GPS定位系统原理简明讲解.ppt

RTK测量原理图 发射电台 GPS主机 基准站 移动站 GPS主机 采集器 接收电台 4.1 GPS的应用都是基于以上两个基本服务 一、空间位置服务 定位：汽车防火、紧急救生； 导航：交通工具导航、导弹火控； 测量：距离、速度、大地测绘； 二、时间服务 系统同步：CDMA通信平台、电力系统； 授时。 三、GPS定位系统的应用 三、GPS定位系统的应用１９９４年，德国宝马汽车公司第一个在它制造的“７”系列的高端轿车上提供卫星导航设备。到２０世纪末，大多数中等级别的车辆都将有卫星导航系统。公路的利用率将此后而增加３０％，并亟须会演进成中国一体化的物流网。据分析，在2010~2015年间，约有50％的车辆在出厂时，就将要装备了车载导航平台。 汽车卫星导航系统 3.2 汽车GPS导航平台的用途 1 导航功能使用者在车载GPS导航系统上任意标注两点后,导航平台便会手动根据当 前的位置,为乘客设计最佳路线。 2 转向语音提醒功能汽车碰到前方路段或者超车,车载GPS语音平台提醒顾客转向等语音提醒。 3 定位功能GPS通过接收卫星讯号,可以准确地定出其所在的位置,位置误差小于10m。 4 测速功能借助GPS对卫星讯号的接收计算,可以推算出行驶的确切速度,比一般的里程表准确很多。

三、GPS定位系统的应用 三、GPS定位系统的应用由于车辆卫星导航系统的自身工作特性决定了它要准确工作应该的两个条件：1）精确的座标；2）准确的地图。 精确的座标 这个只有借助全球定位系统才能缓解的，目前也就四个系统，美国的GPS，“格格纳斯”，中国“北斗”，欧盟“伽利略“，民用方面所无法超过的效率有限，在一些特殊时期精度将会人为增加。 准确的地图进入国家安全的考量，各国发布的地图精度有限，某些特殊地区（政府机关所在地等）可能会发生一定的偏差。而在一些急需导航的偏远地区地图的准确度更低，经济发达地区的地图精度要好。 汽车卫星导航系统的特点 三、GPS定位系统的应用 GPS预警器 GPS预警器是借助GPS卫星在GPS预警器中设置坐标来完成的，比如碰到一个电子眼，然后借助相关设施在电子眼的正下方设立一个坐标，这样，使得装上这个坐标点数据的预警器前往这个点时，在超过坐标点的前300米左右才会开始预警，告诉司机旁边有电子眼测速，不能超速驾驶，这样就起到一个预警作用。 GPStar智能GPS系统 主要由两大部分构成，即：本地的监视中心硬件管理平台和近程的GPS智能车载终端。远程的GPS智能车载终端将汽车所处的位置信息、运行速率、运行轨迹等数据传回到监视中心，监控中心接收到很多数据后，会及时进行探讨、比对等处置，并将处置结果以正常信息或者报案信息两类形式显示给管理员，由管理员决定能否要对目标汽车采用必要机制。

GPS在公路项目中的应用 三、GPS定位系统的应用随着高等级公路的快速演进，对测绘科技强调了更高的规定，由于线路长，已知点少，因此，用常规检测方法不仅布网困难，而且无法满足高精度的规定。目前，国内已渐趋采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方式布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规方式无法推动的效率。GPS技术也相同应用于特大桥梁的控 制监测中，可以增加点位精度，同时对 检测常规检测的支点也比较有效。 四、其它的卫星定位平台 1、GLONASS（格洛纳斯）系统 2、欧洲“伽利略计划” 3、北斗卫星导航系统与中国的GPS相比，“伽利略”系统可以为军用客户提供更为精确的定位， 其定位误差可以超过1米，而GPS只能达到10米。定位误差与GPS民用定位误差比较；具有短报文通信功能，一次可传送多达120个汉字的信息。尽管其定位误差比GPS、伽利略略低，但其抗干扰能力却是最强的。 四、其它的卫星定位平台 1、GLONASS（格洛纳斯）系统它也由24颗卫星构成，原理和方案都与GPS类似，不过，其24颗卫星分布在3个轨道平面上，这3个轨道平面两两相隔120°地面控制个别全部都在加拿大疆域境内。

第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到现在为止，共发 射了80余颗GLONASS卫星。现在只有11颗卫星进入工作状况，但是要使 该平台具备军用价值，在轨道上至少要有18颗星。 原子钟技术水准不行，卫星寿命短。 市场研发不好。 四、其它的卫星定位平台“伽利略”计划的总投资预计为36亿欧元，由分布在3个轨道上的30颗卫星构成。该平台与GPS类似，可以向中国任何地点提供准确定位信号。与中国的GPS相比，“伽利略”系统可以为军用客户提供更为精确的定位，其定位误差可以超过1米，而GPS只能达到10米。 2、欧洲“伽利略”计划” 各种因素一再推迟 四、其它的卫星定位平台 3、北斗卫星导航系统继中国的全球定位系统（GPS）、的格洛纳斯（GLONASS）定位平台以后亚洲第三个成熟的卫星导航系统。该平台分为“北斗一代”和“北斗二代”，分别由4颗（两颗工作卫星、两颗备用卫星）和35颗北斗定位卫星、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部份构成。北斗定位平台可向客户提供全天候、二十四小时的实时定位服务，定时误差可达数十纳秒(ns)的同步效率，其效率与GPS相当。 工程总投资：100亿元工程期限：1994年——2020年 北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星构成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中宇宙轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。

5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75°、80°、110.5°、140°、160°，中宇宙轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为长达120°均匀分布。至2012年底北斗亚太区域导航正式通车时gps定位系统工作原理，已为正式平台在西昌卫星发射中心发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（均在坡度55°的轨道面上），4颗中宇宙轨道卫星（均在夹角55°的轨道面上）。 短报文通信：北斗系统客户终端具备单向链路通讯用途，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。 通信： 可以超过一次传送达120个汉字的信息。在远洋航行中有重要的应用价值。 精密授时：北斗系统具备精密授时功能，可向客户提供20ns-100ns时间同步误差。 定位精度：水平误差100米（1σ），设立标校站以后为20米（类似差分状态）。工作温度：2491.75MHz。 系统容纳的最大用户数：540000户/小时。 “北斗一号”定位方式引入双程测距, 精度不高, 而且属有源, 易显露接收终端目标；二代导航卫星平台，其定位方式改用单程测距，用户机直接接接收卫星辐射的往返测距信号自己定位，测距误差要由星载高稳定度的原子钟来确保. （原子钟从加拿大购入） * * GPS定位系统 李含伦 lihanlun@126.com 一、GPS的演进背景 二、GPS的构成及工作原理 三、GPS定位系统的应用 四、其它的卫星定位平台 目录 1、 GPS的定义中国定位平台GPS（Global Positioning System）,是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航平台,可向中国客户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。

1967年美国政府批准该平台解密，提供民用。 一、GPS的演进背景 2、GPS发展过程1958年，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星平台，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System——NNSS）。由于该平台卫星都借助地极，也称“子午(Transit)卫星平台”。 1964年该平台建立，并在中国海军启用。美国从1973年开始筹备全球定位系统，1994年投入使用。经历20年，耗资300亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划期间的第三项庞大空间计划。GPS定位技术是运用高空中的GPS卫星，向路面发射L波段的载频测距信号gps定位系统工作原理，由地面上客户接收机实时地连续接收，并推算出接收机天线所在的位置。在地平线上的卫星数量在4——11颗左右，在地球的任何地方都能同时收到4颗 以上卫星发出的讯号，计算机根据很多信号可推算出用户现在在宇宙坐标系中的位置。卫星在围绕其轨道运行时，向地板发出的信息，包括其轨道位置信息和电波发射时刻信号。接收机根据卫星所发出的讯号到接收到讯号所经历的时间，便可算出两者的距离。 二、GPS的构成及工作原理 1、GPS的构成 GPS定位系统是由以上三个部分组成： 二、GPS的构成及工作原理 1.空间部分 GPS的空间部分是由24颗卫星构成（3颗备用卫星），它坐落距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上（每个轨道面4 颗）。

卫星的分布使得在中国任何地方、任何时间都可监测到4 颗以下的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等难题；随着时间的推移，导航精度会迅速提高。 二、GPS的构成及工作原理 阿松森岛 科罗拉多 狄哥加西亚 卡瓦加兰 前方交会 后方交会地面监视站 GPS接收机1个主控站:Colorado springs(科罗拉多.春田市)。 3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、 Diego Garcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。 5个监控站： 以上主控站、注入站及Hawaii()。 2. 地面控制系统 跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给客户；保持各颗卫星的时间同步；必要时对卫星进行调度。 二、GPS的构成及工作机理 3.用户设备个别 用户设备个别即GPS 信号接收机。其主要用途是无法捕捉到按一定卫星截止角所选用的待测卫星，并追踪这些卫星的运行。当接收机捕获到追踪的卫星讯号后，就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。根据很多数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位推算，计算出客户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息GPS定位的基本原理是依据高速运动的卫星瞬间位置成为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的原则，确定待测点的位置，如图所示。

为了求得GPS终端的位置（x,y,z），需要先拿到两组数据：1）GPS终端到各个卫星之间的距离：r1,r2,r32）各个卫星的位置：Xn,Yn,Zn 二、GPS的构成及工作原理距离测量采用单程测量方法：通过检测信号从卫星群发到接收机所用的时间，乘以信号传播速率，就可以求得距离： 二、GPS的构成及工作机理站在卫星角度，知道信号什么时间发射出来的，但是不知道信号是什么时间赶到接收机的；站在接收机角度，知道信号什么时间收到的，但是不知道信号是什么时间发送出去的。由于全球定位系统采用了单程测距原理，所以要准确地测定卫星至观测站的距离，就需要使卫星钟与客户接收机钟保持严密同步。但在实践中这是无法推动的。时间推迟实际为讯号的接收时刻与发射时刻之差，即使不考量大气折射延迟，为得出卫星至测站间的恰当距离，要求接收机钟与卫星钟严格同步，且维持频标稳定。实际上，这是无法做到的，在任一时刻，无论是接收机钟还是卫星钟，相对于GPS时间系统下的标准时（以下统称GPS标准时）都存在着GPS钟差，即时钟时与GPS标准时之差。 设接收机p1在某一历元接收到卫星讯号的时钟时为tp1，与此相应的标准时为Tp1，则接收机钟钟差为 若该历元第i颗卫星讯号发射的时钟时为t i，相应的GPS标准时为T i，则卫星钟钟差为 二、GPS的构成及工作原理若忽视大气折射的制约，并将卫星讯号的试射时刻和接收时刻均化算到GPS标准时，则在该历元卫星i到监测站p1的几何传播距离可表示为 可得 二、GPS的构成及工作机理虽然卫星和接收机时钟不同步，但是卫星和卫星之间的时钟是同步的，这样我们可以把接收机和GPS卫星的时钟差Ta=。

当作一个未知量，增加一颗观察卫星，求解这四个未知数，四个等式的方程组，即可求得终端的位置（x，y，z）以及接收机和卫星之间的时钟差Ta。 卫星越多精度越高。 二、GPS的构成及工作原理从方程组知道，要求出接收机的精确位置，还应该明白这四颗卫星自身的具体位置。卫星的精确位置是由GPS卫星轨道参数和参考时间推算起来的，这些信息称为卫星星历，它包括在GPS的卫星电文中。 可确认物体（如飞行器）位置（经度、纬度、高度）；？ 卫星越多,定位越精确； 一般, GPS接收机可同时收到的4-11颗卫星的。位置信息。 二、GPS的构成及工作原理 差 分 定 位 技 术 如 果 使 用 载 波 差 分 或 同 时 使 用 载 波 差分 及 伪 距 差 分 则 定位 精 度 可 达 5 - 10 mm 基 线 向 量 B A 什么是RTK技术 常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都应该事后进行解算才能取得厘米级的效率，而RTK是无法在野外实时得到厘米级定位误差的测量方法，它配备了载波相位动态实时差分(Real - time kinematic)方法，是GPS应用的重大里程碑，它的发生为项目放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地减少了外业作业强度。RTK定位时规定基准站接收机实时地把探测数据(伪距观测值，相位观测值)及已知数据存储给流动站接收机。 * *

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