GPS基本介绍及操作

1、GPS基本介绍及操作 王志伟 2007.12目录一前言一前言 二二GPS相关介绍相关介绍 三三GPS使用方法使用方法 四四GPS数据处理数据处理 五五GPS图像处理图像处理一前言一前言 GPS 即全球定位系统（即全球定位系统（Global Positioning System）是美国从本世纪）是美国从本世纪70年代开始研制，历时年代开始研制，历时20年，耗资年，耗资200亿美元，于亿美元，于1994年全面建成，具有年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近新一代卫星导航与定位系统。经近10年我国测绘

2、等部年我国测绘等部门的使用表明，门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术变革带来一场深刻的技术变革 。国内行业网站：国内行业网站： http:/ 即全球定位系统（即全球定位系统（

3、Global Positioning System）。简单）。简单地说，这是一个由覆盖全球的地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。个人，安全、准确地

4、沿着选定的路线，准时到达目的地。 全球定位系统全球定位系统(GPS)是是20世纪世纪70年代由美国陆海空三军联合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。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、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、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。经过组成。经过20余年的研究实验，耗资余年的研究实验，耗资200亿美元，到亿美元，到1994年年3月，

5、月，全球覆盖率高达全球覆盖率高达98%的的24颗颗GPS卫星星座己布设完成。卫星星座己布设完成。 GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分GPS星座；地面控制部分星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分地面监控系统；用户设备部分GPS 信号接收机。信号接收机。GPS的前身的前身 GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统，系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统，1958年研制，年研制，64年正式投入使用。该系统用年正式投入使用。该系统用5到到6颗卫星组成的星颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法

6、给出高度信息，在定位次，并且无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越精度方面也不尽如人意。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。 为此，美国海军研究实验室为此，美国海军研究实验室(NRL)提出了名为提出了名为Tinmation的的用用12到到18颗卫星组成颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于高度的全球定位网计划，并于67

7、年、年、69年和年和74年各发射了一颗试验卫星。而美国空军则提出了年各发射了一颗试验卫星。而美国空军则提出了621-B的以每星群的以每星群4到到5颗卫星组成颗卫星组成3至至4个星群的计划，这些卫星个星群的计划，这些卫星中除中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道的倾斜轨道 该计该计划以伪随机码划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的时也能将其检测出来。海军的计划主要信号密度低于环境噪声的时也能将其检测出来。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的用于为舰船提供低动态

8、的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防年美国国防部将部将2者合二为一者合二为一。2.GPS构成构成1。空间部分。空间部分 GPS的空间部分是由的空间部分是由24 颗工作卫星组成颗工作卫星组成,它位于它位于距地表距地表20 200km的上空的上空,均匀分布在均匀分布在6 个轨道面上个轨道面上(每个轨道面每个轨道面4 颗颗) ,轨道倾

9、角为轨道倾角为55。此外。此外,还有还有4 颗颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何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地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星颗以上的卫星,并能保持并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码卫星产生两组电码, 一组一组称为称为C/ A 码码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为一组称为P 码码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率

10、较高码因频率较高,不易受干扰不易受干扰,定位精定位精度高度高,因此受美国军方管制因此受美国军方管制,并设有密码并设有密码,一般民间无法一般民间无法解读解读,主要为美国军方服务。主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而码人为采取措施而刻意降低精度后刻意降低精度后,主要开放给民间使用。主要开放给民间使用。2.GPS构成构成2。地面控制部分。地面控制部分 地面控制部分由一个主控站地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取能够连续测量到所有可见

11、卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据包括电离层和气象数据,经过初步经过初步处理后处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据数据,计算出卫星的轨道和时钟参数计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗注入对每颗GPS 卫星每天一次卫星每天一次,并在卫星离开注入站并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如

12、果某地面站发生故作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但但导航精度会逐渐降低。导航精度会逐渐降低。 2.GPS构成构成3。用户设备部分。用户设备部分 用户设备部分即用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能信号接收机。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，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，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距

13、离的变化率的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数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数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。用户设备。 3.GPS原理原理 GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫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

14、颗卫星的数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。如果想知道接收机所据就可知道接收机的具体位置。如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。个卫星的信号。4.GPS前景前景 由于由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。域。 随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府随着冷战结束和全球经济的蓬勃

15、发展，美国政府宣布宣布2000年至年至2006年期间，在保证美国国家安全不年期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消受威胁的前提下，取消SA政策，政策，GPS民用信号精度在民用信号精度在全球范围内得到改善，利用全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精码进行单点定位的精度由度由100米提高到米提高到20米，这将进一步推动米，这将进一步推动GPS技术的技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在市场的增长。据有关专家预测，在美国，单单是汽车美国，单单是汽车GPS导航系

16、统，导航系统，2000年后的市场年后的市场将达到将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到到50亿元人民币。可见，亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非技术市场的应用前景非常可观。常可观。5.GPS特点特点全球定位系统的主要特点：全球定位系统的主要特点：(1)全天候；全天候；(2) 全球覆盖；全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：快速省时高效率：(5)应用广泛多功能。应用广泛多功能。 6.GPS功用功用 全球定位系统的主要用途：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、大气陆地

17、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、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、地壳运动监测、 市政规划控制等；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；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、航空遥航空航天应用，包括飞机导航、航空遥 感姿态控感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天制、低轨

18、卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。器防护探测等。 7.GPS应用应用1.船舶远洋导航和进港引水船舶远洋导航和进港引水2.飞机航路引导和进场降落飞机航路引导和进场降落3.汽车自主导航汽车自主导航4.地面车辆跟踪和城市智能地面车辆跟踪和城市智能交通管理交通管理5.紧急救生紧急救生6.个人旅游及野外探险个人旅游及野外探险7.个人通讯终端个人通讯终端8.各种等级的大地测量，控各种等级的大地测量，控制测量制测量9.道路和各种线路放样道路和各种线路放样10.水下地形测量水下地形测量11.地壳形变测量，大地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监坝和大型建筑物变形监测测12.GIS应用应用13.

19、工程机械（轮胎吊，工程机械（轮胎吊，推土机等）控制推土机等）控制14.精细农业精细农业GPS在汽车导航和交通管理中在汽车导航和交通管理中的应用的应用 三维导航是三维导航是GPS的首要功能，飞机、轮船、地面的首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航。汽导航器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由一门新型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱驱动器、动器

20、、LCD显示器组成。显示器组成。GPS导航系统与电子地图、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，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。可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。 汽车导航汽车导航GPS工作流程工作流程汽车导航汽车导航GPS中部件功能中部件功能8.GPS种类种类 GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地卫星接收机种类很多，根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式

21、。 经过经过20余年的实践证明，余年的实践证明，GPS系统是一个高精系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。功能系统。 GPS技术已经发展成为多领域、多模式、技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。多用途、多机型的国际性高新技术产业。 几种几种GPS汽车导航汽车导航GPS三三.GPS使用方法使用方法1.GPS操作界面操作界面2.GPS主要功能介绍主要功能介绍3.GPS操作主要流程操作主要流程1.GPS操作界面操作界面主菜单页面主菜单页面主菜单页面含的主要选项：主菜单页面含的主要选项：存点；查

22、找；航线；航迹；存点；查找；航线；航迹；设置；工具等。设置；工具等。 卫星页面和旅行计算机页面卫星页面和旅行计算机页面卫星卫星页面页面显示显示卫星卫星分布分布图和图和信号信号强度强度图并图并提示提示何时何时可以可以导航导航该该页页面面以以数数据据形形式式显显示示当当前前的的旅旅行行信信息息地图页面和导航页面地图页面和导航页面地地图图页页面面显显示示当当前前的的位位置置及及运运动动方方向向导航导航页面页面用可用可旋转旋转罗盘罗盘显示显示和指和指导去导去目标目标点应点应该走该走的方的方向。向。2.GPS主要功能介绍主要功能介绍1.GPS初始化：包含个子页面。初始化：包含个子页面。2.记录记录GPS

23、：可以修改航路点的名称，符号，坐：可以修改航路点的名称，符号，坐标，高度。标，高度。3.记录航迹线：可以显示航迹名称，航迹总距离。记录航迹线：可以显示航迹名称，航迹总距离。4.测量直线距离：可以显示出起始点相对于终止点测量直线距离：可以显示出起始点相对于终止点的方位。的方位。5.测量面积：会自动计算出闭合曲线所围成的面积。测量面积：会自动计算出闭合曲线所围成的面积。3.GPS操作主要流程操作主要流程1.设置设置2.开航迹记录开航迹记录3.存点存点1.设置设置进入设置页面选项，进入设置页面选项，其中一般包含个子其中一般包含个子页面：显示，航向，页面：显示，航向，时间，单位，接口，时间，单位，接口，系统。系统。为了便于工作，统一设置如图：为了便于工作，统一设置如图： 2.开航迹记录开航迹记录按下平幕上的“关”按钮将暂停记录航迹，按下“开”按钮将启动记录航迹功能，被选中的开关显示为凹下去。 按下 “存储”按钮，将显示“请选择起始时间”；见右图：为了便于工作，一般统一选择全部记录在已存航迹的页面中，显示了航迹名称，航迹总距离，面积等选项。 3.存点（以合众思壮为例图）存点（以合众思壮