1、GPS 全球定位系统原理及应用八年级 6 班 王浩岩摘要：1：GPS 原理1.1 原理概述一1.2 原理概述二1.3 原理概述三1.4 原理概述四2：GPS 应用2.1 日常民用2.2 科学研究用2.3 官方使用引论：GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是美国研制的卫星导航定位系统，今采用 wgs84 坐标系统。因地球在天球空间中的位置是不稳定的，故协议用 wgs84 某一可的北极点指向位置。1：GPS 原理1.1 原理概述一GPS（Global Positioning System）即全球定位系统，是由美国建立的一个卫星导航定位系统，利用该系统，用户可
2、以在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速；另外，利用该系统，用户还能够进行高精度的时间传递和高精度的精密定位。例举 “星眼”GPS 定位终端，携诚科技。 现实生活中，GPS 定位主要用于用于对移动的人、宠物、车及设备进行远程实时定位监控的一门技术。GPS 定位（以上海市连图信息科技 GPS 车载终端设备为例）是结合了 GPS 技术、无线通信技术(GSM/GPRS/CDMA)、图像处理技术及 GIS 技术的定位技术，主要可实现如下功能： 1跟踪定位 监控中心能全天侯 24 小时监控所有被控车辆的实时位置、行驶方向、行驶速度，以便最及时的掌握车辆的状况。 2轨迹回放 监控中心能随时
3、回放近 60 天内的自定义时段车辆历史行程、轨迹记录。（根据情况，可选配轨迹 DVD 刻录服务） 3报警（报告） 3.1，超速报警：车辆行驶速度超出监控中心预设的速度时，及时上报监控中心 3.2，区域报警（电子围栏）：监控中心设定区域范围，车辆超出或驶入预设的区域会向监控调度中心给出相应的报警 3.3，停车报告：调度中心可对车辆的历史停车记录以文字形式生成报表，其中描述车辆的停车地点、时间和开车时间等信息，并可对其进行打印。 4地图制作功能 根据查看需要，客户可以添加修改自定义地图线路，以更好服务企业运行 5里程统计 系统利用 GPS 车载终端的行驶记录功能和 GIS 地理系统原理对车辆进行行
4、驶里程统计，并可生成报表且可打印。 6车辆信息管理 方便易用的管理平台，提供了车辆、驾驶人员、车辆图片等信息的设定，以方便调度人员的工作。 7短信通知功能 将被控车辆的各种报警或状态信息在必要时发送到管理者手机上，以便随时随地掌握车辆重要状态信息。 8车辆远程控制 监控中心可随时对车辆进行远程断油断电，锁车功能。 9车载电话 车载电话可以象普通手机一样拔打电话，调度中心可对此电话进行远程权限设置，即呼入限制、呼出限制、只能呼叫指定的若干电话号码。 10油耗检测 实时监控车辆的油耗变化，并生成历史时段油量变化报表或油量曲线图，进而直观反映出油量的正常消耗与非正常消耗及加油数量不足等现象，达到油耗
5、高水平管理，杜绝不良事件的发生。 （需搭配油量传感器） 11车辆调度 调度人员确定调度车辆或者在地图上画定调度范围，GPS 系统自动向车辆或者画定范围内的所有车辆发出调度命令，被调度车辆及时回应调度中心，以确定调度命令的执行情况。GPS 系统还可对每辆车成功调度次数进行月统计。 GPS 计划始于 1973 年 ，已于 1994 年进入完全运行状态。GPS 的整个系统由空间部分、地面控制部分和用户部分所组成： 空间部分（太空部分）GPS 的空间部分是由 24 颗 GPS 工作卫星所组成，这些 GPS 工作卫星共同组成了 GPS 卫星星座，其中 21 颗为可用于导航的卫星，3 颗为活动的备用卫星。
6、这 24 颗卫星分布在 6 个倾角为 55的轨道上绕地球运行。卫星的运行周期约为12 恒星时。每颗 GPS 工作卫星都发出用于导航定位的信号。GPS 用户正是利用这些信号来进行工作的。 控制部分GPS 的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成的监控系统所构成，根据其作用的不同，这些跟踪站又被分为主控站、监控站和注入站。主控站有一个，位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；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
7、用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii ） 、阿松森群岛（Ascencion） 、迭哥伽西亚（Diego Garcia） 、卡瓦加兰（Kwajalein） ，监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（Ascencion） 、迭哥伽西亚（Diego Garcia） 、卡瓦加兰（Kwajalein） ，注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。 用户部分（地面接收）GPS 的用户部分由 GPS 接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算
8、机气象仪器等所组成。它的作用是接收 GPS 卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的 GPS 系统。1.2 原理概述二GPS 的信号GPS 卫星发射两种频率的载波信号，即频率为 1575.42MHz 的 L1 载波和频率为 1227.60MHz 的 L2 载波，它们的频率分别是基本频率 10.23MHz 的 154 倍和 120 倍，它们的波长分别为 19.03cm 和 24.42cm。在 L1 和 L2 上又分别调制着多种信号，这些信号主要有： C/A 码C/A 码又被称为粗捕获码，它被调制在 L1 载波上，是 1MHz 的伪随机噪声码（PRN
9、码） ，其码长为 1023 位（周期为 1ms） 。由于每颗卫星的 C/A 码都不一样，因此，我们经常用它们的 PRN 号来区分它们。C/A 码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。 P 码P 码又被称为精码，它被调制在 L1 和 L2 载波上，是 10MHz 的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施 AS 时，P 码与 W 码进行模二相加生成保密的 Y 码，此时，一般用户无法利用 P 码来进行导航定位。 Y 码见 P 码。 导航信息导航信息被调制在 L1 载波上，其信号频率为 50Hz，包含有 GPS 卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计
10、算某一时刻 GPS 卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。 SPS 和 PPS 是 GPS 系统针对不同用户提供两种不同类型的服务。一种是标准定位服务(SPSStandard Positioning Service)，另一种是精密定位服务(PPSPrecision Positioning Service)。这两种不同类型的服务分别由两种不同的子系统提供，标准定位服务由标准定位子系统(SPSStandard Positioning System)提供，精密定位服务则由精密定位子系统(PPSPrecision Positioning System) 提供。 SPS 主要面向全世界的民用
11、用户。 PPS 主要面向美国及其盟国的军事部门以及民用的特许用户。 在 GPS 定位中，经常采用下列观测值中的一种或几种进行数据处理，以确定出待定点的坐标或待定点之间的基线向量： L1 载波相位观测值 L2 载波相位观测值（半波或全波） 调制在 L1 上的 C/A 码伪距 调制在 L1 上的 P 码伪距 调制在 L2 上的 P 码伪距 L1 上的多普勒频移 L2 上的多普勒频移 实际上，在进行 GPS 定位时，除了大量地使用上面的观测值进行数据处理以外，还经常使用由上面的观测值通过某些组合而形成的一些特殊观测值，如宽巷观测值（Wide-Lane） 、窄巷观测值（Narrow-Lane） 、消除
12、电离层延迟的观测值（Ion-Free）来进行数据处理。1.3 原理概述三GPS 的误差我们在利用 GPS 进行定位时，会受到各种各样因素的影响。影响 GPS 定位精度的因素可分为以下四大类： 与 GPS 卫星有关的因素SA 美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（ 技术） 、在 GPS 基准信号中加入高频抖动（ 技术）等方法，人为降低普通用户利用 GPS 进行导航定位时的精度。 卫星星历误差 在进行 GPS 定位时，计算在某时刻 GPS 卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历7提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。
13、卫星钟差 卫星钟差是 GPS 卫星上所安装的原子钟的钟面时与 GPS 标准时间之间的误差。 卫星信号发射天线相位中心偏差 卫星信号发射天线相位中心偏差是 GPS 卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。1.4 原理概述四GPS 定位的基本原理是根据高速运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。如图所示，假设 t 时刻在地面待测点上安置 GPS 接收机，可以测定 GPS 信号到达接收机的时间t ，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式： 上述四个方程式中待测点坐标 x、 y、 z 和 Vto 为未知参数，其中
14、di=cti (i=1、2、3、4)。 di (i=1、2、3、4) 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 到接收机之间的距离。 ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 的信号到达接收机所经历的时间。 c 为 GPS 信号的传播速度（即光速） 。 四个方程式中各个参数意义如下： x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。 xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 在 t 时刻的空间直角坐标， 可由卫星导航电文求得。 Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星 1、卫星 2、卫星 3、卫星 4 的卫星钟
15、的钟差，由卫星星历提供。 Vto 为接收机的钟差。 由以上四个方程即可解算出待测点的坐标 x、y、z 和接收机的钟差 Vto 。 事实上，接收机往往可以锁住 4 颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组 4 颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。 由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的 SA 保护政策，使得民用 GPS 的定位精度只有 100 米。为提高定位精度，普遍采用差分 GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行 GPS 观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。
16、接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分 GPS，定位精度可提高到 5 米。车用导航系统主要由导航主机和导航显示终端两部分构成。内置的 GPS 天线会接收到来自环绕地球的 24 颗 GPS 卫星中的至少 3 颗所传递的数据信息，由此测定汽车当前所处的位置。导航主机通过 GPS 卫星信号确定的位置坐标与电子地图数据相匹配，便可确定汽车在电子地图中的准确位置。 在此基础上，将会实现行车导航、路线推荐、信息查询、播放 AV/TV 等多种功能。驾驶者只须通过观看显示器上的画面、收听语音提示，操纵手中的遥控器即可实现上述功能，从而轻松自如地
17、驾车。2：GPS 应用2.1 日常民用：车载 GPS 导航功能： 1.使用者在车载 GPS 导航系统上任意标注两点后，导航系统便会自动根据当前的位置，为车主设计最佳路线。另外，它还有修改功能，假如用户因为不小心错过路口，没有走车载 GPS 导航系统推荐的最佳线路，车辆位置偏离最佳线路轨迹 200 米以上，车载 GPS 导航系统会根据车辆所处的新位置，重新为用户设计一条回到主航线路线，或是为用户设计一条从性位置到终点的最佳线路。2.转向语音提示功能 车辆只要遇到前方路口或者转弯，车载 GPS 语音系统提示用户转向等语音提示。这样可以避免车主走弯路。它能够提供全程语音提示，驾车者无需观察起显示界面
18、就能实现导航的全过程，使得行车更加安全舒适 3.增加兴趣点功能 由于我国大部分城市都处于建设阶段，随时随地都有可能冒出新的建筑物，由此，电子地图的更新也成为众多消费者关心的问题。因此遇到一些电子地图上没有的目标点，只要你感兴趣或者认为有必要，可将该点或者新路线增加到地图上。这些新增的兴趣点，与地图上原有的任何一个点一样，均可套用进电子地图查阅等功能。 4.定位 GPS 通过接收卫星信号，可以准确地定出其所在的位置，位置误差小于 10米。如果机器里带地图的话，就可以在地图上相应的位置用一个记号标记出来。同时，GPS 还可以取代传统的指南针，显示方向，取代传统的高度计，显示海拔高度等信息。 5.测
19、速 通过 GPS 对卫星信号的接收计算，可以测算出行驶的具体速度，比一般的里程表准确很多。 6.显示航迹 如果去一个陌生的地方，去的时候有人带路，回来时怎么办？不用担心，GPS带有航迹记录功能，可以记录下用户您车辆行驶经过的路线，小于 10 米的精度，甚至能显示两个车道的区别。回来时，用户可以启动它的返程功能，让它领着你顺着来时的路线顺利回家。2.2 科学研究用：在工程测量方面，应用 GPS 静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用 GPS 实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形
20、图和用于施工放样。 在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用 GPS 技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载 GPS 航测等航测成图的各个阶段。 在地球动力学方面，GPS 技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已开始用兵 GPS 技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS 形变监测网等。GPS 技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。2.3 官方使用：中心端采用固定 IP 接入，用来接收和处理 GPS 终端通过移动网络提交上来的各种数据，如终端当前位置信息，终端的各种报警信息等，同时处理客户端提交上来
21、的各种查询请求。 中心端由硬件和软件组成，软件技术则包含数据库技术、GIS 技术、负载均衡技术、网络协议技术等。 GPS 定位平台根据不同应用分以下几种： 1. 出租车、长途客车、货运车辆的监控调度指挥系统 2. 物流车辆的监控、调度指挥系统 3. 交通管理等政府部门车辆的调度指挥系统 4. 保险公司值勤车辆的监控、调度指挥系统 5. 公安、交警值勤车辆的监控、调度指挥系统 6. 银行运钞车辆的监控调度指挥系统 7. 邮政、120 急救车辆调度监控系统 8. 机关、企业四人车辆的定位控制等等 9. 小孩、老人定位 10. v-ern-ment 职能部门处置紧急突发事件，对具体负责人行动小组进行
22、远程监控调度管理。 11. 军警演习操控调度指挥监控管理。 12. 检调追踪，公务车辆管理监控等。 13. 高科技安全防护紧急救援礼品。 14. 私人侦探工具等。 15. 老年痴呆症患者及盲人随身携带，避免走失。 16. 精神病患者随身携带避免走失。 17. 公安对犯毒进行跟踪。1 18. 婚姻家庭出现问题（第三者） 。 19. 盲人行走不便进行跟踪。 20. 自行车、电动车、摩托车防偷跟踪 21. 老鹰放飞路线跟踪。 22、 运动员训练路线跟踪。结论：GPS 全球定位系统在日常生活中以及其他各种方面上都对人们有很大帮助，我国 GPS 的发展迅速，正逐渐追赶发达国家的水平。伴随着技术的成长以及科学的进步，我国必将跻身 GPS 应用领域的一流行列。
