gps原理及应用课件

GPS（全球卫星定位系统）

——原理及应用

主办：湖南省公安厅

协办：深圳市伊爱高新技术开发有限公司

湖南新智科技开发有限公司

，、GPS（卫星定位）导航基础

GPS的发展历程

GPS系统的组成

GPS的导航原理

GPS的定位方式

GPS存在问题

GPS的发展历程

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

星。

GPS系统组成

GPS系统主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和

用户设备部分。

>GPS的空间星座部分由24颗均匀分布在6个轨道平面内的卫星组成

>GPS的地面监控部分负责卫星的监控和卫星星历的计算，它包括1

个主控站、3个注入站和5个监测站；

>GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。用户通过用

户设备接收GPS卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等

信息，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。

GPS系统组成

----空间星座

全球定位系统的空间部分：

使用24颗高度约2.02万千米的

卫星组成卫星星座；

。21+3（备用）颗卫星均为近圆形

轨道，运行周期约为11小时58

分；

均匀分布在六个轨道面上（每

轨道面四颗），轨道倾角为55

度；各个轨道平面之间相距60度，

即轨道的升交点赤经各相差60度。

每个轨道平面内各颗卫星之间的升

交角距相差90度，一轨道平面上

的卫星比西边相邻轨道平面上的相

应卫星超前30度。

空间星座定位说明

＞在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它

们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对

于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。

位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少

可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了

结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。

这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影

响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段

叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球

绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。

GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。

卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以

上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这

就提供了在时间上连续的全球导航能力。

GPS系统组成

——地面监控

GPS的地面监控部分负责卫星的监控和卫星星历的计算，它包括1个

主控站、3个注入站和5个监测站。

监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器

和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据

并将这些数据传送至主控站。

主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制、主控

站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据

计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。

上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运

行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每

颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后

的注入

GPS系统组成

用户设备（GPS接收机）

•用户设备部分：接收

GPS卫星发射信号，以

获得必要的导航和定位

信息，经数据处理，完

成导航和定位工作。

•GPS接收机硬件一般由

主机、天线和电源组成。

GPS系统组成

多种GPS接收板

GPS系统组成

—便携式接收机

直接用于笔记本计

算机和掌上电脑等设备

的便携式GPS接收机。它

将GPS和天线集成为一体,

并通过鼠标接口为其供

电，定位后可自动通过

其RS232串口向外围设备

输出常用的NMEA0183导

航信息，从而轻松实现

GPS导航。

GPS接收机的分类

按接收机的用途分类按接收机通道数分类

导航型接收机□多通道接收机

车载型、航海型、□序贯通道接收机

航空型、星载型□多路多用通道接收机

测地型接收机

授时型接收机

按接收机工作原理分类

码相关型接收机

按接收机的载波频率分类

平方型接收机

单频接收机（

L1）混合型接收机

双频接收机（LI、L2）干涉型接收机

GPS导航原理

1、要确知卫

星的准确

位置；

2^要准确测

定卫星至

地球上我

们所在地

点的距离。

GPS定位原理

卫星不间断地发送自身

的星历参数和时间信息,

用户接收到这些信息后,

经过计算求出接收机的

三维位置，三维方向以

及运动速度和时间信息。

区-以犬先-"+⑵的+2'(t-孀=电2

222+切

(x2-x)Xy2-y)+(Zj-z)1,(t-3)=

(X3-X)2"%-yy+(均-zy+*(t-抬尸虫2

(瓯-X)2%y4-yy+(4-Zy+&・(t-&)=&2

求解未知数

(X”丫,ZJt)

定位定时

GPS定位方式说明

GPS卫星向地面发射GPS的定位方式有两

两个频率的定位导航信种，即单点定位方式和

息，其中包括两个定位相对定位方式（差分定

码信号：位）。

C/A码（供世界范围内

的民用：L>1575.42MHZ）

及P码（只供美国军方

使用：L2=1227.60MHZ）o

定位误差

GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测

量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的

三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。'

在这-定位过程中，存在着三部分误差：

一部分是对每一个用户接收机所公有的，例如，卫星钟误差、

星历误差、电离层误差、对流层误差等；\

第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误

差；'、

第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道

延迟、多径效应等。

利用差分技术，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大

部分可以消除，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，

第三部分误差则无法消除。

差分定位说明

差分技术实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测

站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间

进行求差。其目的在于消除公共项，包括公共误叁和公共参数。

它使用一台GPS基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事

后处理技术，就可以使用户测量时消去公共的误差源一电离层和

对流层效应。

除此以外，美国政府实施了SA政策，其结果使卫星钟差和星历

误差显著增加，使原来的实时定位精度从15m降至100m。在这种

情况下，利用差分技术能消除这一部分误差，更显示出差分GPS

的优越性

GPS特点

1）、全球全天候连续无源

2）、精度高、数据内容多

3）、实时导航

4）、抗干扰能力强、保密性好

5）、易于组成更为理想的组合系统

6）、用途广泛

GPS特点（一）

1）全球全天候连续无源2)精度高、数据内容多

GPS能为全球任何地点或GPS能连续的为各类用户

近地空间的各类用户提供连提供高精度的3隹位置、三

续的全天候全球导航能力。维速度和精确的时间信息。

用户不发射信号，因而用户目前利用C/A码的实时定位精

数量无限。度可达20--50m（差分时为1-

10m）;速度精度为0.1/s（利

用特殊处理可达0.005m/s）;

相对定位可达毫米级；

GPS特点（二）

3）实时导航：4）抗干扰能力强、保密性好

利用GPS定位时，在1s内GPS采用扩频技术和伪码

可取得几次位置数据，这种技术、用户不发射信号，导

近乎实时的导航能力对于高航定位速度快，在战时不易

动态用户具有很大的意义。受到电子战的影响、

GPS特点（三）

5）易于组成更为理想的组合系6）用途广泛

统GPS是军民两用的系统，其

GPS的设计考虑了兼做通信、应用范围将极其广泛。在军

事上，GPS将成为自动化指挥

核试验检测等功能，且可方

系统、先进武器系统及新的

便的用于CNI（通信导航识

战役战术理论的一项关键性

另U）、cq（指挥通信控制和基本保障技术，他必然广泛

情报）等综合系统。GPS与其用于陆海空及战略导弹各军

他传感器或其他无线电导航兵种。它能为地面车辆、人

设备可获得更为理想的组合员以及航空、航海、航天等

系统，其性能和可靠性可大领域的飞机、船只、潜艇、

大提高。卫星、航天飞机进行导航定

位；导弹制导、武器发射、

侦察、飞机进场着陆、交通

管制、搜索营救等。

GPS存在问题（一）

定港康

GPS卫星定位因为受到美国军方的SA干扰政策的影

响，而且民用只能接收粗码C/A码，精度受到很大的限

制，目前的定位精度范围是20米左右。

GPS存在问题（二）

定乂

GPS的卫星信号传输采用高频传播，不能穿透建筑

物，并且易受到太阳电磁爆的影响，一般GPS接收机必

须见到至少三颗星才可以定位（绝对定位或相对定

位），所以在高楼林立的地方或地下室不能接收到信

号，所以此时此地不能定位。

GPS存在问题（三）

当GPS接收机处在静止时，它接收到的GPS信息是

一种漂移状态，也就是围绕着一个准确值有不规则变

化，但从一个长期的时间看这个值是和准确值是相近

的，但有时会出现与实际相距胜远的经纬度。

二、GPS应用

>GPS在国民经济建设中的应

>GPS在大地控制测量中的应用

>GPS在地形、地籍及房地产测量中谕应用、

>GPS在公安、交通系统中的应用

>GPS在海洋测绘中的应用

>GPS在航海航空导航中的应用W

>GPS在农业、林业、旅游及野外考察中的应用

>手持GPS在军队领域的应用

>GPS技术在气象学中的应用

GPS在国民经济建设中的应用

GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简

便、应用广泛等特点著称。

♦定位精度高

♦:♦测站间无须通视

小可提供三维坐标

操作简便

♦全天候作业

♦功能多、应用广

GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测

速的精度可达0。1M/S,测时的精度可达几十毫微秒。其应用领

域不断扩大。

GPS在农业、林业、旅游和野

外考察中的应用

农业领域：

土壤养分分布调查

监测作物产量

合理施肥，精确农业管理

林业管理：

测定森林分布区域

GPS技术用于森林防火

旅游及野外考察：

□GPS导航接收机

GPS在地形、地籍及房地产测

量中的应用

应用RTK新技术，甚至可以不布设各级控制点，仅

依据一定数量的基准控制点，便可以高精度并快速地

测定界址点、地形点、地物点的坐标，利用测图软件

可以在野外一次测绘成电子地图，然后通过计算机和

绘图仪、打印机输出各种比例尺的图件。

GPS在公安、交通系统中的应用

车辆GPS定位管理系统

车辆GPS定位管理系统主要是由车载GPS自主定位।

结合无线通信系统对车辆进行调度管理和跟踪。已经

研制成功的如车辆全球定位报警系统，警用GPS指挥

系统等。分别用于城市公共汽车调度管理，风景旅游

区车船报警与调度，海关、公安、海防等部门对车船

的调度与监控。

由于差分GPS设备能够实时地提供精确的位置、速度

航向等信息，车载GPS差分设备还可以对车辆上的各

种传感器（如计程仪、车速仪、磁罗盘等）进行校准

工作。

GPS在海洋测绘中的应用

海洋测绘主要包括海上定位、海洋大地测量和水下

地形测量。\

海上定位通常指在海上确定船位的工作。

海洋大地测量主要包括在海洋范围内布设大地控制

网，进行海洋重力测量。

为了获得较好的海上定位精度，采用GPS接收机与

船上的导航设备组合起来进行定位，例如，在GPS伪距

法定位的同时，用船上的计程仪（或多普勒声纳）、

陀螺仪的观测值联合推求船位。

手持GPS在军队领域的应用

一般手持型GPS接收机多为导航使用，这一类型的手持机所具

有的特点如下：

1、体积小，重量轻，携带方便，耗电量小

2、导航画面清晰，功能键齐全

3、导航无须地面设备辅助，型式多样

采用电台方式，需要配备车载电台方式对车辆的巡检速度

电台，GPS车载台的定位数据经比较慢，容量小（一般只能

车载电台调制，并由车载天线发满足几部到几十部车辆的服

务）系统覆盖的范围较小

射给基站，基站把数据传送到监

（一般只在市区的部分地

控中心，监控中心也以电台的方

区），且建设和维护电台基

式向车辆传送指挥调度信令站系统的成本很高。

m口、

计务机系统

・站天城

基站控制室

原理图

短波通信电台

•具有自动扫描（SCAN）、自

动链路建立（ALE）、最佳

信道选择（LQA）等功能

・覆盖范围大：几百公里几千公

里\

•使用成本低

•可以通过短波电台打电注

Ci0C•可以使用原有短波电台

IBSEB

・适用于：火车、船舶、各种特

G9B8BQDOD种车、长途车等

C069BODD

短波与超短波区域

首先，超短波定位主要用于城市，因为城市简巷很窄，必然要

求定位精度很高。而短波定位主要用于野外，不需要过高的目标

精度；X

其次，城市建筑阻挡造成超短波盲区，因此必须设立多个数据

采集点，而短波信号是通过电离层折射，因此只在中心站设立一

个数据采集点就够了。也就是说，短波定位中心站不过是在短波

通信站增加一套计算机设备，比超短波定位要简单多了。

CDPD

CDPD系统特点：

CDPD(CellularDigitalPacketData)是公认的最佳无线数据

网络，它使用开放的系统结构，网络数据是以分组形式在无线信道

上传送，传送过程中信道并不完全固定分配给一个用户，而是多个

用户的数据“分组”分享。

CDPD覆盖范围：

覆盖北京、上海、广州、深圳、厦门、长沙等大大城市

CDPD使用费用：

一个终端包月只需100元/月*端，计量制则封顶120元/月*端。

CDPD应用:

△金融交易

△交通运输

△遥测与远程监控

△移动办公

CDPD技术特点

CDPD的技术特性：

•MNP-10调制解调器标准；

•TCP/IP标准；X.

爵可以与未来的CDMA移动电话系统实现平滑连接；

-采用国家无线电管理委员会批准的专用无线数据频君

射频频率：800Mhz至900Mhz；收发间隔：45Mhz；频道

间隔：30khz；射频速率：19.2kbs；终端发射功率：

0.6W至4W；基站发射功率：＜45W（连续可调）；

•全双工工作方式；

•误码概率：＜2.75X10-8；\

•信道速率19.2kbps；

•具有自动切换和全网漫游功能；

•具备广播和群呼功能；

，具有信道拥挤控制（通信负荷平衡）功能和抗干扰跳频切换功能;

•网络容量：容许多达210000到240000个用户同时在网内登记。

)PD终端

♦：♦符合CDPD规范1.1版

♦：♦19.2Kbps全双工通信

GSM通讯

语音

(VOICE)

中继维短讯

本

移(SMS)

地

动

数据

交

交

换

次(DATA)

机

机•传真

(FAX)

GSM通道比较

GSM语音GSM^MGSM数据

传送速度快，具有实传送速度慢，X传送速度快，

通时性、主动性。GSM其他用户影响。信\具有实时性、可

息通过短讯服务器以时传送大容易数据。

间优先进行排队的方式\用要握手信号

讯

传送至用户。(MODEM)o

快时十几秒钟，如

遇GSM用户多、信道繁

忙时则需十几分钟才t自

传到。

费长时间通讯费用较高。长时间通讯的费用较每月20元数据

用低。业务费。|

应通讯、车辆报警、之发送/接收调度信息、传送图像、跟

用监听、车辆控制、跟踪C车辆跟踪等踪轨迹线等。

GSM基站图

S)

O)

nt)

m

(35)

(8)

(52)

筑术K；■同

GIS（地理信息系统）

现在的GIS产品很多，国外的有Mapinfo公司的Mapinfo

Profession、MapX,ESRI公司的Arc/Infb,GeoMedia公司的

GeoMediaProfession,Bentley公司fitlMicroStationGeoGraphics,

Audesk公司的AutoCADMap2000；

国内的有北京超图公司的SuperMap2000,武汉中地的MapGis,

武汉吉奥的GeoStar,北大方正的方定智绘，北京慧图的TopMap。

它们各自的功能都很多，并各有优缺点，但各种软件输出的数

据格式通过各自的格式转换软件均能转成标准格式，达到数据的

共享。

栅格图和矢量图比较

栅格数据结构矢量数据结构

优•数据结构简单・表现地理数据的精度较高

数据结构严密，羲据量小一

•空间数据的叠置和组合方便

■能够完整描述拓扑^

•便于实现各种空间分析

占

八、、数学模拟方便•图形输出美观

•技术开发费用低•能够实现图形数据的恢复、更新和

综合____________________________

。数据结构复杂\

缺•数据量大

。叠置分析时难以与栅格图组合'■

•降低分辨率时，信息缺失严重

•地图输出不够精美•数学模拟比较困难

占

八、、难以建立网络连接关系•空间分析技术上比较复杂

・投影变换较为费时

GSM短讯单通道

GSM卫星其它省市GSM

4

号.**■；I”坦丫

III.：♦，二「：，・，》7_匕

K移动交换中心

短信服务器

GSM网络£1

DDN/FR

GSM短信处理机GSM短信处理机

JLX

无线阳关

监控中心监控分中心B型

监控分中心A型

卫星定位（GPS/GSM）车辆监控

>1、智能防盗（警戒/设防状态）

>2、反劫控制

>3、实时调度

>4、车辆管理\

>5、通讯（可带有手柄）

>6、定位跟踪

>7、监控中心功能

>8、联网功能

>9、热线服务

>10、其他功能

车载单元的功能

车载单元是GPS防盗调度系统中必不可少的组成部分，它的功能

为:

□确定车辆当前所处的地理位置与车辆当前的运动状态，如经度、

纬度、（高度）运行速度和运行方向等。

□完成对车辆的电子看护，即防盗功能。

□完成车辆与监控中心的数据交换，如将车辆的各种信息数据传

送至监控中心，并从监控中心接收指令。\

□实现人机交互功能，如键盘输入及液晶显示模块等

车载单元组成框图

GPS天线GSM天线

控和输出镂口防劭.防盗悔警箱入镂口无线遥控接口双向数据接口

士

立

士

士

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汽

汽

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