GPS导航系统的原理，组成和应用的详细说明

GPS的前景和特征

由于GPS的全天候，高精度和自动测量特性，它作为一种先进的测量方法和新的生产率，已被集成到国民经济建设，国防建设和社会发展的各个应用领域.

随着冷战的结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布从2000年到2006年，在确保不威胁美国国家安全的前提下，取消了安全策略，并且GPS民用信号的准确性在全球范围内得到了改善. 使用C / A码的单点定位精度已从100米提高到10米，这将进一步促进GPS技术的应用，提高生产率，运行效率，科学水平和人们的生活质量，并刺激增长GPS市场. 根据有关专家的预测，到2000年以后，仅在美国，车载GPS导航系统的市场规模就将达到30亿美元，而在中国，车载导航市场的规模也将达到50亿元. 可以看出，GPS技术市场的应用前景非常可观.

GPS的主要功能:

（1）全球，每天24/7工作.

①定位精度高. 一键式定位精度优于10m，采用差分定位，精度可以达到厘米级和毫米级.

②它具有许并且被广泛使用.

GPS系统的特点: 高精度，全天候，高效，，操作简便，应用广泛.

1. 定位精度高

应用实践证明，GPS在50KM内的相对定位精度可以达到10-6，100-7500KM可以达到10-7，而1000KM可以达到10-9. 在300-1500M工程的精确定位中，超过1小时观察到的溶液的平面位置误差具有小于1mm的平面位置误差. 与ME-5000电磁波测距仪测得的侧面长度相比，侧面长度差最大为0.5mm. 中位误差为0.3mm.

2. 观察时间短

随着GPS系统的不断完善和软件的不断更新，目前20KM内的相对静态定位仅需15-20分钟. 当进行快速静态相对定位测量时，当每个流动站距基准站时间15KM以内时，流动站观测时间仅为1-2分钟，然后可以随时定位，每个站的观测仅需几秒钟. / p>

GPS的主要应用: （1）地面应用，包括车辆导航，应急响应，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，市政规划控制等； （2））海洋应用，包括确定远洋船的最佳航行路线，船舶的实时调度和导航，海洋救援，海洋寻宝，水文地质调查，海上平台的定位以及海平面的监视海拔; ，航空遥感姿态控制，低轨卫星轨道确定，导弹制导，航空救援和载人航天器保护检测等.

GPS导航系统的基本原理

GPS导航系统的基本原理是测量已知位置的卫星与用户的之间的距离，然后组合来自多个卫星的数据以了解的特定位置. 为此，可根据机载时钟记录的时间在星历中找到卫星的位置. 通过记录卫星信号传播到用户的时间，然后将其乘以光速（由于大气中电离层的干扰，该距离不是真实距离），可以得出从用户到卫星的距离. 在用户和卫星之间，但是伪距（PR）: 当GPS卫星正常工作时，导航消息会不断使用由1和0二进制符号组成的伪随机码（称为伪码）进行传输. GPS系统使用的伪码，即民用C / A码和军用P（Y）码，C / A码频率为1.023MHz，重复周期为1毫秒，码间隔为1微秒，相当于300m； P码频率为10.23MHz，重复周期为266.4天，码间隔为0.1微秒，相当于30m，Y码是在P码的基础上形成的，具有较好的安全性能. 包括卫星星历，工作条件，时钟校正，电离层延迟校正，大气折射校正等. 信息. 它从卫星信号中解调出来，并以50b / s的调制率在载波频率上传输. 导航消息的每个主框架包含5个子框架，每个框架的长度为6s. 前三帧分别为10个字；每30秒重复一次，每小时重复一次. 接下来的两帧总计为15000b. 导航消息的内容主要包括遥测代码，转换代码和数据块1、2和3，其中最重要的是星历数据. 当用户收到导航消息时，它将提取“比较卫星时间与其自己的时钟”，以获取卫星与用户之间的距离. 然后，使用导航消息中的卫星星历数据来计算发送消息时卫星的位置. 用户处于WGS-84大地坐标系中. 定位速度和其他信息.

可以看出，GPS导航系统的卫星部分的作用是连续发送导航消息. 但是，由于使用的时钟和基于卫星的时钟不能总是同步，因此除了用户的三维坐标x，y和z外，Δt（即卫星和之间的时间差） ，作为一个未知数引入. 然后使用4个方程式求解这4个未知数. 因此，如果您想知道在哪里，则必须能够接收至少4颗卫星的信号.

GPS可以接收到精确到纳秒级的时间信息，可用于计时；预测星历表，用于预测未来几个月的卫星大致位置；广播星历，精度在几米到几十米之间（每颗卫星都是不同的，并且随时变化）；和GPS系统信息，例如卫星状态.

GPS可以测量代码以获得卫星到的距离. 由于它包含的卫星时钟误差和大气传播误差，因此称为伪距. 为0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米，为P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为20米. 2米.

GPS对接收到的卫星信号进行解码，或使用其他技术去除在载波上调制的信息，然后可以恢复载波. 严格来说，载波相位应称为载波拍频相位，它是接收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本地振荡产生的信号相位之差. 通常在由时钟确定的纪元时间测量并跟踪卫星信号，可以记录相变值，但观测开始时和卫星振荡器的初始相位值未知. 初始时期的相位整数也是未知的，即整个星期的歧义，只能将其作为数据处理中的参数来解决. 相位观测的精度高达毫米，但是前提是要解决整个周期的不确定性. 因此，只有在使用相对定位和一段连续观测的情况下才能使用相位观测. 可以使用相位观测.

根据定位方法，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）. 单点定位是根据的观测数据确定位置的方法. 它只能使用伪距观测，并且可以用于车辆和船舶的粗略导航和定位. 相对定位（差分定位）是一种基于两个或多个的观测数据确定观测点之间相对位置的方法. 它可以同时使用伪距和相位观测. 应使用大地测量或工程测量. 使用相位观测法进行相对定位.

在GPS观测中包括GPS和时钟差，大气传播延迟，多径效应和其他误差. 在定位计算过程中，它们还受到卫星广播星历误差的影响. 常见误差被消除或减弱，因此定位精度将大大提高. 根据两个频率的观测，双频接收机可以抵消大气中电离层误差的主要部分. 有明显的区别），应使用双频接收机.

GPS组成

1. 空格部分

GPS的空间部分由24颗工作卫星组成. 它位于地球表面上方20 200 km的距离，并且均匀分布在6个轨道平面上（每个轨道平面4个）. 此外，轨道上还有3颗活动备用卫星. 卫星的分布使您可以随时在世界任何地方观测4颗以上的卫星，并将导航信息预先存储在这些卫星中. GPS卫星存在大气摩擦等问题，随着时间的流逝，导航精度将逐渐下降.

2. 地面控制系统

地面控制系统由一个监视站（Monitor StaTIon），一个主控制站（Master Monitor StaTIon）和一个地面天线（Ground Antenna）组成. 主控制站位于科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯. 地面控制站负责收集卫星返回的信息，并计算卫星星历，相对距离和大气校正数据.

3. 用户设备部分

用户设备部分是GPS信号. 其主要功能是能够根据某个卫星的截止角来捕获要选择的卫星，并跟踪这些卫星的运行. 捕获跟踪的卫星信号后，它可以测量伪距离和从接收天线到卫星的距离的变化率，并解调诸如卫星轨道参数之类的数据. 基于这些数据，中的微处理器可以根据定位解方法执行定位计算，并计算用户地理位置的纬度，经度，高度，速度和时间信息. 硬件和车载软件以及GPS数据后处理软件包构成了完整的GPS用户设备. GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元. 通常在机器内部和外部使用两种直流电源. 设置内部电源的目的是在更换外部电源时继续观察而不会中断. 使用外部电源时，内部电池会自动充电. 关闭后，内部电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失. 目前，各种类型的越来越小，越来越轻，便于现场观察. 第二个是用户. 单频和双频有两种类型. 但是，由于价格因素，大多数用户购买单频.

GPS在道路和交通中的广泛应用

◆GPS在道路工程中的应用

GPS在道路工程中的应用主要用于建立各种道路工程控制网络并确定空中控制点. 随着高等级公路的快速发展，对测量技术提出了更高的要求. 由于线长且已知点少，不仅难以用常规的测量方法铺设网，而且也难以满足高精度的要求. 目前，中国已逐步采用GPS技术建立线路的第一级高精度控制网络，然后使用常规方法进行线路加密. 实践证明，几十公里范围内的点误差仅为2 cm左右，达到了传统方法难以达到的精度，大大延长了施工周期. GPS技术还用于超大型桥梁的控制测量中. 由于无需查看，它可以形成坚固的网格，提高点的精度，并且对于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阔的应用前景. GPS测量不需要查看并减少常规方法的中间环节. 因此，它们快速准确，并具有明显的经济和社会效益.

◆GPS在汽车导航和交通管理中的应用

三维导航是GPS的主要功能. 飞机，轮船，地面车辆和行人可以使用GPS导航仪进行导航. 汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上开发的一种新的GPS应用技术. 该汽车导航系统由GPS导航gps系统结构分析，自主导航，微处理器，速度传感器，陀螺仪传感器，CD-ROM驱动器和LCD显示屏组成. GPS导航系统结合电子地图，通讯网络，计算机车辆管理信息系统，可以实现车辆跟踪和交通管理等多种功能.

◆GPS在长途乘用车管理中的应用（示例）

以雅讯长途旅客GPS智能管理系统为例. 它是卫星定位技术，GPRS / CDMA通信服务，GIS技术，图像采集技术和计算机的结合. 网络和等技术，在客运公司建立主控（C / S结构和B / S结构的结合），并建立其他中央控制系统，子控制，部门，交通运输等系统控制中心系统，无线通信平台（GPRS / CDMA），全球卫星定位系统（GPS）和车载设备构成了用于全天候，全方位驾驶员管理和车辆跟踪的综合平台；该系统可以实现对注册车辆的动态跟踪，监控，拍照，行车记录，管理，数据分析等功能. 被监视的车辆可以显示在电子地图上，并且可以保存车辆的行驶轨迹数据. 操作终端可以选择服务器的内部局域网或Internet来访问中心，并通过IE浏览器提供集成的总线管理数据分析和控制系统（B / S结构）系统软件，其容量可以随时扩展到中央服务器的硬件配置和操作终端，多达五十万个，车辆网络不仅可以长途乘用车，还可以是长途汽车等社交车辆. 同时，该系统还可以采用分组管理，将不同类型的车辆分为不同的组，方便管理人员操作.

GPS技术在导航器中的示例应用

全球领先的GPS导航器品牌: 源自美国硅谷的Ahada（爱航达）现已在中国上市！

产品核心功能:

1）地图查询

◎您可以在操作终端上搜索目标位置.

◎您可以记录并保存经常去的地方的位置信息，并可以与他人共享位置信息.

◎隐约查询您在特定位置附近的附件或有关加油站，酒店，自动取款机等的信息gps系统结构分析，

2）路线规划

◎◎GPS导航系统将根据您设置的起点和目的地自动规划路线.

◎计划路线以设置是否通过某些路标.

◎计划路线以设置是否避免高速行驶和其他功能.

3）自动导航

◎语音导航:

使用语音预先向驾驶员提供有关交叉路口转向，导航系统状态和其他驾驶信息的信息，就像知道如何开车前往目的地的向导一样. 导航中最重要的功能之一是，您可以通过语音提示安全地到达目的地，而无需观看操作员终端.

◎屏幕导航:

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