对GPS定位原理及应用的认识

1、对GPS定位原理及应用的认识GPS是指卫星 测时 测距导航/全 球定位 系统 Navigation Satellite Time and Ranging/Global Positioning System。通过对 GPS定位原理及应用的学习，我了解 到许多相关的知识，具体如下。GPS构成1、空间部分GPS的空间部分是由 24颗工作卫星组成，它位于距地表 20 200km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4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、任何 时间都可观测到 4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象。 这就提

2、供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码，一组称为 C/ A 码(Coarse/ Acquisition Code11023MHz);一组称为 P 码(Pr ocise Code 10123MHz) ,P码因频率较高，不易受十扰，定位精度高，因此 受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。2。地面控制部分地面控制部分由一个主控站，5个全球监测站和 3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的饨钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监 测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送

3、到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到 3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗 GPS卫星每天一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生 故障，那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间，但导航精度会逐渐降低。3。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。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

4、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，重量越来越轻，便于野外观测使用。地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master MonitorStation)、地面天线(G

5、round Antenna)所组成，主控制站位于美国科罗拉多州 春田市(Colorado Spring)。地面控而站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对据离，大气校正等数据。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。GPS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十扰，这一距离并不是

6、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， 码问距1微秒，相当于300m ; P码频率10.23MHz , 重复周期266.4天，码问距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

7、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 1 5000b。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、z外，还要引进一个 tW卫星与接收机之间的时间差 作为未知数，然

8、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

9、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

10、 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，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），

11、应选用双频接收 机。GPSW 点全球定位系统的主要特点：（1）全球、 全天候工作。 定位精度高。单击定位精度优于10m,采用差分定位，精度可达厘米级和 毫米级。 功能多，应用广。GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛 等。1、定位精度高应用实践已经证明，GPSffi对定位精度在50KM以内可达10-6, 100-500KM 可达10-7, 1000KM可达10-9。在300-1500MX程精密定位中，1小时以上观测 的解其平面其平面位置误差小于 1mm,与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比 较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。2、观测时间短

12、随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新,目前，20KM以内相对静态定 位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在 15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需 几秒钟。GPS* 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

13、、导 弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。中国GPS导航市场的发展中国GPS导航的市场潜力巨大。截至到2005年底，中国拥有车载导航设备 的车辆不足10万辆，相对于3000万辆的汽车总数来说，普及率不到 1%。而日 本的汽车车载导航安装率高达 59%，欧美约占25%。2006年便携导航市场应该 有近5亿元的规模，而随着市场的高速发展及新品牌的层出不穷，预计2009年中国汽车GPS导航系统终端的销售额将接近100亿元。即将过去的2008年，被人们称为中国的“3瓦年”。众所周知，目前在国内 通信领域，最火的就是正在试运行的TD-SCDM 3G标准。作为新一代的通信 技术，3G带给人们非常多的期许。3G牌照的全面发放，也成了人们共同关注的 焦点。其实在国内的GPS导航领域也在经历着一场蜕变，第三代 PND类导航产 品的应运而生，已经把人们带进了全新的导航时代。卫星导航应用产业在国民经济中发挥着越来越重要的作用，将成为十一五”发展的亮点。在 斗一五”期间，卫星导航在其它领域如航空、海路、铁路、建筑、 电信、电力等方面的应用都会有很大的发展空间。卫星导航技术的发展趋势主要表现在三方面：一