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沈阳航空航天大学课程设计论文 GPS位置定位原理一 概述近年来，随着GPS技术的不断发展与创新，其拥有除军事外更广泛的应用领域。 GPS（Global Position System,全球定位系统），全称为NAVSTAR GPS（NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，导航星测时与测距全球定位系统）。GPS是一个由美国国防部开发的空基全天侯导航系统，它用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。1.GPS发展历程1957年10月第一颗人造地球卫星Sputnik发射成功，空基导航定位由此开始1958年开始设计NNSS-TRANSIT,即子午卫星系统；1964年该系统正式运行；1967年该系统解密以供民用。1973年，美国国防部批准研制GPS;1991年海湾战争中，GPS首次大规模用于实战；1994年，GPS全部建成投入使用；2000年，克林顿宣布，GPS取消实施SA(对民用GPS精度的一种人为限制策略)。2.美国政府的的GPS策略两种GPS服务：SPS-标准定位服务，民用，精度约为100M；PPS-精密定位服务，军用和得到特许的民间用户使用，精度高达10M.两种限制民用定位精度的措施(保障国家利益不受侵害)：SA-选择可用性，认为降低普通用户的测量精度，限制水平定位精度100M，垂直157M(已于2005年5月1日取消);AS-反电子欺骗。3.其他卫星导航系统GLONASS（全球轨道导航卫星系统），前苏联Galileo-ENSS（欧洲导航卫星系统，即伽利略计划），欧盟北斗导航系统，中国。二 GPS构成GPS系统=空间部分+控制部分+用户部分 图1 GPS构成1.空间部分GPS空间部分主要由24颗GPS卫星构成，其中21颗工作卫星，3颗备用卫星。24颗卫星运行在6个轨道平面上，运行周期为12个小时。保证在任一时刻、任一地点高度角15度以上都能够观测到4颗以上的卫星。主要作用：发送用于导航定位的卫星信号。构成：24颗卫星=21颗工作卫星+3颗备用卫星 图2 GPS空间部分 2.控制部分GPS控制部分由1个主控站，5个检测站和3个注入站组成。组成：GPS控制部分=主控站（1个）+监测站（5个）+注入站（3个）作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。主控站：从各个监控站收集卫星数据，计算出卫星的星历和时钟修正参数等，并通过注入站注入卫星；向卫星发布指令，控制卫星，当卫星出现故障时，调度备用卫星。监控站：接收卫星信号，检测卫星运行状态，收集天气数据，并将这些信息传送给主控站。注入站：将主控站计算的卫星星历及时钟修正参数等注入卫星。 图3 GPS控制系统分布情况：主控站：位于美国科罗拉多州（Calorado）的法尔孔（Falcon）空军基地。注入站：阿松森群岛（Ascendion）,大西洋；迭戈加西亚（Diego Garcia）,印度洋；卡瓦加兰（Kwajalein），东太平洋。监控站：1个与主控站在一起；3个与注入站在一起；另外一个在夏威夷（Hawaii）,西太平洋。3.用户部分GPS用户设备部分包含GPS接收器及相关设备。GPS接收器主要由GPS芯片构成。如车载、船载GPS导航仪，内置GPS功能的移动设备，GPS测绘设备等都属于GPS用户设备。组成：主要为GPS接收器作用：接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备，GPS系统的消费者。GPS定位是目前最为精确、应用最为广泛的定位导航技术，以后将会成为每一个移动设备的标配之一。现在的中高端只能手机，有相当一部分已经配备了GPS硬件。那么针对GPS定位的开发技术也将成为一项主流常规技术。本文目的在于让准备进行GPS定位开发的编程人员对于GPS有一个大致的了解，这对于编程可能没有什么直接的帮助，但是我想了解一下GPS的大致工作原理，在编程过程中就能够对GPS设备的工作特性有一个感性的认识，这对于开发还是有很大间接好处的。三 定位原理1.GPS基本原理GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来，以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。2.位置数据解算可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标x、y、z外，还要引进一个t即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=cti(i=1、2、3、4)。di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。c为GPS信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。四 GPS数学模型GPS定位，实际上就是通过四颗已知位置的卫星来确定GPS接收器的位置。 图4 星与接收器如图所示，图中的GPS接收器为当前要确定位置的设备，卫星1、2、3、4为本次定位要用到的四颗卫星:Position1、Position2、Position3、Position4分别为四颗卫星的当前位置（空间坐标），已知d1、d2、d3、d4分别为四颗卫星到要定位的GPS接收器的距离，已知Location 为要定位的卫星接收器的位置，待求那么定位的过程，简单来讲就是通过一个函数GetLocation(),从已知的Position1,d1、Position2,d2、Position3,d3、Position4,d4四对数据中求出Location的值。用程序员熟悉的函数调用来表示就是：Location=GetLocation(Position1,d1,Position2,d2,Position3,d3,Position4,d4);1.Position1、Position2、Position3、Position4这些位置信息来源实际上，运行于宇宙空间的GPS卫星，每一个都在时刻不停地通过卫星信号向全世界广播自己的当前位置坐标信息。任何一个GPS接收器都可以通过天线很轻松地接收到这些信息，并且能够读懂这些信息（这其实也是每一个GPS芯片的核心功能之一）。这就是这些位置信息的来源。2.d1、d2、d3、d4这些距离信息来源我们已经知道每一个GPS卫星都在不辞辛劳地广播自己的位置，那么在发送位置信息的同时，也会附加上该数据包发出时的时间戳。GPS接收器收到数据包后，用当前时间（当前时间当然只能由GPS接收器自己来确定了）减去时间戳上的时间，就是数据包在空中传输所用的时间了。知道了数据包在空中的传输时间，那么乘上他的传输速度，就是数据包在空中传输的距离，也就是该卫星到GPS接收器的距离了。数据包是通过无线电波传送的，那么理想速度就是光速c，把传播时间记为Ti的话，用公式表示就是：di=c*Ti(i=1,2,3,4);这就是di(i=1,2,3,4)的来源了。3.GetLocation()函数这个函数是我为了说明问题而虚构的，事实上未必存在，但是一定存在这样类似的运算逻辑。这些运算逻辑可以由软件来实现，但是事实上可能大都是由硬件芯片来完成的（这可能也是每一个GPS芯片的核心功能之一）。4.四对参数根据立体几何知识，三维空间中，三对Positioni,di这样的数据就可以确定一个点了（实际上可能是两个，但我们可以通过逻辑判断舍去一个），为什么这里需要四对呢？理想情况下，的确三对就够了，也就是说理想情况下只需要三颗卫星就可以实现GPS定位。但是事实上，必须要四颗。因为根据上面的公式，di是通过c*Ti计算出来的，而我们知道c值是很大的（理想速度即光速），那么对于时间Ti而言，一个极小的误差都会被放大很多倍从而导致整个结果无效。也就是说，在GPS定位中，对时间的精度要求是极高的。GPS卫星上是用銫原子钟来计时的，但是我们不可能为每一个GPS接收器也配一个銫原子钟，因为一个銫原子钟的价格可能已经超过了这个GPS设备再加上使用GPS的这辆名贵汽车的价格。同时，由于速度c也会受到空中电离层的影响，因此也会有误差;再者，GPS卫星广播的自己的位置也可能会有误差。其他等等一些因素也会影响数据的精确度。总之，数据是存在误差的。这些误差可能导致定位精确度降低，也可能直接导致定位无效。GetLocation（函数）中多用了一组数据，正是为了来校正误差。至于具体的细节，我们就不用关心了，我们只要知道，多用一组数据，就可以通过一些巧妙的算法，消除或减小误差，保证定位有效。这就是GetLocation（）函数必须用四组数据的原因，也就是为什么必须有四颗卫星才能定位的原因。5.GetLocation（）函数返回的位置信息被GPS设备识别的过程前面说在进行位置计算时都是用的空间坐标形式表示，但是对GPS设备及应用程序而言，通常需要用的是一个经度，纬度，高度这样的位置信息。那么我们可以想象，在GetLocation()函数返回位置结果前，可能会进行一个从空间坐标形式到经纬度形式的转换，我们不妨假设存在一个Convert(经纬度，空间坐标)这样的函数来进行这个转换。6.单点定位与差分定位实际上上面所说的只是定位原理中的其中一种，称为单点定位，或绝对定位。就是通过唯一的一个GPS接收器来确定位置。图单点定位目前定位精度最高的是差分定位，或称相对定位。就是通过增加一个参考GPS接收器来提高定位精度。图差分定位五 结论最初设计GPS的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但后来的应用开发表明，GPS不仅可以达到上述目的，而且用GPS卫星信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和纳秒级精度的时间测量。用GPS信号可以进行海陆空的导航，导弹制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间传递和速度测量等。在测绘领域，GPS定位技术已用于建立高精度的大地测量控制网， 测定地球动态参数；在精密工程的变形监测方面，它也发挥着极其重要的作用。可以预测，随着GPS技术的进一步发展，GPS的应用将进入我们的日常生活，甚至会改变我们的生活方式。所有的运载工具，都将依赖于GPS，GPS就像移动电话，计算机互联网对我们的生活产生的影响一样，人们逐渐离不开它。六 课设体会通过GPS课程设计，我学到了很多知识。在整个课程设计过程中，从最开始接触GPS技术到做相应实验，最后完成论文报告，都使我受益匪浅。有针对性的查阅相关资料，比如了解了GPS的发展及在身边的一些电子产品上的应用。对GPS定位的工作过程有了一个初步的了解，在不断地研究和学习GPS工作原理的过程中，既丰富了我在校期间的学习内容，又使我增强了对GPS系统的学习兴趣。在此，感谢课程设计老师在整个课程设计过程中对我的悉心指导和帮助。 七 参考文献：【1】 吴学伟、伊晓东主编者 . GPS定位技术与应用. M北京：科学出版社，2010年12月【2】陈军，易翔，梁高波译，GPS惯性导航组合，M北京：电子工业出版社，2011年2月【3】邱致和，王万义译，GPS原理与应用，北京：电子工业出版社2