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GPS基础知识北京合众思壮责任有限公司长沙办事处左文君目录第一节GPS系统的发展过程及系统组成第二节GPS的测距原理及实现第三节GPS的现代化第一节GPS系统的发展过程及系统组成什么是GPSGPS:NAVSTARGPS-----NavigationSystemwithTimeandRangingGlobalPositioningSystem导航授时测距全球定位系统。是一个基于卫星的无线电导航定位系统，为有适当仪器的用户提供精密的三维坐标，导航与时间信息。1.1.GPS系统的发展过程GPS系统由美国从1973年开始研制，起初完全是一个军用导航系统，从1983年开始用于解决大地测量问题。系统的最终构成在1993/1994年间完成。1.2.GPS系统的组成GPS系统由三部分组成：空间部分----主动式工作卫星；控制部分----一个主控站，三个注入站，五个监测站组成用户部分----不同类型的接收机和相关设备及软件等。空间部分：由24颗卫星加N颗主动式备用卫星组成。卫星分布在轨道倾角为55度的六个近似圆形的轨道面上。轨道运行的周期为精确的11小时58分恒星时。最终的卫星分布能保证在地球上任何一个地方任何时间至少可以同时看到4颗卫星。控制部分：包括一个主控站，三个注入站，五个监测站组成。它们的作用在于：连续的监测与控制卫星系统；确定GPS系统时间；预报卫星星历与卫星钟状态；周期性的更新每颗卫星上的导航电文。用户部分：各种类型的用户接收机和相关设备等。其作用是捕获卫星信号，并对接收到的卫星信号进行变换、放大和处理，测量出卫星信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出卫星所发送的导航电文，实时地解算出测量点的三维坐标、速度和时间。1.3.GPS信号GPS信号：GPS信号卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其载波处于L波段。L1载波：1575.42MHZ,波长为9.03cmL2载波：1227.60MHZ,波长为24.42cm其中L1载波携带伪码(C/A码)、P码（Y码）和导航信息,L2主要携带P码（Y码）。而导航信息也被称为广播星历,包含GPS卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它系统参数。1.4.GPS定位定位基本原理：以用户至4颗卫星的伪距的观测值，在适当的参考坐标系中根据已知的卫星坐标确定用户天线的坐标。)()()()(222tczzyyxxiii定位方程GPS系统指标卫星颗数：24+7轨道面数：6轨道倾角：55°轨道高度：20,183公里运行周期：11小时58分载波频率：L1:1575.42Mhz,L2:1224.60Mhz传输方式：码分多址调制码：C/A,P第二节GPS的测距原理及实现)()()()(222tczzyyxxiii2.1GPS定位步骤•要解算用户的三维坐标位置，必须有若干个已知参考点•要解算出用户到参考点的基线结果，必须解空间三角形•要解三角形，必须测量用户接收机到卫星的距离•要测量距离，必须测量卫星信号到用户接收机的传输时间•用测量卫星信号的传输时间，需要使用“码相位技术”•要得到精确结果，还要消除信号在传输路径上的误差测量用户接收机到卫星的距离卫星离地球的平均距离为20200公里；如何实现精确、快速测距?测量卫星信号到用户接收机的传输时间•判断闪电离我们有多远•判断绽放的礼花离我们有多远我们得到的启示：通过测量时间延迟来计算距离生活中的测距实例：我们举例说明如何测量两个人之间的距离使用“同步技术”，利用声波来测量两个人之间的距离。同步声波特点：频率一样，结构一致初始状态通过加入1/4拍延时通过加入(1/4+1/8)拍延时红色信号部分是通过“等待”了(1/4+1/8)拍来得到和绿色信号同步的，即二者的时延就是(1/4+1/8)拍。从聆听者的角度来说，当两首歌曲听起来感觉没有一前一后的效果时，就可以认为两首歌曲已经达到同步效果了，是同时到达聆听者的耳朵里。这个效果是由红色信号部分人为地加上延时造成的。聆听者通过测定红色信号的延时值，可以得到两点间的距离。距离=Δt×声速2.2误差来源：单一伪距测量误差；卫星几何图形结构。单一伪距测量误差：1、与GPS卫星有关的误差卫星星历误差；卫星钟误差2、与信号传播路径有关的误差电离层衰减、畸变；对流层时移；多径效应3、与接收机有关的误差接收机钟误差；模型算法误差。卫星几何图形结构：在GPS定位中，常采用几何误差放大因子来表示几何图形强度。RDOP：相对定位几何精度因子，取决于定位星座的几何结构GDOP：几何精度因子，描述空间位置误差和时间误差综合影响的精度因子GPS定位时的误差可以用总的等效距离误差和几何误差放大因子GDOP的乘积来表示。消除、削弱上述误差影响的方法有以下几种：1、建立误差改正模型2、求差法（差分）3、选择较好的硬件和较好的观测条件4、是设法增强几何强度，减小DOP值。差分定位在测量上，由于导航方式的定位精度太低，因此，我们主要利用差分定位的方式进行测量，引入差分的目的就是为了消除GPS测量中的系统误差。根据对误差的分析，我们可以知道，在一定距离范围内的两个观测站同时进行单点定位时，系统误差对两个观测站的影响大体上相同。因此，差分的基本原理是同时使用两台或两台以上的GPS接收机进行测量，通常一台接收机固定不动，架设在已知点上作为基准站（BaseStation），另一台作为游动站（RoverStation），以固定（静态）的方式或流动（动态）的方式放置在待测点上。基准站与游动站同时观测相同的卫星，基准站利用接收到的卫星信号进行单点定位解算，然后用解算结果与已知点坐标进行比较，从而获得误差的改正值，再利用无线数据链路（或后处理软件）将改正值传给游动站，流动站将该数据与本身观测到的数据进行差分解算，从而得到流动站与基准站之间的具有较高精度的相对位置。第三节GPS的现代化3、GPS的现代化1)在L1和L2上加发新的军用M码；2)在L2上加发民用的L2C码；3)增加第三民用频率L5(1176.45MHZ)；4)增强抗干扰能力，其中包括提高信号的强度；5)采用军民信号分离技术。3.2当前卫星导航定位技术WAAS系统----广域差分系统，又称地基系统该系统是在“差分定位”基础上发展起来的，但它不是简单播发“伪距差分”信息，而是播发：•各GPS卫星的星历改正•各GPS卫星的钟差改正•控制区内若干网点的电离层延迟改正参数该系统是：(1)在全球或地区内布设若干个基准站；(2)各基准站连续跟踪观测视野内的GPS卫星；(3)将观测数据传送给地面中心站；(4)中心站连续进行数据处理，计算出以上各差分改正，(5)然后将差分改正参数通过网络系统或通信卫星进行广播；(6)GPS接收机在观测卫星的同时接收广域差分改正参数，进行定位解算。其码定位精度可达：水平位置1–2M，高程精度可达2–3M。WAAS示意图目前各主要国家和地区都已建立或正在建立WAAS系统，如美国、欧洲、日本等。中国也已由总参测绘局建立了WAAS系统，并于今年开始运行，其定位精度为±5.00米。CROS系统-----连续运行站网系统该系统是一个高精度定位系统，是在RTK基础上发展起来的。其基本原理是：•在全球或区域内，布设密集的基准站网•各基准站设置高精度双频接收机，24小时连续运行，观测载波相位和伪距•通过网络，向各用户提供连续运行观测站观测的载波、相位和码距；也可以提供IGS精密卫星星历和预报星历；•用户选择相邻的三个CORS基准站的观测数据，进行准实时或后处理•该系统的定位精度可达：水平1.0cm,高程3.7cm•该系统还可以提供大地高转换成正高的参数，以进行高程转换。我国也准备建立由300多个连续运行基准点组成的CORS系统。现已由国家地震局、总参测绘局、国家测绘局组成的班子进行论证筹划。星基定位系统该系统也是由RTK发展起来。其特点是：(1)通过通讯卫星Inmarsat广播差分改正参数；(2)其定位精度为15cm~30cm该系统的基本组成和功能为：1)基准站：在全球建立几十个（50～70）连续运行基准站，设置高精度双频接收机进行连续观测。2)中心站（2个）所有基准站的观测数据，实时通过Inmarsat卫星传送给中心站，中心站根据各观测站的数据，进行实时计算和预推。计算GPS卫星的精密星历和星历改正数、卫星钟差改正数。3)差分改正参数的广播差分改正参数通过Inmarsat卫星向全球广播。其广播的差分改正参数为：•卫星轨道改正数•卫星钟差改正参数4)用户站用户站必须配有双频GPS接收机，既可进行载波相位观测，伪距观测；又可接收差分改正数。5)用户定位解算•用卫星轨道改正参数，求得精密星历坐标和速度•用卫星钟钟差改正数，求得准确时间•用双频观测数据，计算电离层延迟改正•用模型计算对流层延迟改正目前国际上，有几家公司推出上述产品，如：NAVCOM公司OmniSTAR公司SeaSTAR系统Skyfix系统NASA的GDGPS系统定位解算方法观测数据经以上修正后，用L1载波相位值进行精确定位，其定位精度可到±15厘米。由于采用以上方法，所以开始观测后，要经过一段初始化时间，才能稳定达到以上精度。除了以上几个外，在以下几个方面也值得我们关注。1)新型接收机的研制据悉有的公司已开始研制跟踪观测L1C/A和L2C码的接收机，可以进行双频载波相位和伪码距离观测，这样就可以有效地消除电离层延迟和多路径效应的影响，大大地提高定位精度。据说其最好定位精度可以达到1.0毫米，这样其用途就可极大地扩展。2)干扰和抗干扰的研究目前，GPS信号较易受到无线电信号的干扰。如1W的干扰机就能有效地干扰60公里内的民用GPS接收机。而配置在距目标40公里的100W干扰机，可以干扰军用接收机；而且还可以使距离960公里的初次接收GPS信号产生影响。因此，研究干扰和抗干扰技术具有重要作用。3)虚拟的GPS卫星技术由于GPS信号容易被地形、建筑物阻隔和被干扰，所以提出在陆地、空中或星体上发射虚拟的GPS信号，以供一些民用或军用的需要。有问题请提问！GPS基础知识介绍就此结束，预祝各位马到成功！