全球定位系统GPS原理及应用

全球定位系统（全球定位系统（Global Positioning System-GPS）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200亿亿美元，于美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经近经近10年我国测绘等部门的使用表明，年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、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，并成功地应用于的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影大地测量、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、工程变形监测量、运载工具导航和管制、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，测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。带来一场深刻的技术革命。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。并开始逐步深入人们的日常生活。GPSGPS原理及应用原理及应用一、一、GPSGPS概述概述1qGPS系统的特点系统的特点:1、全球，全天候工作：、全球，全天候工作：能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。度和精密时间。不受天气的影响。2、定位精度高：、定位精度高：单机定位精度优于单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。可达厘米级和毫米级。3、功能多，应用广：、功能多，应用广：随着人们对随着人们对GPS认识的加深，认识的加深，GPS不仅在测量，不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。其应用领域不断扩大。2qGPSGPS提供的两种服务：提供的两种服务：（1）SPS（StandardPositioningService),用于民用事用于民用事业；业；（2）PPS（PrecisePositioningService),用于军事。用于军事。美国政府对美国政府对GPS精度的限制（精度的限制（1991-1994）：）：(1)SA（SelectiveAvailability)技术技术-有选择可用性；有选择可用性；(2)AS(Anti-spoofing)技术技术-反电子欺骗技术；反电子欺骗技术；SPS服务水平定位精度降低到服务水平定位精度降低到100m，在密码保护在密码保护下下PPS服务精度提高到服务精度提高到1m.2000年年5月月取消了取消了SA政策。政策。3qGPSGPS发展发展 在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统。线导航系统。1 1、无线电导航系统、无线电导航系统 罗兰罗兰-C：工作在工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，由三个地面导航台组成，导航工作区域导航工作区域2000KM，一般精度一般精度200-300M。Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。度不高。42 2、卫星定位系统、卫星定位系统 最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统（Transit），），1958年研制，年研制，64年正式投入使用。年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小（由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度较颗），运行高度较低（平均低（平均1000KM），），从地面站观测到卫星的时间从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均隔较长（平均1.5h），），因而它无法提供连续的实时因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。三维导航，而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了年美国国防部制定了GPS计划。计划。53 3、GPSGPS发展历程发展历程 GPS实施计划共分三个阶段：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。从第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到年到1979年，共发射了年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。建立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到年到1984年，又陆续发射了年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。定位精度远远超过设计标准。第三阶段为实用组网阶段。第三阶段为实用组网阶段。1989年年2月月4日第一颗日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶系统进入工程建设阶段。段。1993年底实用的年底实用的GPS网即（网即（21+3）GPS星座已经星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。建成，今后将根据计划更换失效的卫星。6（二）二）GPSGPS原理原理 1、GPS系统的组成 GPS由三个独立的部分组成：空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。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。724颗星（颗星（3颗备用）颗备用）；6个轨道平面；个轨道平面；离地高度离地高度20000KM；11小时小时58分分/周；周；2周周/天；天；q空间部分空间部分8q用户系统用户系统组成：接收机、天线、计算设备和相关软件。组成：接收机、天线、计算设备和相关软件。核收部分为接收机，主要用于核收部分为接收机，主要用于GPS卫星发射的信卫星发射的信号，并根据信号到达接收机的时间，确定接收机与卫号，并根据信号到达接收机的时间，确定接收机与卫星间的距离。星间的距离。天天线线天天线线主机箱主机箱记记录录簿簿主机主机电电源源电台电台92、GPS定位原理定位原理GPSGPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设如图所示，假设t t时刻在地面待测点上安置时刻在地面待测点上安置GPSGPS接收机，可以测定接收机，可以测定GPSGPS信号到达接收机的时间信号到达接收机的时间t t，再加上接收机所接收再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：10地球地球GPS接收机接收机GPSGPS卫星卫星2 2GPSGPS卫星卫星3 3GPSGPS卫星卫星1 1GPSGPS卫星卫星4 41112 四个方程式中各个参数意义如下：四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。为待测点坐标的空间直角坐标。xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分别为卫星分别为卫星1、卫星、卫星2、卫、卫星星3、卫星、卫星4在在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。得。Vt i(i=1、2、3、4)分别为卫星分别为卫星1、卫星、卫星2、卫星、卫星3、卫、卫星星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接和接收机的钟差收机的钟差Vto。13（三）三）DGPS原理原理 目前目前GPSGPS系统提供的定位精度是优于系统提供的定位精度是优于1010米，而为得米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用到更高的定位精度，我们通常采用差分差分GPSGPS技术：技术：将一将一台台GPSGPS接收机安置在接收机安置在基准站基准站上进行观测。根据基准站已上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数距离改正数，并由，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPSGPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。其定位结果进行改正，从而提高定位精度。差分差分GPSGPS分为两大类：分为两大类：伪距差分和载波相位差分。伪距差分和载波相位差分。141 1 伪距差分原理伪距差分原理 这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分，能得到米将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分信标差分”2 2载波相位差分原理载波相位差分原理 载波相位差分技术又称载波相位差分技术又称RTKRTK（Real TimeReal Time Kinematic Kinematic）技术，技术，是是实时实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。需要高精度位置的领域。15有有中中国国特特色色的的北北斗斗卫卫星星定定位位系系统统16中国中国3颗导航卫星正在对导弹弹头进行跟踪颗导航卫星正在对导弹弹头进行跟踪17（四）手持（四）手持GPSGPS操作（以操作（以SP24SP24手持机为例）手持机为例）1 1、操作面版认识、操作面版认识18按按Page鍵切换的四个主画面：鍵切换的四个主画面：图图1图图2图图3图图4192 2、操作的主要内容、操作的主要内容q定位及坐标存储定位及坐标存储这项功能由以下四步完成：这项功能由以下四步完成：（1）定位：接收机开机定位后自动进入定位画面，显示定位结果。见图）定位：接收机开机定位后自动进入定位画面，显示定位结果。见图5。（2）显显示示卫卫星星信信息息：在在定定位位画画面面上上选选择择“卫卫星星”按按enter键键进进入入卫卫星星信信号号画画面面，显示被跟踪卫星编号和信号强度，按显示被跟踪卫星编号和信号强度，按Page鍵返回定位画面。见图鍵返回定位画面。见图6图5图620(3)卫卫星星状状态态图图：在在卫卫星星信信号号画画面面选选择择“卫卫星星”按按enter看看卫卫星星分分布布状状况况，按按Page鍵返回定位画面，按鍵返回定位画面，按enter鍵则切换回鍵则切换回“卫星信号卫星信号”画面。见图画面。见图7（4）存存储储当当前前位位置置：任任意意画画面面中中按按MARK鍵鍵，显显示示当当前前位位置置，并并自自动动赋赋名名和和图图标标、点点名名和和图图标标可可以以用用光光标标鍵鍵修修改改，之之后后选选择择“确确定定”按按ENTER鍵完成记录。见图鍵完成记录。见图8图7图821q设置原线返回设置原线返回这部分操作由这部分操作由2步组成：步组成：（1）设设置置回回航航：按按Page鍵鍵进进入入航航迹迹显显示示画画面面用用光光标标选选中中“设设置置”按按enter鍵鍵进入，然后选择进入，然后选择“回航回航”，按，按enter鍵激活。见图鍵激活。见图9（2）设设置置回回航航：回回航航模模式式下下接接收收机机将将按按此此次次出出发发时时开开始始记记录录的的航航线线向向回回引引导。每次使用需在出发前清除旧记录并记录新航线准备回航所需。见图导。每次使用需在出发前清除旧记录并记录新航线准备回航所需。见图10图9图1022q航路点导航（分航路点导航（分6 6步）步）(1)按按Page鍵查找到鍵查找到“设置设置”菜单（见图菜单（见图4），按），按enter鍵进入。鍵进入。(2)用光标鍵选择用光标鍵选择“模式模式2”即航路点导航模式，按即航路点导航模式，按enter鍵确认。见图鍵确认。见图11图1123(3)继继续续用用Page鍵鍵翻翻至至导导航航画画面面(图图3)选选择择“激激活活”输输入入或或调调出出目目标标点点坐坐标标。见图见图12(4)选选择择“列列表表”可可调调出出数数据据库库中中忆忆有有的的坐坐标标，然然后后选选择择相相应应的的目目标标点点，确确认后即激活此点。见图认后即激活此点。见图12图1224(5)在在“激激活活航航点点”画画面面选选择择“新新点点”，即即创创建建新新点点后后再再激激活活。此此操操作作可可按提示依次输入点名、图标、经度和纬度，确认后此点即被激活。见图按提示依次输入点名、图标、经度和纬度，确认后此点即被激活。见图13(6)导导航航画画面面中中的的“显显示示”菜菜单单可可在在确确定定目目标标点点后后选选择择不不同同的的导导航航方方式式。见图见图14图13图1425q显示当地坐标显示当地坐标(分分7步步)(1)接接收收机机缺缺省省显显示示的的坐坐标标为为WGS84坐坐标标系系中中的的经经纬纬度度坐坐标标，为为显显示示当当地地的平面坐标需改变的平面坐标需改变“系统设置系统设置”项。项。(2)为为显显示示地地方方坐坐标标首首先先应应把把坐坐标标基基准准(参参考考椭椭球球)从从WGS84改改成成用用户户自自定定仪模式。见图仪模式。见图15、16。图15图1626(3)光光标标选选择择“用用户户设设置置”按按ENTER鍵鍵进进入入输输入入数数值值。输输入入后后可可显显示示北北京京54椭球基准经纬度坐标。见图椭球基准经纬度坐标。见图17图1727(4)如如为为北北京京54椭椭球球输输入入数数值值：A(长长半半轴轴)6378245，1/F(扁扁率率倒倒数数)298.3，DX，DY，DZ：WGS84BJ54的的转转换换参参数数，可可通通过过在在一一个个或或多多个已知个已知BJ54点上求得。点上求得。(5)“坐坐标标基基准准”建建立立后后设设置置“坐坐标标格格式式”帮帮助助用用户户选选择择或或建建立立自自已已的的坐标投影模型。见图坐标投影模型。见图18、19。图18图1928(6)光光标标选选择择“用用户户设设置置”按按ENTER鍵鍵进进入入输输入入数数值值。输输入入后后可可显显示示北北京京54椭球基准的平面坐标。椭球基准的平面坐标。(7)标标准准高高斯斯投投影影：LG：输输入入3/6度度带带中中央央子子午午线线经经度度；ECH：尺尺度度比比为为1；EAST：Y加加500公公里里；用用户户也也可可自自定定义义投投影影参参数数，确确认认后后退退出出，接接收收机将显示当地平面坐标。见图机将显示当地平面坐标。见图20。图2029qSP24SP24手持机数据与外设通讯设置手持机数据与外设通讯设置1.设置数据输入格式设置数据输入格式如如果果要要将将SP24手手持持机机与与差差分分GPS（DGPS）信信号号接接收收机机或或PC机连接传输数据，就必须选择适当的数据通讯格式。机连接传输数据，就必须选择适当的数据通讯格式。在在功功能能子子菜菜单单栏栏“串串口口设设置置？”中中，如如果果连连接接DGPS接接收收机机，则则需需要要在在“数数据据输输入入”处处选选择择“DGPS”，如如果果连连接接PC机机则选择则选择“NMEA”。如下图：如下图：DGPSMMEA串口状态串口状态数据输入数据输入MMEA数据输出：MMEA1832.0串口状态：关302.设置数据输出格式设置数据输出格式(1)按按Page键直到显示键直到显示“设置模式设置模式2”（或（或“设置模式设置模式3”）；）；(2)移动光标至移动光标至“串口设置串口设置”，按，按ENTER键；键；(3)选择选择“数据输出：数据输出：”按按ENTER键；键；(4)用用ENTER键及光标键选择需要的格式和数据项；键及光标键选择需要的格式和数据项；(5)选择完成后将光标移至选择完成后将光标移至“选定？选定？”，按，按ENTER键确认；键确认；3.开启或关闭串行口开启或关闭串行口当当SP24手手持持机机没没有有连连接接到到外外部部电电源源时时，关关闭闭串串行行口口可可以以延延长长电电池池的的使使用用时时间间。当当串串行行口口被被打打开开时时，状状态态中中会会间间曷曷歇歇地地显显示示通通讯讯标标志志(一一个个振振动动的的电电话机话机)。开启或关闭串行口：开启或关闭串行口：(1)在在“设设置置模模式式2”(或或“设设置置模模式式3”)屏屏幕幕上上移移动动光光标标至至“串串口口设设置置”，按按ENTER键。键。(2)移动光标至移动光标至“串口状态：串口状态：”，按，按ENTER键键(3)选择选择“开开”或或“关关”，按，按ENTER键确认。键确认。说明：当与外部电源连接时，串行口会自动开启。说明：当与外部电源连接时，串行口会自动开启。31q串行口通讯默认参数串行口通讯默认参数(1)波特率：4800(2)数据位：8(3)停止位：1(4)校验：N32手机手机GPSGPS野外定位野外定位33