GPS概念

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1、GPS即全球定位系统（Global Positioning System） 。简单地说，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，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、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的 路线，准时到达目的地。 全球定位系统(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

2、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。 GPS 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 地面监控系统; 用户设备部分GPS 信号接收机。GPS 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(Transit） ，1958 年研制，64 年 正式投入使用。该系统用 5 到 6 颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球 13 次，并且无 法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星

3、 定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为 GPS 系统的研制埋下 了铺垫。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(NRL)提出了名为 Tinmation 的用 12 到 18 颗卫星组成 10000km 高度的全球定位网计划，并于 67 年、69 年和 74 年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上 初步试验了原子钟计时系统，这是 GPS 系统精确定位的基础。而美国空军则提出了 621-B 的以每星群 4 到 5 颗卫星组成 3 至 4 个

4、星群的计划，这些卫星中除 1 颗采用同步轨道外其 余的都使用周期为 24h 的倾斜轨道 该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号，其 强大的功能，当信号密度低于环境噪声的时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用 是 GPS 系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的 2 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 年美国国防部 将 2 者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO)领导，还将办事机构 设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员

5、众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通 部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。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(Procise Cod

6、e 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,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

7、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,即可测量出接收 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

8、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。全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2) 全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快 速省时高效率：(5)应用广泛多功能。 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、

9、 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 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； 根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。 经过 20 余年的实践证明，GPS 系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、 定位和定时的多功能系统。 GPS 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。 GPS

10、 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

11、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 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

12、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 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。应用范围主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。例如：1.船舶远洋导航和进港引水2.飞机航路

13、引导和进场降落3.汽车自主导航4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理5.紧急救生6.个人旅游及野外探险7.个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体） 1.电力，邮电，通讯等网络的时间同步2.准确时间的授入3.准确频率的授入1.各种等级的大地测量，控制测量2.道路和各种线路放样3.水下地形测量4.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测5.GIS 应用6.工程机械（轮胎吊，推土机等）控制7.精细农业GPS 在道路工程中的应用 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，以知 点少，因此，

14、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 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益。 GPS 在汽车导航中的应用 1.使用者在车载 GPS 导航系统上任

15、意标注两点后，导航系统便会自动根据当前的位置，为 车主设计最佳路线。另外，它还有修改功能，假如用户因为不小心错过路口，没有走车载 GPS 导航系统推荐的最佳线路，车辆位置偏离最佳线路轨迹 200 米以上，车载 GPS 导航系 统会根据车辆所处的新位置，重新为用户设计一条回到主航线路线，或是为用户设计一条 从性位置到终点的最佳线路。 2.转向语音提示功能 车辆只要遇到前方路口或者转弯，车载 GPS 语音系统提示用户转向等语音提示。这样可以 避免车主走弯路。它能够提供全程语音提示，驾车者无需观察起显示界面就能实现导航的 全过程，使得行车更加安全舒适 3.增加兴趣点功能 由于我国大部分城市都处于建设

16、阶段，随时随地都有可能冒出新的建筑物，由此，电子地 图的更新也成为众多消费者关心的问题。因此遇到一些电子地图上没有的目标点，只要你 感兴趣或者认为有必要，可将该点或者新路线增加到地图上。这些新增的兴趣点，与地图 上原有的任何一个点一样，均可套用进电子地图查阅等功能。 4.定位 GPS 通过接收卫星信号，可以准确地定出其所在的位置，位置误差小于 10 米。如果机器 里带地图的话，就可以在地图上相应的位置用一个记号标记出来。同时，GPS 还可以取代 传统的指南针，显示方向，取代传统的高度计，显示海拔高度等信息。 5.测速 通过 GPS 对卫星信号的接收计算，可以测算出行驶的具体速度，比一般的里程表准确很多。6.显示航迹 如果去一个陌生的地方，去的时候有人带路，回来时怎么办？不用担心，GPS 带有航迹记 录功能，可以记录下用户您车辆行驶经过的路线，小于 10 米的精度，甚至能显示两个车道 的区别。回来时，用户可以启动它的返程功能，让它领着你顺着来时的路线顺利回家。GPS 的其它应用 GPS 除了用于导航、定位、测量外，由于 GPS 系统的