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)的應用定位系統(tǒng)的應用四、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）,是一種可以授時和測距的空間交會定點的導航系統(tǒng),可向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息。 1967年美國政府批準該系統(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，美國海軍武器實驗室，開始著手建立為美國海軍艦艇導航的衛(wèi)星

2、系統(tǒng)，即“海軍導航衛(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，是繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的第三項龐大空間計劃。 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，由地面上用戶接收機實時地連續(xù)接收，并計算出接收機天線所在的位置。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收到4顆 以上衛(wèi)星發(fā)出的信號，計

3、算機根據(jù)這些信號可計算出用戶目前在地球坐標系中的位置。衛(wèi)星在圍繞其軌道運行時，向地面發(fā)出的信息，包括其軌道位置信息和電波發(fā)射時刻信號。接收機根據(jù)衛(wèi)星所發(fā)出的信號到接收到信號所經(jīng)歷的時間，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 個軌道面上（每個軌道面4 顆）。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預存導航信

4、息，GPS的衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題；隨著時間的推移，導航精度會逐漸降低。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 前方交會前方交會 后方交會后方交會 地面監(jiān)控站地面監(jiān)控站GPS接收機接收機 u1 1個主控站個主控站:Colorado springs(:Colorado springs(科羅拉科羅拉多多. .春田市春田市) )。u3 3個注入站個注入站: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個監(jiān)控站：個監(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)星通過導航電文發(fā)送給用戶； 保持各顆衛(wèi)星的時間同步； 必要時對衛(wèi)星進行調(diào)度。二、二、GPS的組成及工作原理的組成及工作原理3.用戶設備部分用戶設備部分用戶設備部分即GPS 信號接收機。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)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，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)，接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息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)高速運動的衛(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的方法，確定待測點的位置，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終端到各個衛(wèi)星之間的距離：r1,r2,r3 2）各個衛(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：通過測量信號從衛(wèi)星發(fā)送到接收機所用的時間，乘以信號傳播速度，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，知道信號什么時間發(fā)射出去的，但是不知道信號是什么時間到達接收機的；站在接收機角度，知道信號什么時間收到的，但是不知道信號是什么時間發(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)星鐘與用戶接收機鐘保持嚴格同步。但在實踐中這是難以實現(xiàn)的。 時間延遲實際為信號的接收時刻與發(fā)射時刻之差，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，要求接收機鐘與衛(wèi)

8、星鐘嚴格同步，且保持頻標穩(wěn)定。實際上，這是難以做到的，在任一時刻，無論是接收機鐘還是衛(wèi)星鐘，相對于GPS時間系統(tǒng)下的標準時（以下簡稱GPS標準時）都存在著GPS鐘差，即鐘面時與GPS標準時之差。 設接收機p1在某一歷元接收到衛(wèi)星信號的鐘面時為tp1，與此相應的標準時為Tp1，則接收機鐘鐘差為111pppTtt若該歷元第i顆衛(wèi)星信號發(fā)射的鐘面時為t i，相應的GPS標準時為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)星信號的發(fā)射時刻和接收時刻均化算到GPS標準時，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)星和接收機時鐘不同步，但是衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的時鐘是同步的，這樣我們可以把接收機和GPS衛(wèi)星的時鐘差Ta= 。當作一個未知量，增加一顆觀察衛(wèi)星，求解這四個未知數(shù)，四個等式的方程組，即可求得終端的位置（x，y，z）以及接收機和衛(wèi)星之間的時鐘差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，要求出接收機的準確位置，還需要知道這四顆衛(wèi)星自身的準確位置。 衛(wèi)星的準確位置是由GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)和參考時間計算出來的，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,定位越準確； 一般, GPS接收機可同時收到的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 使 用 載 波 差分 及 偽 距 差 分 則 定位 精 度 可 達 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)、動態(tài)測量都需要事后進的測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進行解算才能獲得厘米級的精度，而行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分(Real - time kinematic)方法，是方法，是GPS應用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形應用的重大里程碑，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定定位時要求基準站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)位時要求基準站接收機實時地把觀測數(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)傳輸給流動站接收機。知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機。RTK測量原理圖測量原理圖發(fā)射電臺GPS主機基準站基準站移動站移動站GPS主機采集器接收電臺4.1 GPS的應用都是基于以下兩個基本服務的應用都是基于以下兩個基本服務一、空間位置服務定位：汽車防盜、緊急救生；導航：交通工具導航、導彈制導；測量：距離、速度、大地測繪；二、時間服務系統(tǒng)同步：CDMA通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)；1.授時。三、三、GPS定位系統(tǒng)的應用定位系統(tǒng)的應用三、三、GPS定位系統(tǒng)的應用定位系統(tǒng)

13、的應用 年，德國寶馬汽車公司第一個在它生產(chǎn)的“”系列的頂級汽車上提供衛(wèi)星導航設備。 到世紀末，大多數(shù)中等級別的汽車都將有衛(wèi)星導航系統(tǒng)。公路的利用率將因此而提高，并逐步會發(fā)展成全球一體化的運輸網(wǎng)。 據(jù)預測，在20102015年間，約有50的汽車在出廠時，就已經(jīng)裝備了車載導航系統(tǒng)。汽車衛(wèi)星導航系統(tǒng)汽車衛(wèi)星導航系統(tǒng) 3.2 汽車汽車GPS導航系統(tǒng)的功能導航系統(tǒng)的功能1 導航功能 使用者在車載GPS導航系統(tǒng)上任意標注兩點后,導航系統(tǒng)便會自動根據(jù)當前的位置,為車主設計最佳路線。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,

14、可以準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對衛(wèi)星信號的接收計算,可以測算出行駛的具體速度,比一般的里程表準確很多。三、三、GPS定位系統(tǒng)的應用定位系統(tǒng)的應用三、三、GPS定位系統(tǒng)的應用定位系統(tǒng)的應用 由于汽車衛(wèi)星導航系統(tǒng)的自身工作特點決定了它要精確工作需要的兩個條件： 1）精確的坐標；2）準確的地圖。精確的坐標精確的坐標這個只有依靠全球定位系統(tǒng)才能解決的，目前也就四個系統(tǒng)，美國的GPS，俄羅斯“格格納斯”，中國“北斗”，歐盟“伽利略“，民用方面所能夠達到的精度有限，在一些特殊時期精度將會人為降低。準確的地圖準確的地圖 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)（政府機關(guān)所在地等）可能會發(fā)生一定的偏移。而在一些急需導航的偏遠地區(qū)地圖的準確度更低，經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的地圖精度要好。汽車衛(wèi)星導航系統(tǒng)的缺點汽車衛(wèi)星導航系統(tǒng)的缺點三、三、GPS定位系統(tǒng)的應用定位系統(tǒng)的應用GPS預警器預警器GPS預警器是通過GPS衛(wèi)星在GPS預警器中設定坐標來完成的，比如遇到一個電子眼，然后通過相關(guān)設備在電子眼的正下方設立一個坐標，這樣，使得裝上這個坐標點數(shù)據(jù)的預警器到達這個點時，在達到坐標點的前300米左右就會開始預警，告訴車主前面有電子眼測速，不能超速駕駛，這樣就起到一個預警作用。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和遠

16、程的GPS智能車載終端。遠程的GPS智能車載終端將車輛所處的位置信息、運行速度、運行軌跡等數(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，會立即進行分析、比對等處理，并將處理結(jié)果以正常信息或者報警信息兩類形式顯示給管理員，由管理員決定是否要對目標車輛采取必要措施。GPS在道路工程中的應用 三、三、GPS定位系統(tǒng)的應用定位系統(tǒng)的應用 隨著高等級公路的迅速發(fā)展，對勘測技術(shù)提出了更高的要求，由于線路長，已知點少，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)建立線路首級高精度控制網(wǎng)，然后用常規(guī)方法布設導線加密。實踐證明，在幾十公里范圍內(nèi)的點位誤差只有2厘米左

17、右，達到了常規(guī)方法難以實現(xiàn)的精度。 GPS技術(shù)也同樣應用于特大橋梁的控制測量中，可以提高點位精度，同時對檢測常規(guī)測量的支點也非常有效。 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“伽利略計劃”3、北斗衛(wèi)星導航系統(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，其定位精度可以達到1米，而GPS只能達到10米。 定位精度與GPS民用定位精度相當；具有短報文通信功能，一次可傳送多達120個漢字的信息。 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個軌道平面上，這3個軌道平面兩兩相隔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”計劃的總投資預計為36億歐元，由分布在3個軌道上的30顆衛(wèi)星組成。 該系統(tǒng)與GPS類似，可以向全球任何地點提供精確定位信號。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，其定位精度可以達到1米，而GPS只能達到10米。2、歐洲“伽利略”計劃”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)之后世界第三個成熟的衛(wèi)星導航系統(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、二十四小時的即時定位服務，定時精度可達數(shù)十納秒(ns)的同步精度，其精度與GPS相當。工程總投資：100億元工程期限：1994年2020年北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由空間段計劃由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顆靜止軌道衛(wèi)星定點位置為東經(jīng)58.75、80、110.5、140、160，中地球軌道衛(wèi)星運行在3個軌道面上，軌道面之間為相隔120均勻分布。至2012年底北斗亞太區(qū)域?qū)Ш秸介_通時，已為正式系統(tǒng)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了16顆衛(wèi)星，其中14顆組網(wǎng)并提供服務，分別為5顆靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道