GPS工作原理精品课件

1、卫星定位导航系统,NAVSTAR(Navigation Satellite Timing and Ranging )/GPS美国 GlONASS俄罗斯 NAVSAT欧洲空间局 INMARSAT国际移动卫星组织 北斗卫星导航系统中国,GPS定位原理 : GPS系统是由24颗高度为两万公里的卫星组成，它们以6个不同的运行轨道运行，可提供全球范围从地面到9000公里高空之间任一载体的高精度的三维位置、三维速度和精确的时间信息。安装在车辆上的车载单元只要能收到来自三颗卫星的定位信号，就可定出该辆车的经、纬度位置和时间信息。,GPS计划始于1973年 ，已于1994年进入完全运行状态。GPS的整个系统由

2、空间部分、地面控制部分和用户部分所组成。,空间部分 GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星所组成.这些GPS工作卫星共同组成了GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。这24颗卫星分布在6个相互夹角为60的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12恒星时,即一天绕地球两周。每颗GPS工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS用户正是利用这些信号来进行工作的 。,控制部分 GPS的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）

3、空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。,监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kw

4、ajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。,监控站与注入站,用户部分 GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。,GPS信号,GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42MHz的L1载波和频率为1227.60HMz的L2载波，它们的频率分别是基本频率10.23MHz的154倍和120倍，它们的波长分别为19.03cm和24.42cm。在L1和L2上又分别调制着多种信号，这些信

5、号主要有： C/A码 C/A码又被称为粗捕获码，它被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码（PRN码），其码长为1023位（周期为1ms）。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。,P码 P码又被称为精码，它被调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施AS（Anti-Spoofing）时，P码与W码进行模二相加生成保密的Y码，此时，一般用户无法利用P码来进行导航定位。,导航信息 导航信息被调制在L1载波上，其信号频率为50Hz，包含有GPS卫星的轨道参数卫星钟改正数

6、和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。,SPS和PPS,GPS系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPSStandard Positioning Service)，另一种是精密定位服务(PPSPrecision Positioning Service)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统(SPSStandard Positioning System)提供，精密定位服务则由精密定位子系统(PPSPrecision Positioning System)提

7、供。 SPS主要面向全世界的民用用户。 PPS主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。,GPS定位的常用观测值,在GPS定位中，经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理，以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量:： L1载波相位观测值 L2载波相位观测值（半波或全波） 调制在L1上的C/A码伪距 调制在L1上的P码伪距 调制在L2上的P码伪距 L1上的多普勒频移 L2上的多普勒频移,GPS定位的误差源,我们在利用GPS进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响GPS定位精度的因素可分为以下四大类： 与GPS卫星有关的因素 与传播途径有关的因素 与接收机有关的因素 其它因素,SA

8、 (Selective availability) 美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度技术、在GPS基准信号中加入高频抖动（ 技术）等方法，人为降低普通用户利用GPS进行导航定位时的精度。 （C/A码定位精度从20m降100m） 卫星星历误差 在进行GPS定位时，计算在某时刻GPS卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历7提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。,卫星钟差 卫星钟差是GPS卫星上所安装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差。 卫星信号发射天线相位中心偏差 卫星信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星上

9、信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。,电离层延迟 由于地球周围的电离层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为电离层延迟。电磁波所受电离层折射的影响与电磁波的频率以及电磁波传播途径上电子总含量有关。 对流层延迟 由于地球周围的对流层对电磁波的折射效应，使得GPS信号的传播速度发生变化，这种变化称为对流层延迟。电磁波所受对流层折射的影响与电磁波传播途径上的温度、湿度和气压有关。,多路径效应 由于接收机周围环境的影响，使得接收机所接收到的卫星信号中还包含有各种反射和折射信号的影响，这就是所谓的多路径效应。,接收机钟差 接收机钟差是GPS接收机所使用的钟的

10、钟面时与GPS标准时之间的差异。 接收机天线相位中心偏差 接收机天线相位中心偏差是GPS接收机天线的标称相位中心与其真实的相位中心之间的差异。 接收机软件和硬件造成的误差 在进行GPS定位时，定位结果还会受到诸如处理与控制软件和硬件等的影响。,GPS控制部分人为或计算机造成的影响 由于GPS控制部分的问题或用户在进行数据处理时引入的误差等。 数据处理软件的影响 数据处理软件的算法不完善对定位结果的影响。,GPS定位方法,根据定位所采用的观测值 根据定位的模式 根据获取定位结果的时间 根据定位时接收机的运动状态,伪距定位 伪距定位所采用的观测值为GPS伪距观测值，所采用的伪距观测值既可以是C/A

11、码伪距，也可以是P码伪距。伪距定位的优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，不存在整周模糊度的问题，可以非常容易地实现实时定位；其缺点是观测值精度低，C/A 码伪距观测值的精度一般为3米，而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左右，从而导致定位成果精度低，另外，若采用精度较高的P码伪距观测值，还存在AS的问题。 载波相位定位 载波相位定位所采用的观测值为GPS的载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线性组合。载波相位定位的优点是观测值的精度高，一般优于2个毫米；其缺点是数据处理过程复杂，存在整周模糊度的问题。,绝对定位 绝对定位又称为单点定位，这是一种采用一台接收机进行定位的模式，它所确定

12、的是接收机天线的绝对坐标。这种定位模式的特点是作业方式简单，可以单机作业。绝对定位一般用于导航和精度要求不高的应用中。 相对定位 相对定位又称为差分定位，这种定位模式采用两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。,实时定位 实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。 非实时定位 非实时定位又称后处理定位，它是通过对接收机接收到的数据进行后处理以进行定位得方法。,动态定位 所谓动态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个随时间的改变而改变的量。

13、动态定位又分为Kinematic和Dynamic两类。 静态定位 所谓静态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。也就是说，在数据处理时，将接收机天线的位置作为一个不随时间的改变而改变的量。在测量中，静态定位一般用于高精度的测量定位，其具体观测模式多台接收机在不同的测站上进行静止同步观测，时间由几分钟、几小时甚至数十小时不等。,GPS测量中常用的坐标系统,1. WGS-84 WGS-84坐标系是目前GPS所采用的坐标系统，GPS所发布的星历参数就是基于此坐标系统的。 WGS-84坐标系统的全称是World Geodical System-84（世界大地

14、坐标系-84），它是一个地心地固坐标系统。 WGS-84坐标系统由美国国防部制图局建立，于1987年取代了当时GPS所采用的坐标系统WGS-72坐标系统而成为GPS的所使用的坐标系统。 WGS-84坐标系的坐标原点位于地球的质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地球极方向，X轴指向BIH1984.0的启始子午面和赤道的交点，Y轴与X轴和Z轴构成右手系。,2. 1954年北京坐标系 1954年北京坐标系是我国目前广泛采用的大地测量坐标系。该坐标系源自于原苏联采用过的1942年普尔科夫坐标系。 建国前，我国没有统一的大地坐标系统，建国初期，在苏联专家的建议下，我国根据当时的具体情况，建立起了全

15、国统一的1954年北京坐标系。该坐标系采用的参考椭球是克拉索夫斯基椭球，该椭球并未依据当时我国的天文观测资料进行重新定位，而是由前苏联西伯利亚地区的一等锁，经我国的东北地区传算过来的，该坐标系的高程异常是以前苏联1955年大地水准面重新平差的结果为起算值，按我国天文水准路线推算出来的，而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。,由于当时条件的限制，1954年北京坐标系存在着很多缺点，主要表现在以下几个方面： 克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数的差异较大，并且不包含表示地球物理特性的参数，因而给理论和实际工作带来了许多不便。 椭球定向不十分明确，椭球的短半轴既不指向国际通用的

16、CIO极，也不指向目前我国使用的JYD极。参考椭球面与我国大地水准面呈西高东低的系统性倾斜，东部高程异常达60余米，最大达67米。 该坐标系统的大地点坐标是经过局部分区平差得到的，因此，全国的天文大地控制点实际上不能形成一个整体，区与区之间有较大的隙距，如在有的接合部中，同一点在不同区的坐标值相差1-2米，不同分区的尺度差异也很大，而且坐标传递是从东北到西北和西南，后一区是以前一区的最弱部作为坐标起算点，因而一等锁具有明显的坐标积累误差。,3. 1980年西安大地坐标系,1978年，我国决定重新对全国天文大地网施行整体平差，并且建立新的国家大地坐标系统，整体平差在新大地坐标系统中进行，这个坐标

17、系统就是1980年西安大地坐标系统。1980年西安大地坐标系统所采用的地球椭球参数的四个几何和物理参数采用了IAG 1975年的推荐值. 椭球的短轴平行于地球的自转轴（由地球质心指向1968.0 JYD地极原点方向），起始子午面平行于格林尼治平均天文子午面，椭球面同大地水准面在我国境内符合最好，高程系统以1956年黄海平均海水面为高程起算基准。,技术设计的内容 1.项目来源 介绍项目的来源、性质。 2.测区概况 介绍测区的地理位置、气候、人文、经济发展状况、交通条件、通讯条件等。 3.工程概况 介绍工程的目的、作用、要求、GPS网等级（精度）、完成时间等。 4.技术依据 介绍作业所依据的测量规

18、范、工程规范、行业标准等。,5.施测方案 介绍测量所采用的仪器、采取的布网方法等。 6.作业要求 介绍外业观测时的具体操作规程、技术要求等，包括仪器参数的设置（如采样率、截止高度角等）、对中精度、整平精度、天线高的量测方法及精度要求等。 7.观测质量控制 介绍外业观测的质量要求，包括质量控制方法及各项限差要求等。 8.数据处理方案 详细的数据处理方案，包括基线解算和网平差处理所采用的软件和处理方法等内容。,GPS基线向量网的等级 根据我国1992年所颁布的全球定位系统测量规范，GPS基线向量网被分成了A、B、C、D、E五个级别。,测量分类 固定误差(mm) 比例误差(ppm) 相邻点距离(km

19、) A 5 0.1 1002000 B 8 1 15250 C 10 5 540 D 10 10 215 E 10 20 110,A级网一般为区域或国家框架网、区域动力学网；B级网为国家大地控制网或地方框架网；C级网为地方控制网和工程控制网；D级网为工程控制网；E级网为测图网。 美国联邦大地测量分管委员会（Federal Geodetic Control Subcommittee-FGCS）在1988年公布的GPS相对定位的精度标准中有一个AA级的等级，此等级的网一般为全球性的坐标框架。,GPS系统的主要问题有： 1. GPS的系统组成和信号结构都不能满足当前的需要。例如：目前的卫星图形在高纬

20、度地区，严重影响导航和定位，在中、低纬度地区，每天总有两次盲区、每次盲区历时2030分钟，盲区时，PDOP值远大于20，给导航和定位带来很大的误差。 2. 不仅将来，即使现在，GPS既不能满足美国军方的要求，也不能满足全世界民用的需要。 3. 现行的GPS“双用途政策”，既遭到包括美国在内全世界民间用户的强烈反对，也得不到美国军方的支持。军方声称：影响美国国家安全利益。因此，亟待制定新的GPS政策。 4. 实时导航定位的精度低于GLONASS和GNSS系统。,GPS执委会、GPS顾问会和导航学会(ION)于1997年8月26日、1997年11月6日、1998年1月20日和1998年2月20日先

21、后召开4次国际会议，讨论GPS现代化的问题。,1. 新一代工作卫星(Block F)的研制工作，可望于1999年底完成。Block F卫星共有24颗，其寿命为现有卫星的3倍。它们逐步代替目前轨道上的Block R卫星。 2. GPS系统空间部分的卫星数，可能由目前的24颗卫星增加到30颗，即6个轨道平面中的每个平面均匀分布5颗卫星。这种星座结构有两大优点，即： (1) 卫星可见性将大大提高； (2) 全球任何地方、任何时间都不再有“盲区”，即可见卫星至少多于4颗，其PDOP值10。单个卫星的死角可忽略不计。GPS观测者无需再在外业前制定观测计划，以选择有利的观测窗。,3. GPS系统在2008

22、2010年前仍将维持现状，即继续使用L1/L2频率发播GPS信号。 4. 如可能，美国国防部和交通部门为民间用户提供不保密的L2C频率(但至今尚未申请到这种频率)。 5. 在尚未开发出L2C的情况下，可能利用现有的L1/L2频率分别播发军用信号和民用信号，预计20082010年可望实现，从而减少军、民两用的矛盾。 6. 为了彻底解决军、民两用产生的矛盾，可能采用C波段或更高频率的波段(例如50005200 MHz)作为军用频率，发播保密的军用GPS信号。顺便指出，在此波段上，电离层的时延值小得多，但要求信号强度增大10倍。,7. 美国也在考虑采用第三个民用频率(L3C)发播不保密的民用信号。如

23、果此方案付诸实施，则将来高精度(厘米级)的民间用户拥有三大优势： (1) 无需解算整周相位模糊值，GPS用户将不再为此问题而困扰； (2) 能大大提高观测成果的可靠性； (3) 能极大地缩短在点上的观测时间，从而提高GPS的作业生产率。,8. 民用频率L3C可能选在GLONASS L2频率附近,即约在1258.29 MHz附近.L3C选在此处的优点是 (1) 符合国际电信联盟的规定； (2) 与GPS卫星中信号发生器的频率一致； (3) 目前使用的双频接收机及其天线可继续使用； (4) 同GLONASS系统的信号互不干扰； (5) 为GPS军事用途提供足够的灵活性。,2000年5月1日，美国总

24、统克林顿却突然宣布，从当天子夜开始（格林威治时间）终止降低民用GPS接收机精度的作法。据报道，在95的时段内，全球各地民用接收机的定位精度可从过去的100米提高到12米；在50的时段内，甚至能提高到6米。,美国缘何开放GPS系统,PUZZLE,据美国GPS产业协会(GPS IC)统计：GPS接收机的产量，1997年首次突破100万台。GPS产业已为美国增加10万人的就业机会。预计2005年，GPS市场的年销售额可能达到100120亿美元，即在8年之内增长4倍。快速发展起来的GPS产业，已成为美国工业的新增长点，成为美国经济发展的动力之一。,10,000,000,000 $,巩固GPS市场，保持

25、技术优势。为打破美国在这一领域的垄断地位，俄罗斯等国家相继研发了各自的卫星定位系统，并开始在国际市场上推广。如俄罗斯于1995年完成了GLONASS卫星定位系统，其民码精度就优于GPS的100米。俄罗斯正在扩大这一系统的服务范围，并开始考虑进行技术出口。西欧一些国家也积极开发了自己的卫星定位系统。这一切使美国意识到，继续封锁GPS系统，极有可能失去已拥有的广大用户。与其坐等别人羽翼丰满，倒不如抢先开放旧的GPS系统，抢占先机，以巩固和继续扩大用户。并诱使各国放弃或压缩类似计划，从而使各国在这一领域完全依赖美国。,GPS技术已经广泛扩散。由于公开的GPS民用码的精度不能满足人们的各种需要，各国科

26、学家通过多年对GPS系统的研究和分析，已研制出一种名为“差分GPS”的辅助设备，可对干扰信号进行修正，大幅度提高定位精度，目前这一技术已经被美国禁止出口加密GPS设备的国家广泛使用。,GPS,美国正在研制新型GPS系统。由于现有GPS相对落后，很容易被干扰，其军事价值正在逐渐降低。俄罗斯等国家也已经研制出GPS干扰机，并开始投放国际军火市场。美国也认识到现有系统已经落后，并开始实施新型卫星全球定位系统GPS-3计划。优化地面设施和星座，增加卫星数量，扩大信号的通道及加大信号辐射功率。美国还在大力开发一种新技术，将使全球定位系统的军事用户在面临干扰的条件下，仍能继续接收精确的导航信号。这样将极大

27、地增强美国对GPS系统的控制能力。,美国在应用GPS技术上已经相当成熟，早已掌握对任一地区进行加密和解密的技术。美国防部曾宣布，美国防部保留在世界特殊地区降低信号的权力。可见，美国开放GPS的真实目的就是继续保持自己的优势，进而巩固全球军事霸主地位。假如各国完全依赖美国的GPS，美国就可以在关键时刻降低某些地区的信号精度，甚至关闭GPS系统，置“敌人”于死地。当然，世界各国为了在未来经济、技术和军事领域占有一席之地，也不会轻易放弃自己的卫星定位系统的研发计划。这样，一定会使国际市场上全球定位系统的竞争更加激烈。,GPS使用指北,1.坐标(coordinate) 有2维、3维两种坐标表示，当GP

28、S能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3微坐标：经度、纬度、高度，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：精度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。大部分GPS不仅能以经/纬度(Lat/Long)的方式，显示坐标，而且还可以用UTM(Universal Transverse Mercator)等坐标系统显示坐标但我们一般还是使用LAT/LONG系统，这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。坐标的精度在Selective Availability(美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施)打开时，GPS的水平精度在100-50米之间，视接受到卫星信号的多少

29、和强弱而定，若根据GPS的指示，说你已经到达，那么四周看看，应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。,大部分GPS都有计算两点距离的功能，可给出两个坐标间的精确距离。,2.路标(Landmark or Waypoint) GPS内存中保存的一个点的坐标值。在有GPS信号时，按一下MARK键，就会把当前点记成一个路标，它有个默认的一般是象LMK04之类的名字，你可以修改成一个易认的名字(字母用上下箭头输入)，还可以给它选定一个图标。路标是GPS数据核心，它是构成“路线”(见3)的基础。标记路标是GPS主要功能之一，但是你也可以从地图上读出一个地点的坐标，手工或通过计算机接口输入GPS，成

30、为一个路标。一个路标可以将来用于GOTO功能(见5)的目标，也可以选进一条路线Route，见3.)作为一个支点。一般GPS能记录500个或以上的路标。,3.路线(ROUTE) 路线是GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中间点的坐标，每两个坐标点之间的线段叫一条腿(leg)。常见GPS能存储20条线路，每条线路30条腿。各坐标点可以从现有路标中选择，或是手工/计算机输入数值，输入的路点同时做为一个路标(Waypoint/Landmark)保存。实际上一条路线的所有点都是对某个路标的引用，比如你在路标菜单下改变一个路标的名字或坐标，如果某条路线使用了它，你会发现

31、这条线路也发生了同样的变化。可以有一条路线是活跃(Activity)的。“活跃”路线的路点是导向(见5)功能的目标。,4.前进方向(Heading) GPS没有指北针的功能，静止不动时它是不知道方向的。但是一旦动了起来，它就能知道自己的运动方向。GPS每隔一秒更新一次当前地点信息，每一点的坐标和上一点的坐标一比较，就可以知道前进的方向，请注意这并不是GPS头指的方向，它老人家是不知道自己的脑袋和运动路线是成多少度角的。不同GPS关于前进方向的算法是不同的，基本上是最近若干秒的前进方向，所以除非你已经走了一段并仍然在走直线，否则前进方向是不准确的，尤其是在拐弯的时候你会看到数值在变个不停。方向的是以多少度显示的，这个度数是手表表盘朝上，12点指向北方，顺时针转的角度。有很多GPS还可以用指向罗盘和标尺的方式来显示这个角度。一般同时还显示前进平均速度，也是根据最近一段的位移和时间计算的。,5.导向(Bearing) 导向功能在以下条件下起作用： 1.)以设定走向(GOTO)目标。走向目标的设定可以按GOTO键，然后从列表中选择一个路标。以后导向功能将导向此路标。 2.)目前有活跃路线(Activity route)。活跃路线一般在设置-路线菜单下设定。如果目前有活动路线，那么导向的点是路线中第一个路点，每到达一个路点后，自动指到下一个路点。 在导向页面上部都会标