GPS定位系统原理简明讲解.ppt

GPSGPS定位系定位系统李含伦一、一、GPS的发展背景的发展背景二、二、GPS的组成及工作原理的组成及工作原理三、三、GPS定位系统的应用定位系统的应用四、其它的卫星定位系统四、其它的卫星定位系统目录目录1 1、GPS GPS的定的定义 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。1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。一、一、GPS的发展背景的发展背景2 2、GPSGPS发展过程发展过程 1958年，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite SystemNNSS）。由于该系统卫星都通过地极，也称“子午(Transit)卫星系统”。1964年该系统建成，并在美国军方启用。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。GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射L波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。在地平线上的卫星数目在411颗左右，在地球的任何地方都能同时收到4颗 以上卫星发出的信号，计算机根据这些信号可计算出用户目前在地球坐标系中的位置。卫星在围绕其轨道运行时，向地面发出的信息，包括其轨道位置信息和电波发射时刻信号。接收机根据卫星所发出的信号到接收到信号所经历的时间，便可算出两者的距离。二、二、GPS的组成及工作原理的组成及工作原理1、GPS的组成的组成 GPS定位系统是由以下三个部分组成：二、二、GPS的组成及工作原理的组成及工作原理1.1.空空间部分部分GPS的空间部分是由24颗卫星组成（3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上（每个轨道面4 颗）。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题；随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。二、二、GPS的组成及工作原理的组成及工作原理 夏威夷夏威夷 阿松森阿松森岛 科科罗拉多拉多 狄哥加西狄哥加西亚 卡瓦加卡瓦加兰 前方交会前方交会 后方交会后方交会 地面地面监控站控站GPS接收机接收机 u1 1个主控站个主控站:Colorado:Colorado springs(springs(科罗拉多科罗拉多.春田市春田市)。u3 3个注入站个注入站:Ascencion(:Ascencion(阿阿森松群岛森松群岛)、Diego GarciaDiego Garcia(迭哥伽西亚迭哥伽西亚)、kwajalein(kwajalein(卡卡瓦加兰瓦加兰)。u5 5个监控站：个监控站：以上主控以上主控站、注入站及站、注入站及Hawaii(Hawaii(夏威夏威夷夷)。2.2.地面控制系地面控制系统跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户；保持各颗卫星的时间同步；必要时对卫星进行调度。二、二、GPS的组成及工作原理的组成及工作原理3.3.用用户设备部分部分用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息 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。为了求得GPS终端的位置（x,y,z），需要先获得两组数据：1）GPS终端到各个卫星之间的距离：r1,r2,r3 2）各个卫星的位置：Xn,Yn,Zn二、二、GPS的组成及工作原理的组成及工作原理 距离测量采用单程测量方法：通过测量信号从卫星发送到接收机所用的时间，乘以信号传播速度，就可以求得距离：二、二、GPS的组成及工作原理的组成及工作原理 站在卫星角度，知道信号什么时间发射出去的，但是不知道信号是什么时间到达接收机的；站在接收机角度，知道信号什么时间收到的，但是不知道信号是什么时间发送出来的。由于全球定位系统采用了单程测距原理，所以要准确地测定卫星至观测站的距离，就必须使卫星钟与用户接收机钟保持严格同步。但在实践中这是难以实现的。时间延迟实际为信号的接收时刻与发射时刻之差，即使不考虑大气折射延迟，为得出卫星至测站间的正确距离，要求接收机钟与卫星钟严格同步，且保持频标稳定。实际上，这是难以做到的，在任一时刻，无论是接收机钟还是卫星钟，相对于GPS时间系统下的标准时（以下简称GPS标准时）都存在着GPS钟差，即钟面时与GPS标准时之差。设接收机p1在某一历元接收到卫星信号的钟面时为tp1，与此相应的标准时为Tp1，则接收机钟钟差为若该历元第i颗卫星信号发射的钟面时为t i，相应的GPS标准时为T i，则卫星钟钟差为二、二、GPS的组成及工作原理的组成及工作原理 若忽略大气折射的影响，并将卫星信号的发射时刻和接收时刻均化算到GPS标准时，则在该历元卫星i到观测站p1的几何传播距离可表示为可得 二、二、GPS的组成及工作原理的组成及工作原理 虽然卫星和接收机时钟不同步，但是卫星和卫星之间的时钟是同步的，这样我们可以把接收机和GPS卫星的时钟差Ta=。当作一个未知量，增加一颗观察卫星，求解这四个未知数，四个等式的方程组，即可求得终端的位置（x，y，z）以及接收机和卫星之间的时钟差Ta。卫星越多精度越高。二、二、GPS的组成及工作原理的组成及工作原理 从方程组知道，要求出接收机的准确位置，还需要知道这四颗卫星自身的准确位置。卫星的准确位置是由GPS卫星轨道参数和参考时间计算出来的，这些信息称为卫星星历，它包含在GPS的卫星电文中。可确定物体（如飞行器）位置（经度、纬度、高度）；？卫星越多,定位越准确；一般,GPS接收机可同时收到的4-11颗卫星的。位置信息。二、二、GPS的组成及工作原理的组成及工作原理差差差差 分分分分 定定定定 位位位位 技技技技 术术术术 如 果 使 用 载 波 差 分 或 同 时 使 用 载 波 差分 及 伪 距 差 分 则 定位 精 度 可 达 5-10 mm 基基基基 线线线线 向向向向 量量量量B BA A A A什么是什么是RTK技术技术常规常规GPS的测量方法，如静态、快速静态、的测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差分分(Real-time kinematic)方法，是方法，是GPS应用应用的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，的重大里程碑，它的出现为工程放样、地形测图，各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业各种控制测量带来了新曙光，极大地提高了外业作业效率。作业效率。RTK定位时要求基准站接收机实时地定位时要求基准站接收机实时地把观测数据把观测数据(伪距观测值，相位观测值伪距观测值，相位观测值)及已知数及已知数据传输给流动站接收机。据传输给流动站接收机。RTK测量原理图测量原理图发射电台GPS主机基准站基准站移移动动站站GPS主机采集器接收电台4.1 GPS的的应用都是基于以下两个基本服用都是基于以下两个基本服务一、空间位置服务1.定位：汽车防盗、紧急救生；2.导航：交通工具导航、导弹制导；3.测量：距离、速度、大地测绘；二、时间服务1.系统同步：CDMA通信系统、电力系统；2.授时。三、三、GPS定位系统的应用定位系统的应用三、三、GPS定位系统的应用定位系统的应用 年，德国宝马汽车公司第一个在它生产的“”系列的顶级汽车上提供卫星导航设备。到世纪末，大多数中等级别的汽车都将有卫星导航系统。公路的利用率将因此而提高，并逐步会发展成全球一体化的运输网。据预测，在20102015年间，约有50的汽车在出厂时，就已经装备了车载导航系统。汽汽车卫星星导航系航系统 3.2 3.2 汽汽车GPSGPS导航系航系统的功能的功能1 导航功能 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。2 转向语音提示功能 车辆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。3 定位功能 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10m。4 测速功能 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。三、三、GPS定位系统的应用定位系统的应用三、三、GPS定位系统的应用定位系统的应用 由于汽车卫星导航系统的自身工作特点决定了它要精确工作需要的两个条件：1）精确的坐标；2）准确的地图。精确的坐精确的坐标这个只有依靠全球定位系统才能解决的，目前也就四个系统，美国的GPS，俄罗斯“格格纳斯”，中国“北斗”，欧盟“伽利略“，民用方面所能够达到的精度有限，在一些特殊时期精度将会人为降低。准确的地准确的地图 处于国家安全的考虑，各国公布的地图精度有限，某些特殊地区（政府机关所在地等）可能会发生一定的偏移。而在一些急需导航的偏远地区地图的准确度更低，经济发达地区的地图精度要好。汽汽车卫星星导航系航系统的缺点的缺点三、三、GPS定位系统的应用定位系统的应用GPSGPS预警器警器GPS预警器是通过GPS卫星在GPS预警器中设定坐标来完成的，比如遇到一个电子眼，然后通过相关设备在电子眼的正下方设立一个坐标，这样，使得装上这个坐标点数据的预警器到达这个点时，在达到坐标点的前300米左右就会开始预警，告诉车主前面有电子眼测速，不能超速驾驶，这样就起到一个预警作用。GPStarGPStar智能智能GPSGPS系系统主要由两大部分组成，即：本地的监控中心软件管理平台和远程的GPS智能车载终端。远程的GPS智能车载终端将车辆所处的位置信息、运行速度、运行轨迹等数据传回到监控中心，监控中心接收到这些数据后，会立即进行分析、比对等处理，并将处理结果以正常信息或者报警信息两类形式显示给管理员，由管理员决定是否要对目标车辆采取必要措施。GPS在道路工程中的应用 三、三、GPS定位系统的应用定位系统的应用 随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，已知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。目前国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密。实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规方法难以实现的精度。GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中，可以提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。四、其它的卫星定位系统四、其它的卫星定位系统1、俄罗斯GLONASS（格洛纳斯）系统2、欧洲“伽利略计划”3、北斗卫星导航系统 与美国的GPS相比，“伽利略”系统可以为民用客户提供更为精确的定位，其定位精度可以达到1米，而GPS只能达到10米。定位精度与GPS民用定位精度相当；具有短报文通信功能，一次可传送多达120个汉字的信息。尽管其定位精度比GPS、伽利略略低，但其抗干扰能力却是最强的。四、其它的卫星定位系统四、其它的卫星定位系统1、俄罗斯GLONASS（格洛纳斯）系统 它也由24颗卫星组成，原理和方案都与GPS类似，不过，其24颗卫星分布在3个轨道平面上，这3个轨道平面两两相隔120地面控制部分全部都在俄罗斯领土境内。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到目前为止，共发射了80余颗GLONASS卫星。现在只有11颗卫星处于工作状态，但是要使该系统具有军用价值，在轨道上至少要有18颗星。原子钟技术水平不行，卫星寿命短。市场开发不好。四、其它的卫星定位系统四、其它的卫星定位系统 “伽利略”计划的总投资预计为36亿欧元，由分布在3个轨道上的30颗卫星组成。该系统与GPS类似，可以向全球任何地点提供精确定位信号。与美国的GPS相比，“伽利略”系统可以为民用客户提供更为精确的定位，其定位精度可以达到1米，而GPS只能达到10米。2、欧洲“伽利略”计划”各种原因一再推迟各种原因一再推迟四、其它的卫星定位系统四、其它的卫星定位系统3、北斗卫星导航系统 继美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的格洛纳斯（GLONASS）定位系统之后世界第三个成熟的卫星导航系统。该系统分为“北斗一代”和“北斗二代”，分别由4颗（两颗工作卫星、两颗备用卫星）和35颗北斗定位卫星、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗定位系统可向用户提供全天候、二十四小时的即时定位服务，定时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度，其精度与GPS相当。工程总投资：100亿元工程期限：1994年2020年北斗卫星导航系统由空间段计划由35颗卫星组成，包括5颗静止轨道卫星、27颗中地球轨道卫星、3颗倾斜同步轨道卫星。5颗静止轨道卫星定点位置为东经58.75、80、110.5、140、160，中地球轨道卫星运行在3个轨道面上，轨道面之间为相隔120均匀分布。至2012年底北斗亚太区域导航正式开通时，已为正式系统在西昌卫星发射中心发射了16颗卫星，其中14颗组网并提供服务，分别为5颗静止轨道卫星、5颗倾斜地球同步轨道卫星（均在倾角55的轨道面上），4颗中地球轨道卫星（均在倾角55的轨道面上）。短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息。通信通信：可以达到一次传送达120个汉字的信息。在远洋航行中有重要的应用价值。精密授时：精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。定位精度：定位精度：水平精度100米（1），设立标校站之后为20米（类似差分状态）。工作频率：工作频率：2491.75MHz。系统容纳的最大用户数：系统容纳的最大用户数：540000户/小时。“北斗一号北斗一号”定位方法采用定位方法采用双程测距双程测距,精度不高精度不高,而而且属有源且属有源,易暴露接收终端目标；二代导航卫星系统，易暴露接收终端目标；二代导航卫星系统，其定位方法改用其定位方法改用单程测距单程测距，用户机直接接接收卫星辐，用户机直接接接收卫星辐射的单程测距信号自己定位，测距精度要由星载高稳射的单程测距信号自己定位，测距精度要由星载高稳定度的原子钟来保证定度的原子钟来保证.（原子钟从俄罗斯购买原子钟从俄罗斯购买）