GPS原理教程

1、 GPS发展概况 GPS系统构成 GPS测距原理 GPS定位模式 常见问题 早期导航系统及其特点 Landmarks:仅在当地区域工作，易受环境因素移动或破坏。 Dead Reckoning:非常复杂，精度决定于通常相对粗糙的测量工具。 Celestial:复杂，仅在好天气情况下晚间工作，有限精度。 OMEGA: 基于相对很少的电台指示信标，精度有限且易受电台 干扰。 LORAN: 覆盖区域有限（大多在海岸），精度可变，受地理位 置影响，容易堵塞或受干扰。 SatNav: 基于低频多普勒测量，因此对接收机微小的运动都很 敏感。 军备竞赛时期，洲际导弹系统成为各国极为推崇的东 西，美国与前苏联的

2、军事对抗为GPS的诞生提供了很好的 理由，另外，GPS能够在陆海空三个领域提供实时、全天 候、全球性的导航服务，于是在美国国防部（DOD）的主 持下，耗费120亿美元，历时20年，终于在1994年完成了 这项伟大的工程！在研发过程中，他们还发现GPS信号还 能进行厘米级甚至毫米级定位，还可以进行时间测量，民 用GPS呈现了广阔的应用前景。 可能在系统建成以后，前苏联不存在了，DOD感到一丝郁闷，就把它 的部分信号开放，转给了民用，从此，民用GPS队伍越来越壮大，其接收机 数量也远远超过了军方使用的数量！ 然后，我们公司诞生了！ 同时，我们也有了这份工作.来之不易呀！ GPS能提供接收机天线相位

3、中心的位置， 不管在什么天气条件下，也不管在地球上 任何位置！ GPS天线必须有最少观测卫星数（直线路 径） 用途广泛：导航、测量、授时、测图等 观测简便，减少野外工作时间和劳动强 度 定位精度好：静态可达毫米级，动态可 达厘米级 经济效益高 GLONASS（前苏联建造， 24颗卫星） NAVSTA（欧洲空间局ESA，6颗地球同步 卫星，12颗高椭圆轨道卫星） GNSS：全球导航卫星系统，当前没有，只 是计划，GPS是它的一个子集 美国FAA开发的一个差分GPS系统，它利用一些分散 在美国的参考站，类似美国海岸护卫队航事DGPS系 统的差分改正站，但系统自己不传送改正信号。它们 监控GPS信号

4、、电离层状况和WAAS改正信号，并把 这些数据传送给WAAS主控站，主控站收集参考站的 数据，并验证，生成新的WAAS改正信号，然后把这 些信号传送到InMarSat同步地球通讯卫星，通过卫星 把这些信号再传送给整个美国。这些卫星以GPS的L1 频率传送改正信号，但使用与GPS卫星不同的伪随机 码。 WAAS信标接收机很容易集成到GPS接收机里 WAAS试验系统1996年投入使用 L5载波 BLOCK 的发射 Your location is: 37o 23.323 N 122o 02.162 W 整个系统有三部分构成： GPS星座 地面监控站 用户接收机 向用户连续不断地发送导航 定位信号，

5、并用导航电文报 告自己的位置以及其它在轨 卫星的位置 接收地面注入站发送到卫星 的导航电文和其它信息，并 通过GPS信号发送给用户 接收地面主控站发送到卫星 的调度指令。 一个主控站： 位于科罗拉多 三个注入站： 大西洋的阿松森、印度洋的迭戈伽西亚、太平洋的 卡瓦加兰 五个监控站： 除以上四个，还有在夏威夷一个 收集数据：监控站、气象、卫星时钟、卫 星工作状态 编算导航电文：计算卫星卫星星历、时钟 改正、状态数据、信号传播改正 诊断状态：监测地面系统、检验导航电文 调度卫星：轨道改正、启用备用卫星 基本部分：GPS接收 机、GPS天线 你的位置：你的位置： 37o 23.323 N 122o

6、02.162 W 辅助部分：电源,固定 和对中装置等 捕获、跟踪卫星，接收GPS信号 并将它变换、放大和处理，测量 信号传播时间进以计算三维坐标 甚至速度、时间 接收机不仅需要机内软件，还需要GPS数据后处 理软件包才完整 按接收的载波频率类别多少，分为单频（L1）和 双频（L1、L2） 载波：调制有导航电文和伪随机码，有两 种：L1（19cm，1575.42MHz）；L2 （24cm，1227.60MHz） 伪随机码：是一个“开”、“关”脉冲的 序列，由卫星产生并发送至用户接收机， 调制导航电文形成组合码，C/A码和P码两 种 导航电文：关于卫星轨道、时钟改正和其 它系统状态信息的低频信号

7、a b a = 长半轴 b = 短半轴 a b)(a f 扁率b a l f H 椭球高 经度 纬度 H l f 椭球模型 N N N hh h H H H 地面地面 椭球椭球 大地水准面大地水准面 海拔高海拔高h = H - N h = 正高正高 H = 椭球高椭球高 N = 大地水准面高大地水准面高 椭球参数：a=6378245，f=1/298.3 这个参数决定了椭球形状，但椭球位置尤 其是中心原点的位置需要我们用已知54坐 标点进行校正求出 我们的采用高程是海拔高，以黄海平均海 平面为起点，所以有了大地水准面的问题 五个逻辑步骤： 三角测量 测量距离 精确定时 卫星监控 误差剔除 别急！

8、卫星和我们接 收机的距离怎么得来 的呢？ 很简单，卫星信号传 播的速度可以光速计， 那么：速度x时间=距 离 ，多么简单的 公 式！. 关键是时间怎么测量 假设卫星和接收机同 时产生同样的伪随机 码 对比这两个码得出 GPS信号传播的延迟 就是传播历经的时间 （通常很短） 再用这个时间乘以光 速得出距离 时间测量的精确与否关系重大，误差千分 之一秒，距离误差可达200m！ 原子钟：原子钟不是依靠原子能工作的， 之所以得名是因为它们使用一种特殊原子 的振动作为它们的节拍器。这种定时形式 比人们开发出来的时钟更稳定、更精确。 这么高精度的东西价值510万美元！不可 能作为民用接收机的配件！ 通过对

9、第四颗卫星进行距离的测量，就不用 安装那么昂贵的东西了！ 不过这要求接收机至少有4个通道，而我们 5700接收机的零头就够了！ 卫星的确切位置DOD 事先已经确定好了， 坐标系也是确定的， 这样就能定出我们接 收机的位置 DOD还会连续不断地监控卫星轨道的误差， 并把这些误差传到接收机里，我们不用担心卫 星方面的问题！ GPS误差源： 卫星时钟影响小 轨道误差影响小 电离层影响大 对流层影响大 接收机噪音影响较小 多路径影响较大 用了差分GPS以后，搞定！ 卫星信号波段数（整周数）需要几颗卫星 的数据共同确定 GPS定位所需时间就是正确确定整周未知 数所需时间，快速解算它对提高GPS定位 速度

10、和效率起决定性作用 整周模糊度解算成功称为初始化 静态定位和动态定位： 一般，待定点相对周围固定点没有可察 觉的运动称为静态定位；否则，动态。 单点定位和相对定位： 独立确定待定点在坐标系中的位置称为 单点定位；确定同步跟踪相同GPS卫星信 号的若干台接收机之间相对位置的方法称 为相对定位。 建立在WGS84坐标系下 消除SA影响以后，水平精度10m，垂直精 度15m 多台接收机在不同测站进行静止同步观测， 时间由几分钟、几小时、甚至数十小时不 等 接收机接收伪距、载波相位等信号观测值 必须下载观测值到计算机进行后处理 主要应用于各等级大地测量跟踪网、基准 网、工程控制网、变形监测网等 三个过

11、程： 测前工作 实施测量 数据处理 测前的准备工作： 测区位置及其范围 用途和精度等级 点位分布及点的数量 提交成果的内容 时限和经费 交通及通讯条件 星历预报 选点、埋石 布网 点连式 边连式 混连式 测量 数据处理 基线处理 同步观测的两个点之间才 能构成基线 网平差 无约束平差 约束平差 二维约束 三维约束 基准站实时地将测量的载波相位观测值、 伪距观测值、基准站坐标等用无线电传送 给运动中的流动站，流动站接收后将载波 相位观测值实时进行差分处理得到两站相 对坐标； 加上基准站坐标得出流动站WGS84坐标 通过转换参数求出当地坐标系下的三维坐 标 也可以分为三步： 点位选择： 测量实施 数据处理 基准站上空开阔，以保证对卫星的连续跟 踪和卫星信号的质量 基准站周围200m内无大功率无线电发射设 施、高压输电线，减少电磁波对卫星信号 的干扰 基准站远离高层建筑、大片水域等，减少 多路径影响 基准站应该交通便利、易于保存 星历预报 基准站架设 流动站测量 所谓RTK技术就是载波相位动态实时差分（Real Time Kinematic）技术，它能够实时地提供测站指定坐标系中 的三维定位结果，并达到厘米级精度。在RTK作业模式下， 基准站通过数据链将其观测值（伪距和载波相位观测值） 和测站坐标信息