第 3 节 Global Positioning System （ GPS ）全球定位系统

第3节 Global Positioning System（GPS） 全球定位系统武汉大学水利水电学院

3.1 GPS定位系统简介 全球定位系统（Global Positioning System——GPS）是一种定时和测距的空间交会定点的导航系统，可以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。武汉大学水利水电学院

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3.2 系统组成 GPS系统包括三大部分：地面控制部分；空间部分；用户部分武汉大学水利水电学院

空间部分 ① 卫星分布组成：最早由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座。武汉大学水利水电学院

② 卫星分布情况 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间夹角为60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角相差90度。每颗卫星的正常运行周期为11h58min，若考虑地球自转等因素，将提前4min进入下一周期。 ③ GPS卫星信号载波：L波段双频L1 1575.42MHz，L2 1227.60MHz 卫星识别：码分多址（CDMA）测距码：C/A码（民用），P码（美国军方及特殊授户）导航数据：卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离层延迟修正。武汉大学水利水电学院

地面控制部分： • 地面控制部分：主控站、监控站和注入站武汉大学水利水电学院

① 主控站：位于美国科罗拉多（ Colorado ）的法尔孔（ Falcon ）空军基地。 • 根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星时钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去； • 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，替代失效的工作卫星工作； • 主控站还具有监控站的功能。 • ② 监控站：主控站、夏威夷（ Hawaii ）、阿松森群岛（ Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia ）、和卡瓦加兰（ Kwajalein ）。接收卫星信号，监测卫星的工作状态。 • ③ 注入站：阿松森群岛（ Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia ）、和卡瓦加兰（ Kwajalein ）。其作用和功能是： • 注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。武汉大学水利水电学院

用户部分 • ① 组成：GPS接收机、气象仪器、计算机、钢尺等仪器设成。 • ② GPS接收机：天线单元，信号处理部分，记录装置和源。 • 天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰性强。GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。 • 信号处理部分：是GPS接收机的核心部分，进行滤波和信号处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪距定位结果。 • 记录装置 : 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡）。 • 电源: 分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池。武汉大学水利水电学院

③ GPS接收机的基本类型：大地型、导航型和授时型三种。大地型接收机按接收载波信号的差异分为单频（L1）型和双频（L1，L2）型。武汉大学水利水电学院 PTK系统大地型接收机导航型接收机

3.3 GPS系统的特点 • 定位精度高 • GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，100-500km可达10-7，1000km可达10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm。 • 观测时间短 • 20KM以内快速静态相对定位，仅需15-20分钟；RTK测量时，当每个流动站与参考站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟。 • 测站间无须通视 • 可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。武汉大学水利水电学院

可提供三维坐标 • GPS可同时精确测定测站点的三维坐标(平面+大地高)。通过局部大地水准面精化，GPS水准可满足四等水准测量的精度。 • 操作简便 • 全天候作业 • GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行。 • 功能多、应用广 • 可用于测量、导航，精密工程的变形监测，还可用于测速、测时。武汉大学水利水电学院

3.4 工作原理 GPS系统由三大部分：地面控制部分；空间部分；用户部分共同组成：武汉大学水利水电学院武汉大学水利水电学院 23

GPS基本定位原理： ---有源无线电定位技术：利用距离交会的原理确定接收机的三维位置及钟差武汉大学水利水电学院

空间距离交会原理图 武汉大学水利水电学院 http://www.docin.com/p-174910772.html

3.5 GPS的应用 • （1）GPS应用于导航 • 主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体进行定位导航。 • 船舶远洋导航和进港引水； • 机航路引导和进场降落； • 汽车自主导航； • 地面车辆跟踪和城市智能交通管理； • 紧急救生；个人旅游及野外探险； • 个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集一体）。武汉大学水利水电学院

（2）GPS应用于授时校频GPS时间系统建立的示意图（2）GPS应用于授时校频GPS时间系统建立的示意图 GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统。采用协调世界时UTC（USNO/MC）为参考基准。武汉大学水利水电学院 GPS时间系统建立的示意图

（3）GPS应用于高精度测量 • 各种等级的大地测量，控制测量； • 道路和各种线路放样； • 水下地形测量； • 地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测； • GIS数据动态更新；工程机械（轮胎吊，推土机等）控制；精细农业。武汉大学水利水电学院

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