全球定位系统教材

1、全球定位系统全球定位系统v虽然虽然GPS系统有着如此神奇的应用，工系统有着如此神奇的应用，工作原理却不神秘，它的计算基础是大家作原理却不神秘，它的计算基础是大家都熟知的三角计算法则。下面通过一个都熟知的三角计算法则。下面通过一个最简单的例子来说明它的计算过程：最简单的例子来说明它的计算过程：v某人在一个陌生城市迷路某人在一个陌生城市迷路了，只好向别人问路，被了，只好向别人问路，被告知此地距甲地告知此地距甲地625英里英里，由此推测该人可能在以甲由此推测该人可能在以甲地为圆心，以地为圆心，以625英里为英里为半径的圆周上的任何一点，半径的圆周上的任何一点，v可是究竟是哪一点却不得可是究竟是哪一点

2、却不得而知。只好再次询问，得而知。只好再次询问，得知此地同时距乙地知此地同时距乙地650英里，综合这两条信息，英里，综合这两条信息，范围被缩小到相交的小区范围被缩小到相交的小区域。域。v第三次询问得知该处距丙地第三次询问得知该处距丙地615英里，这时便能很清楚英里，这时便能很清楚地知道自己的所在位置。由地知道自己的所在位置。由此看来根据三角计算法则，此看来根据三角计算法则，只要知道某未知地距其他三只要知道某未知地距其他三个已知地的距离，就可以推个已知地的距离，就可以推算处该处精确的二维位置，算处该处精确的二维位置，再加上一个空间高度的已知再加上一个空间高度的已知值便能很容易确定它在三维值便能很

3、容易确定它在三维空间的位置。空间的位置。vGPS之所以能够定位导航，是因为每台之所以能够定位导航，是因为每台GPS接收机无论在任何时刻、在地球上接收机无论在任何时刻、在地球上任何位置都可以同时接收到最少任何位置都可以同时接收到最少4颗颗GPS卫星发送的空间轨道信息。卫星发送的空间轨道信息。全球定位系统全球定位系统(GPS)的定义与分类的定义与分类 GPS定义定义 全球卫星定位系统是利用卫星星座全球卫星定位系统是利用卫星星座(通信卫星通信卫星)、地面控制部分和信号接收机对对象进行动态定地面控制部分和信号接收机对对象进行动态定位的系统。位的系统。GPS能对静态、动态对象进行动态能对静态、动态对象进

4、行动态空间信息的获取，快速、精度均匀、不受天气空间信息的获取，快速、精度均匀、不受天气和时间的限制反馈空间信息。和时间的限制反馈空间信息。GPS分类分类vGPS接收机的分类有多种分类方法：接收机的分类有多种分类方法：1、按接收机的用途分类、按接收机的用途分类2、按接收机的载波频率分类、按接收机的载波频率分类3、按接收机通道数分类、按接收机通道数分类4、按接收机工作原理分类、按接收机工作原理分类按接收机的用途分类按接收机的用途分类(1)导航型接收机：此类接收机主要用于导航型接收机：此类接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采

5、用的位置和速度。这类接收机一般采用CA码伪距测量，单点实时定位精度较码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为低，一般为25m，有有SA影响时为影响时为100m。这类接收机价格便宜，应用这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：机还可以进一步分为：v车载型车载型用于车辆导航定位；用于车辆导航定位；v航海型航海型用于船舶导航定位；用于船舶导航定位；v航空型航空型用于飞机导航定位。由于飞用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能和达应高速运动。收机要求能和达应高速运动。v

6、 星载型星载型用于卫星的导航定位。由于用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度达卫星的运动速度达7kms以上，因此以上，因此对接收机的要求更高。对接收机的要求更高。(2)测地型接收机：测地型接收机主要用测地型接收机：测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。格较贵。(3)授时型接收机：这类接收机主要利用授时型接收机：这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天

7、文台及无线电通讯中时间时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。同步。按接收机的载波频率分类按接收机的载波频率分类(1)单频接收机：单频接收机只能接收单频接收机：单频接收机只能接收L，载波信号，测定载波相位观测值进行定载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线单频接收机只适用于短基线()的精密定位。的精密定位。(2)双频接收机：双频接收机可以同时按双频接收机：双频接收机可以同时按收收L，L2载波信号。利用双频对电离层载波信号。利用双频对电离层延迟不一样的精性，可以消除电离层对延迟不一样的精性，可以消除电离层对

8、电磁波信号延迟的影响，因此双频接收电磁波信号延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。机可用于长达几千公里的精密定位。按接收机通道数分类按接收机通道数分类vGPS接收机能接收机能同时接收多颗同时接收多颗GPS卫星的卫星的信号信号，为了分离接收到的不同卫星信号，为了分离接收到的不同卫星信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：根据接收机所具有的通道种类可分为：多能道接收机、序贯通道接收机、多路多能道接收机、序贯通道接收机、多路多用通道接收机多

9、用通道接收机。按接收机工作原理分类按接收机工作原理分类(1)码相关型接收机：是利用码相关技术得到伪码相关型接收机：是利用码相关技术得到伪距观测值。距观测值。(2)平方型接收机：平方型接收机利用载波信号平方型接收机：平方型接收机利用载波信号的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波的平方技术去掉调制信号，来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。距观测值。(3)混合型接收机：这种仪器是综合上述两种接混合型接收机：这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得

10、到码相位伪距，也可以收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。得到载波相位观测值。(4)干涉型接收机：这种接收机是将干涉型接收机：这种接收机是将GPS卫星作卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。间距离。全球定位系统全球定位系统(GPS)的组成与功能的组成与功能GPS系统包括三大部分：系统包括三大部分：v空间部分一空间部分一GPS卫星星座；卫星星座；v地面控制部分一地面监控系统；地面控制部分一地面监控系统；v用户设备部分一用户设备部分一GPS信号接收机。信号接收机。GPS工作卫星及定位星座：工作卫星及定位星座： 由由21颗

11、工作卫星和颗工作卫星和3颗在轨备用颗在轨备用卫星组成卫星组成GPS卫星星座卫星星座，记做，记做(21+3)GPS星座。星座。24颗卫星颗卫星均匀分布在均匀分布在6个轨道平面内，轨个轨道平面内，轨道倾角度为道倾角度为55度，各个轨道平度，各个轨道平面之间相距面之间相距60度，即轨道的升度，即轨道的升交点赤经各相差交点赤经各相差60度。每个轨度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角道平面内各颗卫星之间的升交角距相差距相差90度，度，轨道平面的卫星轨道平面的卫星颗数随着时间和地点的不同而不颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到同，最少可见到4颗，最多可以颗，最多可以见到见到11颗颗。GPS工作卫星

12、及定位星座工作卫星及定位星座v在用在用GPS信号导航定位时，为了解信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测算测站的三维坐标，必须观测4颗颗GPS卫星，称为定位星座。卫星，称为定位星座。GPS工作卫星及定位星座工作卫星及定位星座vGPS工作卫星的编号和试验卫星基本相工作卫星的编号和试验卫星基本相同。其编号方法有：同。其编号方法有：v按发射先后次序编号；按按发射先后次序编号；按PRN(卫星所卫星所采用的伪随机噪声码采用的伪随机噪声码)的不同编号；的不同编号；vNASA编号编号(美航空航天局对美航空航天局对GPS卫星卫星的编号的编号)；国际编号；国际编号(第一部分为该星发第一部分为该星发射年

13、代，第二部分表示该年中发射卫星射年代，第二部分表示该年中发射卫星的序号，字母的序号，字母A代表发射的有效负荷代表发射的有效负荷)；按轨道位置顺序编号等。按轨道位置顺序编号等。 在导航定位测量中，一般采用在导航定位测量中，一般采用PRN编编号。号。GPS工作卫星及定位星座工作卫星及定位星座在在GPS系统中，系统中，GPS卫星的作用如下：卫星的作用如下：(1)用用L波段的两个无线载波波段的两个无线载波(19cm和和24cm)向广大用户连续不断地发送导航定位信号向广大用户连续不断地发送导航定位信号。每个载波用导航信息每个载波用导航信息D(t)和伪随机码和伪随机码(PRN)测距信号进行双相调制。用于捕

14、获信号及粗测距信号进行双相调制。用于捕获信号及粗略定位的伪随机码叫略定位的伪随机码叫CA(又叫又叫S码码)，精密，精密测距码测距码(用于精密定位用于精密定位)叫叫P码。由导航电文可码。由导航电文可以知道该卫星当前的位置和卫星的工作情况。以知道该卫星当前的位置和卫星的工作情况。(2)在卫星飞越注入站上空时，在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入接收由地面注入站用站用S波段波段(10cm波段波段)发送到卫星的导航电发送到卫星的导航电文和其他有关信息文和其他有关信息，并通过，并通过GPS信号电路，信号电路，适时发送给广大用户。适时发送给广大用户。(3)接收地面主控站通过注入站发送到卫星的接收地面主控

15、站通过注入站发送到卫星的高高度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等钟等。GPS工作卫星及定位星座工作卫星及定位星座v对于导航定位来说，对于导航定位来说，GPS卫星是一动态卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星已知点。星的位置是依据卫星发射的星历历描述卫星运动及其轨道的参数算描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进沿着预定轨道

16、运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标作用是保持各颗卫星处于同一时间标准准GPS时间系统。这就需要地面站时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后监测各颗卫星的时间，求出钟差，然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。电文发给用户设备。地面监控系统地面监控系统vGPS工作卫星的地面监控系统包括一个工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主主控站、三个注入站和五个监测站。主控站设在美国本土科罗拉多。控站设在美国本土科罗拉多。v主

17、控站的任务是搜集、处理本站和监测主控站的任务是搜集、处理本站和监测站收到的全部资料，计算出每颗卫星的站收到的全部资料，计算出每颗卫星的星历和星历和GPS时间系统，将预测的卫星星时间系统，将预测的卫星星历、钟差、状态数据以及大气传播改正历、钟差、状态数据以及大气传播改正编制成导航电文传送到注入站。编制成导航电文传送到注入站。地面监控系统地面监控系统v三个注入站分别设在大西洋的阿林松岛、三个注入站分别设在大西洋的阿林松岛、印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦印度洋的迪戈加西亚岛和太平洋的卡瓦加兰。任务是将主控站发来的导航电文加兰。任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。每天注入三注入到相

18、应卫星的存储器。每天注入三次，每次注入次，每次注入14天的星历。此外，注入天的星历。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。告一次自己的工作状态。地面监控系统地面监控系统v五个监测站均用五个监测站均用GPS信号接收机对每颗信号接收机对每颗可见卫星每可见卫星每6分钟进行一次伪距测量和分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据。积分多普勒观测，采集气象要素等数据。在主控站的遥控下自动采集定轨数据并在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每进行各项改正，每15分钟平滑一次观测分钟平滑一次观测数据，依此推算出每数据，依此

19、推算出每2分钟间隔的观测分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站。值，然后将数据发送给主控站。地面监控系统地面监控系统GPS信号接收机信号接收机vGPS信号接收机能够捕获到按一定卫星信号接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便信号进行变换、放大和处理，以便测量出测量出GPS信号从卫星到接收机天线的信号从卫星到接收机天线的传播时间传播时间，解译出，解译出GPS卫星所发送的导卫星所发送的导航电文，航电文，实时地计算出测站的三维位置，实时地计算

20、出测站的三维位置，甚至三维速度和时间甚至三维速度和时间。全球定位系统全球定位系统(GPS)的的运行机理运行机理(一一)GPS卫星定位的基本原理卫星定位的基本原理vGPS最初是由美国国防部开发的，利用最初是由美国国防部开发的，利用离地面约两万多公里高的轨道上运行的离地面约两万多公里高的轨道上运行的24颗人造卫星所发射出来的讯号，以三颗人造卫星所发射出来的讯号，以三角测量原理计算出收讯者在地球上的位角测量原理计算出收讯者在地球上的位置。置。GPS采用的是全球性地心坐标系统，采用的是全球性地心坐标系统，坐标原点为地球质量中心坐标原点为地球质量中心。(二二)GPS定位定位vGPS卫星发射测距信号和导航

21、电文，导卫星发射测距信号和导航电文，导航电文中含有卫星的位置信息。用户用航电文中含有卫星的位置信息。用户用GPS接收机在某一时刻同时接收三颗以接收机在某一时刻同时接收三颗以上的上的GPS卫星信号测量出测站点卫星信号测量出测站点(接收接收机在某一时刻同时接收三以上机在某一时刻同时接收三以上GPS卫星卫星的距离并解算出该时刻的距离并解算出该时刻GPS卫星的空间卫星的空间坐标，据此利用距离交汇法解算出测站坐标，据此利用距离交汇法解算出测站P的位置。的位置。GPS接收机的组成及工接收机的组成及工作原理作原理vGPS卫星发送的导航定位信号，是一卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即信号的接收设备，即GPS信号接信号接收机。收机。GPS在物流信息系统中在物流信息系统中的