GPS原理及应用

1. GPS原理及应用 制作人：张瑶 森托雷 黄彦凯

2. 全球定位系统（GPS） 全球定位系统的全称是：导航卫星测时测距/全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System），简称GPS。1973年12月，美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统——全球定位系统（GPS）。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时等多种功能。能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服务。 GPS计划经历了方案论证（1974～1978年），系统论证（1979～1987年），试验生产（1988～1993年）三个阶段，总投资300亿美元。

3. GPS系统的特点 全球性连续覆盖，全天候工作 定位精度高 观测时间短 测站间无需通视 可提供三维坐标 操作简便 功能多，用途广

4. GPS系统组成

5. 空间部分 地面控制部分 用户设备部分 高精度的时钟（铷或铯） 导航电文存储器 双频发射和接收机 微处理器 捕获卫星并跟踪这些卫星的运动，对接收到的信号进行变换、放大和处理，以便测量出卫星信号从卫星天线到接收机天线的传播时间或相位差，解译出卫星所发射的导航电文，从而实时地计算接收机天线的位置或通过后处理计算出两台接收机天线之间的基线向量 若干个监测站 若干个注入站 一个主控站 监测站用信号接收机对卫星测量，并将测量的数据传给主控站进行处理，编算出导航电文再传送给注入站注入到卫星上。 它接收地面主控站通过注入站发送到卫星的导航电文，并用无线电波连续地发布给广大用户

6. 这三部分有各自独立的功能和作用，对于整个全球定位系统来说，它们都是不可缺少的。这三部分有各自独立的功能和作用，对于整个全球定位系统来说，它们都是不可缺少的。

7. 空间部分 24颗卫星 （21颗工作卫星+3颗备用卫星 ），6个近圆形轨道面，高度约20200km，轨道倾斜55，轨道平面升交点赤经相差60 ，周期约11小时58分

8. GPS卫星 铯原子钟 计算机 2块7m2的太阳能翼板 无线电收发两用机 导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据） 姿态控制和太阳能板指向系统

9. GPS卫星的基本功能 1 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。 2 利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。 3 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。 4 向用户发送定位信息。 5 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。

10. 控制部分 1个主控站、5个监测站、3个注入站

11. GPS卫星 GPS卫星 L1 L2 S波段 数据处理机 调制解调器 高功率 放大器 观测星历 与时钟 编算注入 导航电文 数 据 处理机 调制 解调器 接收机 指令发生器 铯钟 气象传感器 计算误差 数据存储器和外部设备 监测站 主控站 注入站 地面监控系统流程图

12. GPS地面监控部分 GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（1个）和注入站（3个） 1、 监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。卫星。

13. GPS地面监控部分 2、 主控站 除协调和管理地面监控系统外，主要任务： 1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。 2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 4）启用备用卫星代替失效工作卫星。

14. GPS地面监控部分 3、注入站： 主要设备为1台直径3.6m的天线、1台c波段发射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。 整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。

15. GPS接收机 GPS接收机的基本概念 GPS用户设备主要包括GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机。主要功能是接收GPS卫星发射的信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。

16. GPS接收机 • TRIMBLE • ASHTECH • JAVAD • DSNP • LEICA • GARMIN

17. 天线前置放大器 数据存储器 外部传输 信号处理器 微处理器 导航计算机 电源 用户信息传输 震荡器 GPS接收机的结构如图所示

18. GPS接收机工作原理 当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。

19. 导航方面的应用

20. 汽车GPS技术的应用 GPS 依靠地球周围的24颗定位卫星，不断的对地面发射三维位置、三维速度的电子信息，然后通过地球上安装的相应的接收设备接收到这些信息，并用中转帧继续设备进行分析，从而判定发射提供信息的物体所处方位的一种定位系统。 GPS的主要功能大致有以下几个方面: 实时显示汽车在预先制定的电子地图中的位置、行驶速度，以及与目的地之间的距离。输入目的地后自动生成一条去目的地的最佳行驶路线，并在转弯时用语言提醒用户，使用户去任何地方都不用问路，便可直接到达。 随时可查询沿途的酒店、商店、加油站、修理厂、车站、码头等，为用户提供方便。 可在汽车遭遇抢劫后，在指定范围内停止发动机的运行，并把汽车所处的位置报告警察。 停车后可用其播放音乐或VCD。 汽车GPS导航系统主要由两部分组成，一部分是由安装在原车上的GPS接收机和显示设备组成；另一部分是由计算机控制中心组成。两者之间通过定位卫星进行联系。

21. 测绘/制图/GIS方面的应用 • 测量精度可达到cm-mm级精度 • 节省时间、成本、劳动力大约100%-300% • 自动制图 • 各种工程测量 • 石油、天然气、矿藏开发 • 各种等级的控制测量 • 变形监测：路基、桥梁和隧道的水平位移监测，滑坡和高边坡的变形监测