(jī)基準(zhǔn)站基準(zhǔn)站移動(dòng)站移動(dòng)站GPS主機(jī)采集器接收電臺(tái)4.1 GPS的應(yīng)用都是基于以下兩個(gè)基本服務(wù)的應(yīng)用都是基于以下兩個(gè)基本服務(wù)一、空間位置服務(wù)定位：汽車防盜、緊急救生；導(dǎo)航：交通工具導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)；測量：距離、速度、大地測繪；二、時(shí)間服務(wù)系統(tǒng)同步：CDMA通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)；1.授時(shí)。三、三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用定位系統(tǒng)的應(yīng)用三、三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用定位系統(tǒng)

13、的應(yīng)用 年，德國寶馬汽車公司第一個(gè)在它生產(chǎn)的“”系列的頂級(jí)汽車上提供衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備。 到世紀(jì)末，大多數(shù)中等級(jí)別的汽車都將有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。公路的利用率將因此而提高，并逐步會(huì)發(fā)展成全球一體化的運(yùn)輸網(wǎng)。 據(jù)預(yù)測，在20102015年間，約有50的汽車在出廠時(shí)，就已經(jīng)裝備了車載導(dǎo)航系統(tǒng)。汽車衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)汽車衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 3.2 汽車汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的功能導(dǎo)航系統(tǒng)的功能1 導(dǎo)航功能 使用者在車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)上任意標(biāo)注兩點(diǎn)后,導(dǎo)航系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前的位置,為車主設(shè)計(jì)最佳路線。2 轉(zhuǎn)向語音提示功能 車輛遇到前方路口或者轉(zhuǎn)彎,車載GPS語音系統(tǒng)提示用戶轉(zhuǎn)向等語音提示。3 定位功能 GPS通過接收衛(wèi)星信號(hào),

14、可以準(zhǔn)確地定出其所在的位置,位置誤差小于10m。4 測速功能 通過GPS對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的接收計(jì)算,可以測算出行駛的具體速度,比一般的里程表準(zhǔn)確很多。三、三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用定位系統(tǒng)的應(yīng)用三、三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用定位系統(tǒng)的應(yīng)用 由于汽車衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自身工作特點(diǎn)決定了它要精確工作需要的兩個(gè)條件： 1）精確的坐標(biāo)；2）準(zhǔn)確的地圖。精確的坐標(biāo)精確的坐標(biāo)這個(gè)只有依靠全球定位系統(tǒng)才能解決的，目前也就四個(gè)系統(tǒng)，美國的GPS，俄羅斯“格格納斯”，中國“北斗”，歐盟“伽利略“，民用方面所能夠達(dá)到的精度有限，在一些特殊時(shí)期精度將會(huì)人為降低。準(zhǔn)確的地圖準(zhǔn)確的地圖 處于國家安全的考慮，各國公布的地圖精度有限，某

15、些特殊地區(qū)（政府機(jī)關(guān)所在地等）可能會(huì)發(fā)生一定的偏移。而在一些急需導(dǎo)航的偏遠(yuǎn)地區(qū)地圖的準(zhǔn)確度更低，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的地圖精度要好。汽車衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)汽車衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)三、三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用定位系統(tǒng)的應(yīng)用GPS預(yù)警器預(yù)警器GPS預(yù)警器是通過GPS衛(wèi)星在GPS預(yù)警器中設(shè)定坐標(biāo)來完成的，比如遇到一個(gè)電子眼，然后通過相關(guān)設(shè)備在電子眼的正下方設(shè)立一個(gè)坐標(biāo)，這樣，使得裝上這個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)的預(yù)警器到達(dá)這個(gè)點(diǎn)時(shí)，在達(dá)到坐標(biāo)點(diǎn)的前300米左右就會(huì)開始預(yù)警，告訴車主前面有電子眼測速，不能超速駕駛，這樣就起到一個(gè)預(yù)警作用。GPStar智能智能GPS系統(tǒng)系統(tǒng)主要由兩大部分組成，即：本地的監(jiān)控中心軟件管理平臺(tái)和遠(yuǎn)

16、程的GPS智能車載終端。遠(yuǎn)程的GPS智能車載終端將車輛所處的位置信息、運(yùn)行速度、運(yùn)行軌跡等數(shù)據(jù)傳回到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心接收到這些數(shù)據(jù)后，會(huì)立即進(jìn)行分析、比對(duì)等處理，并將處理結(jié)果以正常信息或者報(bào)警信息兩類形式顯示給管理員，由管理員決定是否要對(duì)目標(biāo)車輛采取必要措施。GPS在道路工程中的應(yīng)用 三、三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用定位系統(tǒng)的應(yīng)用 隨著高等級(jí)公路的迅速發(fā)展，對(duì)勘測技術(shù)提出了更高的要求，由于線路長，已知點(diǎn)少，因此，用常規(guī)測量手段不僅布網(wǎng)困難，而且難以滿足高精度的要求。目前，國內(nèi)已逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級(jí)高精度控制網(wǎng)，然后用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線加密。實(shí)踐證明，在幾十公里范圍內(nèi)的點(diǎn)位誤差只有2厘米左

17、右，達(dá)到了常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)的精度。 GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁的控制測量中，可以提高點(diǎn)位精度，同時(shí)對(duì)檢測常規(guī)測量的支點(diǎn)也非常有效。 四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng)四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng)1、俄羅斯GLONASS（格洛納斯）系統(tǒng)2、歐洲“伽利略計(jì)劃”3、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 與美國的GPS相比，“伽利略”系統(tǒng)可以為民用客戶提供更為精確的定位，其定位精度可以達(dá)到1米，而GPS只能達(dá)到10米。 定位精度與GPS民用定位精度相當(dāng)；具有短報(bào)文通信功能，一次可傳送多達(dá)120個(gè)漢字的信息。 盡管其定位精度比GPS、伽利略略低，但其抗干擾能力卻是最強(qiáng)的。四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng)四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng)1、俄羅斯GLONAS

18、S（格洛納斯）系統(tǒng) 它也由24顆衛(wèi)星組成，原理和方案都與GPS類似，不過，其24顆衛(wèi)星分布在3個(gè)軌道平面上，這3個(gè)軌道平面兩兩相隔120地面控制部分全部都在俄羅斯領(lǐng)土境內(nèi)。 第一顆GLONASS衛(wèi)星于1982年10月12日發(fā)射升空。到目前為止，共發(fā)射了80余顆GLONASS衛(wèi)星?，F(xiàn)在只有11顆衛(wèi)星處于工作狀態(tài)，但是要使該系統(tǒng)具有軍用價(jià)值，在軌道上至少要有18顆星。原子鐘技術(shù)水平不行，衛(wèi)星壽命短。市場開發(fā)不好。四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng)四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng) “伽利略”計(jì)劃的總投資預(yù)計(jì)為36億歐元，由分布在3個(gè)軌道上的30顆衛(wèi)星組成。 該系統(tǒng)與GPS類似，可以向全球任何地點(diǎn)提供精確定位信號(hào)。與美國的

19、GPS相比，“伽利略”系統(tǒng)可以為民用客戶提供更為精確的定位，其定位精度可以達(dá)到1米，而GPS只能達(dá)到10米。2、歐洲“伽利略”計(jì)劃”各種原因一再推遲各種原因一再推遲四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng)四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng)3、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 繼美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）定位系統(tǒng)之后世界第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 該系統(tǒng)分為“北斗一代”和“北斗二代”，分別由4顆（兩顆工作衛(wèi)星、兩顆備用衛(wèi)星）和35顆北斗定位衛(wèi)星、地面控制中心為主的地面部份、北斗用戶終端三部分組成。北斗定位系統(tǒng)可向用戶提供全天候、二十四小時(shí)的即時(shí)定位服務(wù)，定時(shí)精度可達(dá)數(shù)十納秒(ns)的同步精度，其精度與GPS相當(dāng)。工程總投資：100億元工程期限：1994年2020年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段計(jì)劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5