1、第七章 GPS定位原理及应用简介,7.1 全球定位系统概述 7.2 GPS的组成 7.3 GPS的定位原理,第七章 GPS定位原理及应用简介,一、什么是GPS? 1定义全球定位系统GPS（Global Positioning System）,是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。,第七章 GPS定位原理及应用简介,2GPS的产生与发展由TRANSIT到GPS,1957年10月第一颗人造地球卫星Sputnik I 发射成功，电子导航应运而生。 利用多普勒频移原理1958年12月开始设NNSS(Navy Navigation
2、 Satellite System) TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月系统解密以供民用。 存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。,第七章 GPS定位原理及应用简介,2GPS的产生与发展由TRANSIT到GPS,美国从1973年开始筹建全球定位系统，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之后的第三项庞大空间计划。 从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。,第七章 GPS定位原理及应用简介,3GPS的特点,观测站之间不需要通视,定
3、位精度高,观测时间短,提供三维坐标,操作简便,全天候24小时作业,第七章 GPS定位原理及应用简介,4GPS的应用,军事、国防 陆路交通（车辆导航、监控）、航运、航空 搜索、救援 气象观测 遥感 测量 卫星定轨 资源勘探 通讯 广播、电视 电力 时间传递 .,1、GPS制导是武器效果的倍增器 2、地面部队广泛装备了GPS接收机(为战士们在沙漠之海上导航；跟踪战士们的精确位置，即使是在沙暴发生的时候) 3、800套基于GPS的“掷弹手”BRAT系统，装备于陆军中，减少了自己人打自己人的机会。 4、GPS抗干扰技术取得成效。700发战斧巡航导弹，偏离目标的比例10%左右，比前一次战争中的15%有所
4、降低。,GPS在伊拉克战争中的大规模运用经验总结,第七章 GPS定位原理及应用简介,GPS全球定位系统12小时锁定太原猴年第一大盗,2004年春节，太原市发生涉案近30万元的特大盗窃案，太原警方利用先进的GPS全球定位系统，在12小时后将犯罪嫌疑人锁定时，遭到暴力拒捕，犯罪嫌疑人被枪击不治身亡。 元月27日上午，太原市公安迎泽分局接到报警，该区内一桑拿的客房被盗，客人的3部手机、4万元现金及一部桑塔纳2000型轿车失窃。这起案件是太原春节期间发生的最大一起盗窃案件，总价值近30万元。公安迎泽分局立即成立专案组。经查，被盗车辆上安装有先进的GPS全球卫星定位系统。专案组通过有关单位了解到，被盗车
5、辆在27日凌晨4时许，经晋祠公路入口上了太祁高速公路。当日下午，专案组根据卫星定位锁定被盗车辆，该车已在太原滨河东路上行驶。专案组一路追踪，在滨河东路长风街附近，被盗车辆因车速太快撞在了一工地的墙上。,第七章 GPS定位原理及应用简介,GPS探空测风系统,香港高空气象观测,第七章 GPS定位原理及应用简介,内置了GPS卫星定位系统,支持GPS系统的V740手机,第七章 GPS定位原理及应用简介,隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统,二、GPS的组成,GPS定位系统由GPS卫星星座（空间部分）、地面控制系统和用户接收处理部分三部分组成。,地面监控系统,用户接收机,空间卫星星座,GPS系统构成,
6、1、空间部分（GPS卫星星座）,GPS卫星图片1,截止2007年3月为止，在轨卫星共29颗，星号为111，13 18，2031。目前，GPS星座已真正实现全球覆盖，不再有盲区，全天24小时任何时间都能精密定位。,设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55 ，周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星,GPS卫星图片2,1、接收和储存地面注入站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令； 2、进行必要的数据处理； 3、向用户提供精
7、密的时间标准； 4、向用户发送各种信号（导航、定位信息） ； 5、在监控站的指令下调整卫星姿态和启用备用卫星。,GPS卫星的基本功能：,2、地面监控部分,Colorado springs,Hawaii,Ascencion,Diego Garcia,kwajalein,1个主控站；3个注入站；5个监控站 作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。,2、地面监控部分,主控站:收集各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据编制成导航电文传送到注入站；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作
8、卫星。3个注入站:将主控站传来的导航电文，分别注入到相应的GPS卫星中，通过卫星将导航电文传递给地面上的广大用户。5个监控站：为主控站编算导航电文提供原始数据。每个监测站上都有GPS接收机对所见卫星作伪距测量和积分多普勒观测，采集环境要素等数据，经初步处理后发往主控站。,2、地面监控部分,3、用户接收机部分,用户设备部分 - GPS信号接收机及相关设备 接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备 多数采用石英钟,在全球任何地方，只要能接收到4颗以上卫星，就可以实现测速、测时、计算接收机天线中心的三维坐标。,3、用户接收机,接收机的作用：跟踪并捕获卫星信号，对信号进行处理，以获得必要的定位信息及观测
9、量，并对数据进行处理，实时获得三维坐标 GPS接收机的基本类型:导航型、 测地型 、授时型等测地型接收机又分单频型和双频型。,GPS接收机的组成：由天线前置放大器、信号处理、控制与显示、记录与供电单元组成。 GPS接收机的类型 依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型 依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码 依接收伪距码的种类：P码与C/A码 依接收不同频率载波的数量：单频与双频,3、用户接收机部分,图片：导航型GPS机,手持型GPS机,图片： 测量型GPS接收机,单频机,双频机,GPS单点定位方法的实质是空间距离后方交会,三 GPS定位原理,三、 GPS定位原理,基本原理：是根据高速运
10、动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。,S1,S2,S3,S4,关键是测定距离,GPS单点定位的数学原理,三 GPS定位原理,卫星信号于 “T”时刻发射,GPS接收机于 “T + t”收到信号,站星距离 = 信号传播时间 x 光速,思考,GPS伪距测量中，为 什么在同一观测区接收 机必须至少同时接收到4 颗卫星的信号才能计算 出接收机所处位置的三 维坐标？,？,信号传播时间的测定，GPS设计者非常聪明 保持GPS卫星钟同GPS接收机钟同步 GPS卫星和接收机同时产生相同的信号 采用相关技术可以获得信号传播时间 GPS卫星钟和GPS接收机钟难以保持严格
11、同步，用相关技术获得的信号传播时间含有卫星钟和接收机钟同步误差的影响。,GPS单点定位的数学模型,四、 GPS定位方法,按观测量分：伪距定位和载波定位 按接收机运动状态分：静态定位和动态定位 按定位模式分：绝对定位和相对定位 按定位时间分：实时定位和非实时定位各自特点及精度比较,四、GPS定位方法分类,（1）绝对/单点定位(point positioning)确定观测点在WGS-84系中的坐标，即绝对位置。 （2）相对定位(relative positioning)确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置（坐标差）的定位方法。,1、绝对定位（单点定位）,确定观测点在WGS-
12、84系中的坐标，即绝对位置。 单机作业，方式简单，精度较低。 用于导航、通讯、能源勘探、资源考查,2、相对定位,两台以上接收机同时对相同的卫星进行观测，确定接收天线间的相互位置，或观测点在国家或地方独立坐标系中的坐标。精度较高，用于测量定位和精密导航。,已知点,五、GPS的后处理测量方法,1静态测量(static surveying) （1）方法：将几台GPS接收机安置在基线端点上，保持固定不动，同步观测4颗以上卫星。可观测数个时段，每时段观测十几分钟至1小时左右。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。,1静态测量(static surveying) （2）用途是精度最高的作业模式。
13、主要用于大地测量、控制测量、变形测量、工程测量。 （3）精度可达到（3mm+1ppm）,2动态测量(kinematic surveying),（1）方法：先建立一个基准站，并在其上安置接收机连续观测可见卫星，另一台接收机在第1点静止观测数分钟后，在其他点依次观测数秒。最后将观测数据输入计算机，经软件解算得各点坐标。动态相对定位的作业范围一般不能超过15km。 （2）用途：适用于精度要求不高的碎部测量等。 （3）精度：可达到（10mm+1ppm）,图形：相对定位模式,静态相对定位模式,动态相对定位模式,五、GPS实时动态定位（RTK）方法,1RTK(real-time kinematic)工作原理及方法 与动态相对定位方法相比，定位模式相同，仅要在基准站和流动站间增加一套数据链，实现各点坐标的实时计算、实时输出。,由于GPS定位无需通视，不受地形限制，且全天候定位，测程远，精度高，操作简单,工作轻松,使得GPS定位系统在许多领域得到广泛应用。如军事、航空航天、测绘、电讯、气象、地质采矿、交通、公安等。在测量上，从控制测量、工程放样到数字化测图以及变形监测，已经越来越广泛应用GPS定位技术了。,五、 GPS定位系统的应用前景,2RTK用途：适用于精度要求不高的施工放样及碎部测量。,3作业范围：目前一般为10km左右。 4精度：可达到（10mm+1ppm）,
