GPS技術(shù)原理與應(yīng)用

GPS技術(shù)原理與應(yīng)用第一頁，共47頁。目錄1GPS概述2GPS定位原理3GPS接收機的計算（偽距法）4GPS應(yīng)用與展望第二頁，共47頁。1GPS概述

GPS（全球定位系統(tǒng)）、RS（遙感）和GIS（地理信息系統(tǒng)）是三種相互獨立，又相互依賴、相互滲透的現(xiàn)代空間信息技術(shù)，簡稱3S技術(shù)。1.13S與GPS系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)：GlobalPositioningSystem，簡稱GPS；遙感：RemoteSensing，簡稱RS；地理信息系統(tǒng)：GeograpyInformationSystem，簡稱GIS。1.1.13S系統(tǒng)第三頁，共47頁。遙感圖片：朝鮮舞水端里導(dǎo)彈（火箭）發(fā)射基地第四頁，共47頁。長江上游土壤侵蝕敏感性指數(shù)圖

利用GIS系統(tǒng)，在ERDAS軟件支持下進行加權(quán)疊加計算獲得的土壤侵蝕敏感性指數(shù)數(shù)字模型。（長江上游侵蝕特征及其對策，崔鵬，范建容，高克昌）第五頁，共47頁。背景資料：衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，包括各類運動目標的導(dǎo)航、各種固定目標的精確定位以及對大氣的探測等。1.1.2衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)GPS系統(tǒng)·美北斗導(dǎo)航系統(tǒng)·中格魯納斯系統(tǒng)·俄伽利略系統(tǒng)·歐衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)第六頁，共47頁。1.1.3GPS系統(tǒng)開發(fā)重點位置、速度、時間、運動還是靜止并高精度、不受天氣影響必須能提供民用的可能。

滿足用戶需要必須是連續(xù)、全球、三維的民用能力重點第七頁，共47頁。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)使用示意圖第八頁，共47頁。1.2全球定位系統(tǒng)——GPS定義：由美國建立，在全球范圍內(nèi)進行導(dǎo)航與定位的系統(tǒng)，稱為全球定位系統(tǒng)，簡稱GPS。背景資料：

GPS于1973年12月開始由美國國防部批準其海、陸、空三軍聯(lián)合研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成并正式投入使用。目前GPS已具備在海、陸空進行全方位、全天候、實時三維導(dǎo)航與定位能力，同時可以測時、測速?，F(xiàn)工作衛(wèi)星為GPS第二代衛(wèi)星。第九頁，共47頁。

GPS

全稱：NAVigationSistemwithTimingAndRangingGlobalPositioningSystem(NAVSTARGPS)；是由美國國防部開發(fā)運行的，它可以民用和軍用。背景資料：民用標準定位服務(wù)SPS（StandardPositioningService)信號可由公眾自由使用，而軍用精確定位服務(wù)PPS（PrecisePositioningService）信號只能由官方授權(quán)的機構(gòu)使用。第一顆GPS衛(wèi)星是1978年2月22日放入軌道的，現(xiàn)在有28顆衛(wèi)星在20,180公里的高空在六個不同的軌道平面運行。每一個軌道與赤道成55度夾角，以保證在地球上任何一點任何時候都至少能與四個衛(wèi)星進行無線通訊。每個衛(wèi)星內(nèi)有四個原子鐘，繞地球轉(zhuǎn)一周將近12小時。1.2全球定位系統(tǒng)——GPS（續(xù)）第十頁，共47頁。GPS定位衛(wèi)星運行示意圖第十一頁，共47頁。1.2.2GPS構(gòu)成GPS衛(wèi)星星座地面監(jiān)控系統(tǒng)用戶設(shè)備空間衛(wèi)星地面控制部分GPS接收機GPS第十二頁，共47頁。1.2.3GPS系統(tǒng)可獲得的信息

使用GPS，地球上任何一個地點的以下兩值可以確定：

1、確切的位置：經(jīng)度、緯度和高度坐標。精度范圍從20米到1米；

2、精確的時間（世界標準時間，UniversalTimeCoordinated,UTC），精度范圍從60ns到將近5ns。而速度和方向可由坐標和時間來確定，坐標和時間由圍繞地球的28顆GPS衛(wèi)星決定。第十三頁，共47頁。GPS定位導(dǎo)航示意圖

GPS接收機可用于定位、導(dǎo)航、測量和授時等，可以用于個人，如休閑活動：徒步旅行、飛行、滑雪等；也可廣泛用于公司企業(yè)，如測量、授時、導(dǎo)航、汽車監(jiān)控等。第十四頁，共47頁。GPS衛(wèi)星群的示意圖第十五頁，共47頁。NAVSTAR·GPS衛(wèi)星第十六頁，共47頁。1.3格魯納斯——GLONASS定義：

俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，其英文名稱為：GlobalOrbitingNavigationSatelliteSystem，簡稱為GLONASS。背景資料：該系統(tǒng)的空間衛(wèi)星部分與GPS原理基本相同，1999年達到比較完善的階段。由于經(jīng)濟的原因，系統(tǒng)中設(shè)計壽命到期的衛(wèi)星未能適時得到更新，使得工作衛(wèi)星數(shù)量達不到導(dǎo)航定位的要求。俄現(xiàn)今正在尋求國際經(jīng)濟合作，希望盡快恢復(fù)GLO-NASS系統(tǒng)。第十七頁，共47頁。格魯納斯系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星圖片1第十八頁，共47頁。格魯納斯系統(tǒng)導(dǎo)航衛(wèi)星圖片2第十九頁，共47頁。1.4伽利略系統(tǒng)——GNS定義：在現(xiàn)歐盟主導(dǎo)下啟動的伽利略系統(tǒng)，英文名稱為GalileoNavigationSystem，簡稱GNS。背景資料：該系統(tǒng)空間部分計劃由30顆衛(wèi)星組成，原定于2008年投入使用，屬于純民用系統(tǒng)。我國為該系統(tǒng)的合作成員國家。第二十頁，共47頁?！百だ浴毕到y(tǒng)衛(wèi)星模擬圖第二十一頁，共47頁。1.5北斗導(dǎo)航系統(tǒng)——BDNS定義：

我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，英文名稱為BeidouNavigationSystem，簡稱BDNS。背景資料：北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是除美、俄外第三個建成的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可全天候、全天時服務(wù)于我國及周邊地區(qū)，定位精度可達數(shù)十米。系統(tǒng)空間衛(wèi)星部分由3顆“北斗一號”導(dǎo)航定位衛(wèi)星組成。第二十二頁，共47頁。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星使用示意圖第二十三頁，共47頁。2GPS定位原理

每一個GPS衛(wèi)星里至少有四個原子鐘，GPS衛(wèi)星以1575.42MHz頻率向地球發(fā)送自身精確的位置信號和準確的時間信號。這些時間以光速傳播300，000km/s，信號到達衛(wèi)星正下方地球表面的時間將近67.3ms。信號每傳輸一公里的時間是3.33微秒。2.1GPS信號傳輸時間背景資料：原子鐘是當(dāng)前眾所周知的最精確的設(shè)備，每3萬年到100萬年最多慢一秒。第二十四頁，共47頁。

確定在海、陸、空中的位置，所需的就是精確的時間，將衛(wèi)星信號到的時間和衛(wèi)星信號的發(fā)射時間綜合，就可得到傳輸時間。

GPS信號傳輸示意圖第二十五頁，共47頁。

定位點到衛(wèi)星的空間距離S可以通過傳輸時間T來決定：S=T×C

式中C是光速。2.2三維空間中位置的確定2.2.1空間距離第二十六頁，共47頁。2.2.2三維位置

要確定三維空間的位置，需要三顆衛(wèi)星，如果到三顆衛(wèi)星的距離已知，三顆衛(wèi)星的坐標已知，則三維空間位置也就可知?？臻g所有的點都可以落在到三個衛(wèi)星距離為半徑的球的表面，而要確定的點就是三個球表面的交點。第二十七頁，共47頁。2.2.3GPS定位誤差校正

衛(wèi)星上的時鐘都進行了同步，所以幾顆衛(wèi)星到測量點的傳輸時間的誤差值是相同的。背景資料：對于一個GPS接收機，要測量精確的時間，一個高精度的同步的時鐘是必須的。傳輸時間上僅一微秒的誤差，將造成位置計算上300米的誤差。測量誤差高精度的同步的時鐘數(shù)學(xué)方法第二十八頁，共47頁。2.2.4GPS定位計算變量

有N未知變量，需要N個獨立方程。如果時間測量伴隨差一個恒定的未知誤差，要確定三維空間位置，出現(xiàn)四個未知的變量，即：經(jīng)度（X）緯度（Y）高度（Z）時間誤差（Δt）

為了確定這四個未知的變量，需要四個獨立的方程，四個不同的衛(wèi)星提供所需的四個傳輸時間。所以28顆衛(wèi)星的分布方式是：在地球上任何時候任何一個點上，同時能“見到”至少四顆衛(wèi)星。第二十九頁，共47頁。三維空間準確定位示意圖第三十頁，共47頁。3.1偽距法及原理GPS接收機的時間和UTC時間不一定同步，因此它會慢或快一個時間Δt0。當(dāng)接收機時間快，則Δt0是正值，否則為負。時間誤差Δt0引起了測量的GPS信號傳輸時間和距離的誤差，由此，這個測量出來的不精確的距離被稱為偽距（pseudo-range，PSR）。我們把這種測量方法稱之為偽距法。背景資料：衛(wèi)星內(nèi)部是原子鐘，衛(wèi)星傳輸信號時的時間是非常精確的，并且所有的衛(wèi)星時鐘都根據(jù)世界協(xié)調(diào)時（UTC）調(diào)整并且彼此同步。3GPS接收機的計算（偽距法）第三十一頁，共47頁。3.1偽距法及原理（續(xù)）

計算基于卡迪爾三維坐標系統(tǒng)以地心為原點。接收機與四顆衛(wèi)星的距離R1，R2，R3，R4（如上圖）可分別通過信號傳輸時間Δt1，Δt2，Δt3，Δt4來計算出。由于四顆衛(wèi)星發(fā)送信號時的位置坐標已知，所以接收機所在地坐標可計算出。第三十二頁，共47頁。3.2GPS坐標系統(tǒng)背景資料：

WGS-84

（WorldGeodeticSystem1984,世界測地學(xué)系統(tǒng)1984）坐標系統(tǒng)，是相對于地球中心的位置系統(tǒng)，此系統(tǒng)又稱為ECEF（EarthCentered,EarthFixed)。

WGS-84是一個三維的，右手定測的，卡迪爾坐標系統(tǒng)，其坐標原點地球橢圓體的中心。坐標系統(tǒng)不一致GPS測量和計算出的位置與測量者參考系統(tǒng)不一致WGS-84統(tǒng)一3.2.1WGS-84坐標系統(tǒng)第三十三頁，共47頁。WGS-84參考系統(tǒng)X軸的正向位于赤道環(huán)繞的平面，從地心指向赤道和格林威治子午線交界點（子午0點）。Y軸也位于赤道平面但指向X軸東90度。Z軸垂直XY平面由地心指向地球北極。在WGS-84參考系統(tǒng)中，橢圓的長半軸a為6,378,137.00米，短半軸b為6,356,752.31米。第三十四頁，共47頁。3.2.2坐標轉(zhuǎn)換

在應(yīng)用中橢圓體坐標經(jīng)度φ，緯度λ，高度h，和卡迪爾坐標系統(tǒng)X，Y，Z都常用到。

WGS-84坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為橢圓體坐標系統(tǒng)：第三十五頁，共47頁。橢圓體坐標系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為WGS-84坐標系統(tǒng)：3.2.2坐標轉(zhuǎn)換（續(xù)）第三十六頁，共47頁。3.3空間定位的計算公式在計算位置時以下關(guān)系是關(guān)健的：Δtmeas=Δt+Δt0PSR=Δtmeas×C=(Δt+Δt0)×C或PSR=R+Δt0×C

上式中：Δtmeas是接收機測量出的衛(wèi)星信號傳輸時間；Δt是信號從衛(wèi)星傳輸?shù)浇邮諜C的實際時間；Δt0是接收機時鐘與衛(wèi)星時鐘的偏差值；PSR是偽距；C是光速；R是衛(wèi)星與接收機之間實際的距離。第三十七頁，共47頁。

衛(wèi)星與接收機之間實際的距離R可由卡迪爾三維坐標系統(tǒng)計算出：

為了計算出四個未知數(shù)Δt0及三維坐標X、Y、Z，四個獨立方程是必需的。

式中i取1...4，即要確定位置，必須同時接收到四顆衛(wèi)星有效數(shù)據(jù)。3.3空間定位的計算公式（續(xù)）第三十八頁，共47頁。4GPS應(yīng)用與展望4.1.1導(dǎo)航

●船舶遠洋導(dǎo)航和進港引水

●飛機航路引導(dǎo)和進場降落

●汽車自主導(dǎo)航

●緊急救生

●個人旅游及野外探險

●個人通訊終端（與手機，PDA，電子地圖等集成一體）

4.1GPS應(yīng)用第三十九頁，共47頁。4.1.2追蹤

●地面車輛跟蹤和城市智能交通管理

●物流、資產(chǎn)、保險

●車輛防盜

●人員跟蹤、監(jiān)護

第四十頁，共47頁。4.1.3授時

●電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時間同步

●準確時間的授入

●準確頻率的授入

第四十一頁，共47頁。4.1.4測量

●各種等級的大地測量，控制測量

●道路和各種線路放樣

●水下地形測量

●地殼形變測量，大壩和大型建筑物變形監(jiān)測

●GIS應(yīng)用

●工程機械（輪胎吊，推土機等）控制

●精細農(nóng)業(yè)第四十二頁，共47頁。4.2GPS技術(shù)發(fā)展展望在未來日常民用及軍事戰(zhàn)爭中GPS將發(fā)揮更加巨大的作用。這樣的形勢下迫使GPS技術(shù)必須要有新的突破。導(dǎo)航定位衛(wèi)星技術(shù)主要發(fā)展趨勢可總結(jié)為三個方面。背景資料：

1999年的海灣戰(zhàn)爭中，裝在大衣口袋中的GPS接收機為無地圖沙漠作戰(zhàn)發(fā)揮了巨大作用。在“盟軍行動”中，把慣導(dǎo)GPS集成系統(tǒng)裝入導(dǎo)彈和制導(dǎo)導(dǎo)彈，使命中精度達到9m，而且使機載炸彈具備了在夜間和惡劣天氣條件下的精確打擊能力。由此可見，GPS早已成為高技術(shù)武器平臺不可缺少的關(guān)鍵組成部分。

第四十三頁，共47頁。4.2.1采用創(chuàng)新軌道設(shè)計背景資料