GPS全球定位系统原理及应用

1、GPS 全球定位系统原理及应用一、简介GPS是英文Global Positioning System （全球定位系统）的简称， 而其中文简称为“球位系” 。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三 军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、 海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情 报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的， 是美国独霸全球战略 的重要组成。经过 20余年的研究实验，耗资 300 亿美元，到 1994年 3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机 械领域 GPS 则有另外一种含义：产品几何技术规范 （Geometrica

2、l Product Specifications）-简称 GPS二、GPS发展历程1. GPS 实施计划共分三个阶段第一阶段为方案论证和初步设计阶段。 从 1973年到 1979年，共 发射了 4 颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。 从 1979 年到 1984年，又陆续 发射了 7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位 精度远远超过设计标准。第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫 星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS 网即（21+3） GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫

3、星。2.卫星导航的发展历史1957年十月四日，第一课人造卫星 Sputink I (苏联)发射。1959 年，从卫星上发回第一张地球照片。1960 年，从“泰罗斯”与“云雨”气象卫星上获得全球云图。1971 年，美国“阿波罗”对月球表面进行航天摄影测量， 且“水 手号”对水星进行测绘作业。目前，空间在轨卫星约为 3000 颗。三、定位原理1.GPS 构成： 空间部分GPS 的空间部分是由 21 颗工作卫星组成 ,它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗)，轨道倾 角为 55°。此外 ,还有 3 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得 在全球任何地方、任

4、何时间都可观测到 4 颗以上的卫星 ,并能在卫星 中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推 移，导航精度会逐渐降低。 地面控制系统地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成，主控制站位于美 国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星 传回之讯息 ,并计算卫星星历、相对距离 ,大气校正等数据。 用户设备部分用户设备部分即 GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星， 并跟踪这些卫星的运行。

5、当 接收机捕获到跟踪的卫星信号后， 就可测量出接收天线至卫星的伪距 离和距离的变化率 ,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接 收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算， 计算出用 户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和 机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包构成完整的 GPS 用户设备。 GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采 用机内和机外两种直流电源。 设置机内电源的目的在于更换外电源时 不中断连续观测。 在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内 电池为 RAM 存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机 体积越来越小

6、，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者 接收器 ,现有单频与双频两种 ,但由于价格因素 ,一般使用者所购买的 多为单频接收器。2.空间卫星定位技术卫星集合三角测量定位： 卫星定位测量问世之初， 地球人造卫 星仅仅作为一种空间的动态观测目标， 由地面上的测站拍摄卫星的瞬 时位置而测定地面点的坐标，称为卫星三角测量。3.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

7、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

8、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。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、

9、z夕卜，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。 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。 GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收 机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对 0A 码测得的伪距 称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪

10、距称为P码 伪距，精度约为2米左右。GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术， 将调制在载波上的信息去掉后， 就可以恢复 载波。严格而言， 载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多 普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位 之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测， 保持对卫星信号的跟踪， 就可记录下相位的变化值， 但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相 位初值是不知道的， 起始历元的相位整数也是不知道的， 即整周模糊 度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米， 但前提是解出整周模糊度， 因此只有在相对定位、 并有一段连续观测 值时才能使用相位

11、观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采 用相位观测值。按定位方式， GPS 定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接 收机位置的方式， 它只能采用伪距观测量， 可用于车船等的概略导航 定位。相对定位 （差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确 定观测点之间的相对位置的方法， 它既可采用伪距观测量也可采用相 位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。 在 GPS 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路 径效应等误差， 在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响， 在 进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，

12、因此定位精度将大大 提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差 的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时(大气有明显差别) ， 应选用双频接收机。四、应用全球定位系统的主要用途： (1)陆地应用，主要包括车辆导航、 应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、 工程测量、变形监测、 地壳运动监测、 市政规划控制等； (2)海洋应用，包括远洋船最佳航 程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质 测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等； (3)航空航天应用，包 括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空 救援和载人航天器防护探测等。GPS在道

13、路工程中的应用GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控 制网及测定航测外控点等。 随着高等级公路的迅速发展， 对勘测技术 提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段 不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前，国内已逐步采用 GPS 技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加 密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有 2 厘米左右，达到 了常规方法难以实现的精度， 同时也大大提前了工期。 GPS 技术也同 样应用于特大桥梁的控制测量中。 由于无需通视，可构成较强的网形， 提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在 隧道测

14、量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规 方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效、人益。GPS在汽车导航和交通管理中的应用三维导航是 GPS 的首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行 者都可以利用 GPS 导航器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系 统GPS基础上发展起来的一门新 GPS应用 型技术。汽车导航系统由 GPS 导航、自律导航、微处理机、车速传 感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成。GPS导航 系统与电子地图、 无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合， 可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。GPS在长途客运车辆管理中的应

15、用（举例）以国内首套专业的 GPS 长途客运车辆管理系统雅迅长途客 运 GPS 智能管理系统为例， 它就是结合了卫星定位技术、 GPRS/CDMA 通讯业务、 GIS 技术、图像采集技术、计算机网络和数 据库等技术，在客运公司建立一个总控 （ C/S 结构和 B/S 结构相结合）， 其它设为分控，公安部门和运管部门等各部门建立专控的中心系统， 系统由控制中心系统、无线通信平台（ GPRS/CDMA ）、全球卫星定 位系统（GPS）、车载设备四部分组成一个全天候、全范围的驾驶员管理和车辆跟踪的综合平台； 系统可对注册车辆实施动态跟踪、 监控、 拍照、行车记录、管理、数据分析等功能，监控车辆可以在

16、电子地图 上显示出来， 并保存车辆运行轨迹数据； 操作终端可任意选择服务器 内部局域网或国际互联网对中心进行访问并可通过 IE 浏览器提供网 上综合客车管理数据分析控制系统（ B/S 结构）；且系统软其容量可 随时根据中心服务器和操作终端硬件配置进行扩展，最大为五十万 辆，入网车辆不仅可以是长途客运车辆，也可以旅游车等社会车辆。 同时系统还可以采用分组管理， 不同类型的车辆归入不同分组， 便于 管理人员的操作。GPS 在个人定位中的应用国内首款语音彩信GPS定位器-深圳市昱读全资科技有限公司语音彩信 GPS定 位器为列，它内置全国的地图数据，无需后台支持，结合了 GPS全球定位系统、GSM通信技术、嵌入式语音播 报技术、 GIS 技术、 GIS 搜索引擎、图像处理技术和图像传输技术， 直接回复终端中文地址、彩信、或语音播报地理位置GPS技术在导航仪中的应用举