培训教材-gps基础

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1、GPS测量基础160-160-一、什么是GPS？GPS有什么作用？GPS是NAVSTARGPS（NAVigationSystemwithTimeAndRangingGlobalPositioningSystem）的简称，即授时与测距全球定位导航系统。“我现在地球什么位置？”是长期困扰人们的问题，GPS的出现使得这一问题得以完美的解决。对于这一问题，一个很容易的想到解决办法，就是通过观察自己周围的物体，将其作为参照物，从而确定自己的相对位置。但是，当周围没有任何参照物时，例如在沙漠或海洋中，怎么办？几百年来，

2、人们通过观察太阳和恒星，来解决定位和导航问题，在陆地上测量员和探险家也利用类似的参考点，进行测量工作和指示方向。然而，这种方法具有相当的图1GPS的作用局限性，如当有云层出现时，太阳和恒星无法看见，另外，即使使用很高精度的观测，定位的精度也不是很高。第二次世界大战后，美国国防部对提高绝对定位精度的重要性的认识，提高到新的高度，在随后的25年中，相继启动了多项研究和试验，包括传输、定时…等，所有这些项目均可实现定位，但在精度和性能方面，仍不尽人意。从70年代起，GPS作为一个新的项目提出，项目设想可以满足美国

3、政府各部门的需求，声称在任何时间、任何地点、任何气象条件下，均可自己精确确定自己的位置。GPS是基于卫星的定位系统，它利用24颗卫星协同工作，为用户提供高精度的定位信息。“精确”的概念对于不同的场合有着不同的意义，对于旅行和士兵来说，15米即可满足需要，对于海洋中的船只，5米的精度即可视为精确，而对于陆地测量员来说，“精确”是指要有1cm甚至更高的精度。GPS可满足上述不同的应用场合的要求，其差别在于所使用的设备和技术不同。GPS的设计初衷是应用于军事上目的，在地球上任何时间、任何地点快速定位。随着这一设计

4、目标的实现，人们发现除在军事中应用外，GPS在民用行业中也可以得到广泛的应用，最先应用GPS的民用行业是航海和测量，如今其应用的领域已经从汽车营运的管理到工业自动化等诸多领域。二、GPS的系统概述GPS的系统构成可以概括为三个部分：（1）空间部分―――人造地球卫星；（2）监制部分―――分布在地球赤道上的若干个卫星监控站；（3）用户部分―――用于接收卫星信号的设备。图2GPS卫星分布2.1空间部分空间部分设计有24颗卫星组成，其运行轨道的高度约为20200km，环绕地球运行的周期约为12小时。当前实际投入使用

5、的卫星为26颗。空间部分这样的设计，可以使得在地球上任何时间、任何地点均可观测到高度角在15°160-160-以上的卫星数，不少于4颗。4颗卫星可见是大多数应用场合要求的最少卫星数。实践表明，绝大多数情况下，最少有5颗卫星在15°高度角以上，可见卫星数通常为6－7颗。在每一个卫星上都安装有高精度的原子钟，在原子钟的控制下，产生出10.23MHz的基准频率，该基准频率用于产生卫星对地发送的各种信号。卫星信号通常有两个不同频率的载波信号组成，它们位于L波段（该波段用于收音机），以光速向地球传播，载波信号是由受控

6、于高精度原子钟的基准频率产生的：图3卫星信号的组成L1载波信号的频率为1575.42MHz（由基准频率经154倍频得到，即10.23*154=1575.42）；L2载波信号的频率为1227.60MHz（由基准频率经120倍频得到，即（10.23*120=1227.60）；在L1载波信号上调制有C/A码，也称粗码/捕捉码，码的频率为1.023MHz，由基准频率经10倍分频得到（即10.23÷10=1.023）。2.2监控部分控制空间部分由5个监控站组成，其中一个为主控站、另外4个安装有地面天线，分布在接近赤道

7、的5个不同位置。图4地面监控站控制部分的功能为监控卫星的轨道位置，修正和同步卫星原子钟。另外一个很重要的功能是确定每颗卫星的轨道，并对其进行24小时预报，这些信息上载到卫星，再由卫星对地广播，这样地面用户接收机知道每颗的可见时间。卫星信号由设在阿森松岛、第哥岛、加西亚和夸贾林环礁的监控站测量，测量数据传送到设在科罗拉多州的主控站，通过计算处理确定每颗卫星的误差大小，再发送回4个监控站，由监控站天线发送到卫星。2.3用户部分用户部分由任何接收GPS信号，从而确定位置和时间的设备组成。典型的应用如旅游、交通导航

8、、测量、航海、航空和机械控制等。图5GPS应用160-160-三、GPS定位的基本原理应用GPS定位可由几种不同的方法实现，主要依据需要的精度和使用的设备类型而定。大体来说，这些技术可以分为三类：（1）单机定位：使用一台GPS接收机，主要用于旅行、航海和军事。定位精度对于民用目的精度优于100米，而对于军队用户精度可达20米。图6GPS单机定位（2）修正差分定位：也常称为DGPS，其定位精度可达0.5—5米，多用