GPS的原理與應用

1、 l2.1 基礎知識基礎知識l（1 ）GPS定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史lGPS的實施計劃，它可以分為三個階級：l第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星，研制了地面接收機及建立地面跟蹤網，從硬件和軟件上進行了試驗，試驗結果令人滿意。 l第二階段為全面研制和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星。與此同時，研制了各種用途的接收機，主要是導航型接收機，同時測地型接收機也相繼問世。試驗表明，GPS的定位精度遠遠超過設計標準，利用粗碼的定位精度幾乎提高了一個數(shù)量級，達到14m。 l第三階段為實用組網階段。1989年2月4日第一顆G

2、PS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，宣告了GPS系統(tǒng)進入工程建設階段。這種工作衛(wèi)星稱為 Block和BlockA衛(wèi)星。這兩組衛(wèi)星的差別是：BlockA衛(wèi)星增強了軍事應用功能，擴大了數(shù)據存儲容量；Block衛(wèi)星只能存儲供14天用的導航電文(每天更新三次)；而BlockA衛(wèi)星能存儲供180天用的導航電文，確保在特殊情況下使用GPS衛(wèi)星。實用型的GPS網即（21+3）GPS星座已經建成，今后將根據計劃更換失效的衛(wèi)星。 GLONASS衛(wèi)星星座l歐洲歐洲EGNOSEGNOS系統(tǒng)系統(tǒng)l伽利略系統(tǒng)伽利略系統(tǒng)l日本日本MSASMSAS系統(tǒng)系統(tǒng) 衛(wèi)星定位系統(tǒng)種類星座衛(wèi)星數(shù)目（顆）衛(wèi)星平均高度（km）衛(wèi)星運行周期（min）載波

3、頻率（MHz）L1L2GPS(美國)21+3202007181565158612171238GLONASS(前蘇聯(lián))21+3191006751603161612461256NAVSAT(歐洲空間局)12+6201787201561156912241232伽利略系統(tǒng)3024000l（1）全球地面連續(xù)覆蓋。GPS有24顆衛(wèi)星，且分布合理，所以在地球上和近地空間上任何一點，均可以連續(xù)同步地觀測4顆以上衛(wèi)星、實現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導航定位。l（2）功能多，精度高。GPS可為各類用戶連續(xù)地提供動態(tài)目標的三維位置，三維速度和時間信息。一般來說，目前其單點實時定位精度可達5m10m，靜態(tài)相對定位精度可達10.

4、01ppm，測速精度為0.1m/s，而測時精度約為數(shù)十納秒。隨著GPS測量技術和數(shù)據處理技術的發(fā)展，其定位、測速和測時的精度將進一步提高。 l（3）實時定位速度快。利用全球定位系統(tǒng)一次定位和測速工作在一秒至數(shù)秒鐘內便可完成，這對高動態(tài)用戶來說尤為重要。l（4）被動式全天候導航定位。這種導航定位不僅隱蔽性好，而且可以容納無數(shù)多用戶。l（5）抗干擾性能好，保密性強。由于GPS采用了數(shù)字通訊的特殊編碼技術，即偽隨機噪聲碼技術，因而GPS衛(wèi)星所發(fā)送的信號，具有良好的抗干擾性和保密性。 l 相對于經典的測量學來說，這一新技術的主要特點如下：l（1）觀測站之間無需通視。 （2）定位精度高。在小于50km的

5、基線上，其相對定位精度可達1210-6，而在100km500km的基線上可達10-610-7。隨著觀測技術與數(shù)據處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對定位精度達到或優(yōu)于10-8。（3）觀測時間短。 （4）提供三維坐標。（5）操作簡便。 （6）全天候作業(yè)。 l2全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)GPS的組成概況的組成概況 全球定位系統(tǒng)（GPS）主要由三部分組成，即由GPS衛(wèi)星組成的空間部分、由若干地面站組成的控制部分和以接收機為主體的廣大用戶部分. l 全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座，由24顆衛(wèi)星組成，其中包括3顆備用衛(wèi)星。衛(wèi)星分布在6個軌道面內，每個軌道面上分布有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對地球赤

6、道面的傾角約為55，各軌道平面升交點（與赤道交點）之間的角距為60。相鄰軌道之間的衛(wèi)星還要彼此叉開40。軌道平均高度約為20200km，衛(wèi)星運行周期為11小時58分。因此，同一觀測站上，每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5個小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時間和地點而異，最少為4顆，最多可達11顆。lGPS衛(wèi)星及其功能衛(wèi)星及其功能 l GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形，直徑約為1.5m，重約774kg(包括310kg燃料)，兩側設有兩塊雙l葉太陽能板，能自動對日定向，以保證衛(wèi)星正常工作用電。每顆衛(wèi)星裝有4臺高精度原子鐘(2臺銣鐘和2臺銫鐘)，這是衛(wèi)星的

7、核心設備。它將發(fā)射標準頻率信號，為GPS定位提供高精度的時間標準。 l地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分l GPS的地面監(jiān)控部分，目前主要由分布在全球的5個地面站所組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站、主控站和信息注入站。l GPS地面監(jiān)控部的分布 地面監(jiān)控系統(tǒng)圖l(1)監(jiān)測站l l監(jiān)測站，是在主控站直接控制下的數(shù)據自動采集中心。站內設有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、計算機和若干臺環(huán)境數(shù)據傳感器。接收機對GPS衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，以采集數(shù)據和監(jiān)測衛(wèi)星的工作狀況。原子鐘提供時間標準，而環(huán)境傳感器收集有關當?shù)氐臍庀髷?shù)據。所有觀測資料由計算機進行初步處理，并存儲和傳送到主控站，用以確定衛(wèi)星的軌道。l主 控 站 一 個 ，

8、 設 在 科 羅 拉 多 斯 平 土(ColoradoSprings)的聯(lián)合空間執(zhí)行中心。主控站除協(xié)調和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作外，其主要任務是:l根據本站和其它監(jiān)測站的所有觀測資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據傳送到注入站。 l提供全球定位系統(tǒng)的時間基準。各監(jiān)測站和GPS衛(wèi)星的原于鐘，均應與主控站的原子鐘同步，或測出其間的鐘差，并把這些鐘差信息編入導航電文，送到注入站。l 調整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預定的軌道運行。l 啟用備用衛(wèi)星以代替失效的工作衛(wèi)星。l 注入站現(xiàn)有3個，分別設在印度洋的迭哥加西亞(DiegoGarcia)；南大西洋的阿松森島(Ascenci

9、on)和南太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein)。注入站的主要設備包括二臺直徑為3.6m的天線、一臺C波段發(fā)射機和一臺計算機。其主要任務是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導航電文和其它控制指令等，注入到相應衛(wèi)星的存儲系統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。 用戶設備部分用戶設備部分 全球定位系統(tǒng)的空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶應用該系統(tǒng)進行定位的基礎，而用戶只有通過用戶設備，才能實現(xiàn)應用GPS定位的目的。用戶設備的主要任務是，接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，以獲得必要的定位信息及觀測量，并經數(shù)據處理而完成定位工作。 用戶設備，主要由GPS接收機硬件和數(shù)據處理軟件，以及微處理機及其終端設備組成，而GPS接收機的硬件，一般包括主機、天線和電源。 繼續(xù)向小型化、輕型化發(fā)展；l結構模塊化，減少易損的接口；l控制器小型化，以便用戶操作，提高自動化程度；l降低功率消耗；l改善存儲器管理，增大存儲