1、GPS定位系統(tǒng),李含倫 ,一、GPS的發(fā)展背景,二、GPS的組成及工作原理,三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用,四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng),目錄,1、 GPS的定義 全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）,是一種可以授時和測距的空間交會定點的導(dǎo)航系統(tǒng),可向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息。,1967年美國政府批準(zhǔn)該系統(tǒng)解密，提供民用。,一、GPS的發(fā)展背景,2、GPS發(fā)展過程,1958年，美國海軍武器實驗室，開始著手建立為美國海軍艦艇導(dǎo)航的衛(wèi)星系統(tǒng)，即“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（Navy Navigation Satellite SystemNNSS）

2、。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星都通過地極，也稱“子午(Transit)衛(wèi)星系統(tǒng)”。,1964年該系統(tǒng)建成，并在美國軍方啟用。,美國從1973年開始籌建全球定位系統(tǒng)，1994年投入使用。,經(jīng)歷20年，耗資300億美元，是繼阿波羅登月計劃和航天飛機(jī)計劃之后的第三項龐大空間計劃。,GPS定位技術(shù)是利用高空中的GPS衛(wèi)星，向地面發(fā)射L波段的載頻無線電測距信號，由地面上用戶接收機(jī)實時地連續(xù)接收，并計算出接收機(jī)天線所在的位置。在地平線上的衛(wèi)星數(shù)目在411顆左右，在地球的任何地方都能同時收到4顆 以上衛(wèi)星發(fā)出的信號，計算機(jī)根據(jù)這些信號可計算出用戶目前在地球坐標(biāo)系中的位置。衛(wèi)星在圍繞其軌道運(yùn)行時，向地面發(fā)出的信息，包括其軌

3、道位置信息和電波發(fā)射時刻信號。接收機(jī)根據(jù)衛(wèi)星所發(fā)出的信號到接收到信號所經(jīng)歷的時間，便可算出兩者的距離。,二、GPS的組成及工作原理,1、GPS的組成,GPS定位系統(tǒng)是由以下三個部分組成：,二、GPS的組成及工作原理,1.空間部分 GPS的空間部分是由24顆衛(wèi)星組成（3顆備用衛(wèi)星），它位于距地表20200km的上空，均勻分布在6 個軌道面上（每個軌道面4 顆）。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星，并能在衛(wèi)星中預(yù)存導(dǎo)航信息，GPS的衛(wèi)星因為大氣摩擦等問題；隨著時間的推移，導(dǎo)航精度會逐漸降低。,二、GPS的組成及工作原理,1個主控站:Colorado springs(科

4、羅拉多.春田市)。 3個注入站:Ascencion(阿森松群島)、 Diego Garcia(迭哥伽西亞)、kwajalein(卡瓦加蘭)。 5個監(jiān)控站： 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。,2. 地面控制系統(tǒng) 跟蹤計算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，由衛(wèi)星通過導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶； 保持各顆衛(wèi)星的時間同步； 必要時對衛(wèi)星進(jìn)行調(diào)度。,二、GPS的組成及工作原理,3.用戶設(shè)備部分 用戶設(shè)備部分即GPS 信號接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，就可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)

5、據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計算，計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息,GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置，如圖所示。 為了求得GPS終端的位置（x,y,z），需要先獲得兩組數(shù)據(jù)： 1）GPS終端到各個衛(wèi)星之間的距離：r1,r2,r3 2）各個衛(wèi)星的位置：Xn,Yn,Zn,二、GPS的組成及工作原理,距離測量采用單程測量方法：通過測量信號從衛(wèi)星發(fā)送到接收機(jī)所用的時間，乘以信號傳播速度，就可以求得距離：,二、GPS的組成及工作原理,站在衛(wèi)星角度，知道信號什么時間發(fā)

6、射出去的，但是不知道信號是什么時間到達(dá)接收機(jī)的；站在接收機(jī)角度，知道信號什么時間收到的，但是不知道信號是什么時間發(fā)送出來的。,由于全球定位系統(tǒng)采用了單程測距原理，所以要準(zhǔn)確地測定衛(wèi)星至觀測站的距離，就必須使衛(wèi)星鐘與用戶接收機(jī)鐘保持嚴(yán)格同步。但在實踐中這是難以實現(xiàn)的。,時間延遲實際為信號的接收時刻與發(fā)射時刻之差，即使不考慮大氣折射延遲，為得出衛(wèi)星至測站間的正確距離，要求接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘嚴(yán)格同步，且保持頻標(biāo)穩(wěn)定。實際上，這是難以做到的，在任一時刻，無論是接收機(jī)鐘還是衛(wèi)星鐘，相對于GPS時間系統(tǒng)下的標(biāo)準(zhǔn)時（以下簡稱GPS標(biāo)準(zhǔn)時）都存在著GPS鐘差，即鐘面時與GPS標(biāo)準(zhǔn)時之差。,設(shè)接收機(jī)p1在某一歷元

7、接收到衛(wèi)星信號的鐘面時為tp1，與此相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)時為Tp1，則接收機(jī)鐘鐘差為,若該歷元第i顆衛(wèi)星信號發(fā)射的鐘面時為t i，相應(yīng)的GPS標(biāo)準(zhǔn)時為T i，則衛(wèi)星鐘鐘差為,二、GPS的組成及工作原理,若忽略大氣折射的影響，并將衛(wèi)星信號的發(fā)射時刻和接收時刻均化算到GPS標(biāo)準(zhǔn)時，則在該歷元衛(wèi)星i到觀測站p1的幾何傳播距離可表示為,可得,二、GPS的組成及工作原理,雖然衛(wèi)星和接收機(jī)時鐘不同步，但是衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的時鐘是同步的，這樣我們可以把接收機(jī)和GPS衛(wèi)星的時鐘差Ta= 。當(dāng)作一個未知量，增加一顆觀察衛(wèi)星，求解這四個未知數(shù)，四個等式的方程組，即可求得終端的位置（x，y，z）以及接收機(jī)和衛(wèi)星之間的時鐘差Ta

8、。 衛(wèi)星越多精度越高。,二、GPS的組成及工作原理,從方程組知道，要求出接收機(jī)的準(zhǔn)確位置，還需要知道這四顆衛(wèi)星自身的準(zhǔn)確位置。 衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置是由GPS衛(wèi)星軌道參數(shù)和參考時間計算出來的，這些信息稱為衛(wèi)星星歷，它包含在GPS的衛(wèi)星電文中。,可確定物體（如飛行器）位置（經(jīng)度、緯度、高度）；？ 衛(wèi)星越多,定位越準(zhǔn)確； 一般, GPS接收機(jī)可同時收到的4-11顆衛(wèi)星的。位置信息。,二、GPS的組成及工作原理,差 分 定 位 技 術(shù),如 果 使 用 載 波 差 分 或 同 時 使 用 載 波 差分 及 偽 距 差 分 則 定位 精 度 可 達(dá) 5 - 10 mm,基 線 向 量,B,A,什么是RTK技術(shù)

9、,常規(guī)GPS的測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要事后進(jìn)行解算才能獲得厘米級的精度，而RTK是能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法，它采用了載波相位動態(tài)實時差分(Real - time kinematic)方法，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，它的出現(xiàn)為工程放樣、地形測圖，各種控制測量帶來了新曙光，極大地提高了外業(yè)作業(yè)效率。RTK定位時要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實時地把觀測數(shù)據(jù)(偽距觀測值，相位觀測值)及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機(jī)。,RTK測量原理圖,發(fā)射電臺,GPS主機(jī),基準(zhǔn)站,移動站,GPS主機(jī),采集器,接收電臺,4.1 GPS的應(yīng)用都是基于以下兩個基本服務(wù) 一、空間位置服務(wù) 定位：汽車防盜、

10、緊急救生； 導(dǎo)航：交通工具導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)； 測量：距離、速度、大地測繪； 二、時間服務(wù) 系統(tǒng)同步：CDMA通信系統(tǒng)、電力系統(tǒng)； 授時。,三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用,三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用,年，德國寶馬汽車公司第一個在它生產(chǎn)的“”系列的頂級汽車上提供衛(wèi)星導(dǎo)航設(shè)備。 到世紀(jì)末，大多數(shù)中等級別的汽車都將有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。公路的利用率將因此而提高，并逐步會發(fā)展成全球一體化的運(yùn)輸網(wǎng)。 據(jù)預(yù)測，在20102015年間，約有50的汽車在出廠時，就已經(jīng)裝備了車載導(dǎo)航系統(tǒng)。,汽車衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),3.2 汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的功能,1 導(dǎo)航功能 使用者在車載GPS導(dǎo)航系統(tǒng)上任意標(biāo)注兩點后,導(dǎo)航系統(tǒng)便會自動根據(jù)當(dāng) 前的位

11、置,為車主設(shè)計最佳路線。,2 轉(zhuǎn)向語音提示功能 車輛遇到前方路口或者轉(zhuǎn)彎,車載GPS語音系統(tǒng)提示用戶轉(zhuǎn)向等語音提示。,3 定位功能 GPS通過接收衛(wèi)星信號,可以準(zhǔn)確地定出其所在的位置,位置誤差小于10m。,4 測速功能 通過GPS對衛(wèi)星信號的接收計算,可以測算出行駛的具體速度,比一般的里程表準(zhǔn)確很多。,三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用,三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用,由于汽車衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的自身工作特點決定了它要精確工作需要的兩個條件： 1）精確的坐標(biāo)；2）準(zhǔn)確的地圖。,精確的坐標(biāo) 這個只有依靠全球定位系統(tǒng)才能解決的，目前也就四個系統(tǒng)，美國的GPS，俄羅斯“格格納斯”，中國“北斗”，歐盟“伽利略“，民用方面所

12、能夠達(dá)到的精度有限，在一些特殊時期精度將會人為降低。,準(zhǔn)確的地圖 處于國家安全的考慮，各國公布的地圖精度有限，某些特殊地區(qū)（政府機(jī)關(guān)所在地等）可能會發(fā)生一定的偏移。而在一些急需導(dǎo)航的偏遠(yuǎn)地區(qū)地圖的準(zhǔn)確度更低，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的地圖精度要好。,汽車衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點,三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用,GPS預(yù)警器 GPS預(yù)警器是通過GPS衛(wèi)星在GPS預(yù)警器中設(shè)定坐標(biāo)來完成的，比如遇到一個電子眼，然后通過相關(guān)設(shè)備在電子眼的正下方設(shè)立一個坐標(biāo)，這樣，使得裝上這個坐標(biāo)點數(shù)據(jù)的預(yù)警器到達(dá)這個點時，在達(dá)到坐標(biāo)點的前300米左右就會開始預(yù)警，告訴車主前面有電子眼測速，不能超速駕駛，這樣就起到一個預(yù)警作用。,GPStar

13、智能GPS系統(tǒng) 主要由兩大部分組成，即：本地的監(jiān)控中心軟件管理平臺和遠(yuǎn)程的GPS智能車載終端。遠(yuǎn)程的GPS智能車載終端將車輛所處的位置信息、運(yùn)行速度、運(yùn)行軌跡等數(shù)據(jù)傳回到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心接收到這些數(shù)據(jù)后，會立即進(jìn)行分析、比對等處理，并將處理結(jié)果以正常信息或者報警信息兩類形式顯示給管理員，由管理員決定是否要對目標(biāo)車輛采取必要措施。,GPS在道路工程中的應(yīng)用,三、GPS定位系統(tǒng)的應(yīng)用,隨著高等級公路的迅速發(fā)展，對勘測技術(shù)提出了更高的要求，由于線路長，已知點少，因此，用常規(guī)測量手段不僅布網(wǎng)困難，而且難以滿足高精度的要求。目前，國內(nèi)已逐步采用GPS技術(shù)建立線路首級高精度控制網(wǎng)，然后用常規(guī)方法布設(shè)導(dǎo)線

14、加密。實踐證明，在幾十公里范圍內(nèi)的點位誤差只有2厘米左右，達(dá)到了常規(guī)方法難以實現(xiàn)的精度。 GPS技術(shù)也同樣應(yīng)用于特大橋梁的控 制測量中，可以提高點位精度，同時對 檢測常規(guī)測量的支點也非常有效。,四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng),1、俄羅斯GLONASS（格洛納斯）系統(tǒng),2、歐洲“伽利略計劃”,3、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),與美國的GPS相比，“伽利略”系統(tǒng)可以為民用客戶提供更為精確的定位， 其定位精度可以達(dá)到1米，而GPS只能達(dá)到10米。,定位精度與GPS民用定位精度相當(dāng)；具有短報文通信功能，一次可傳送多達(dá)120個漢字的信息。,盡管其定位精度比GPS、伽利略略低，但其抗干擾能力卻是最強(qiáng)的。,四、其它的衛(wèi)星定位系

15、統(tǒng),1、俄羅斯GLONASS（格洛納斯）系統(tǒng),它也由24顆衛(wèi)星組成，原理和方案都與GPS類似，不過，其24顆衛(wèi)星分布在3個軌道平面上，這3個軌道平面兩兩相隔120地面控制部分全部都在俄羅斯領(lǐng)土境內(nèi)。,第一顆GLONASS衛(wèi)星于1982年10月12日發(fā)射升空。到目前為止，共發(fā) 射了80余顆GLONASS衛(wèi)星?，F(xiàn)在只有11顆衛(wèi)星處于工作狀態(tài)，但是要使 該系統(tǒng)具有軍用價值，在軌道上至少要有18顆星。 原子鐘技術(shù)水平不行，衛(wèi)星壽命短。 市場開發(fā)不好。,四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng),“伽利略”計劃的總投資預(yù)計為36億歐元，由分布在3個軌道上的30顆衛(wèi)星組成。 該系統(tǒng)與GPS類似，可以向全球任何地點提供精確定位

16、信號。與美國的GPS相比，“伽利略”系統(tǒng)可以為民用客戶提供更為精確的定位，其定位精度可以達(dá)到1米，而GPS只能達(dá)到10米。,2、歐洲“伽利略”計劃”,各種原因一再推遲,四、其它的衛(wèi)星定位系統(tǒng),3、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),繼美國的全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的格洛納斯（GLONASS）定位系統(tǒng)之后世界第三個成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。,該系統(tǒng)分為“北斗一代”和“北斗二代”，分別由4顆（兩顆工作衛(wèi)星、兩顆備用衛(wèi)星）和35顆北斗定位衛(wèi)星、地面控制中心為主的地面部份、北斗用戶終端三部分組成。北斗定位系統(tǒng)可向用戶提供全天候、二十四小時的即時定位服務(wù)，定時精度可達(dá)數(shù)十納秒(ns)的同步精度，其精度與GPS相當(dāng)。,工程

17、總投資：100億元工程期限：1994年2020年,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段計劃由35顆衛(wèi)星組成，包括5顆靜止軌道衛(wèi)星、27顆中地球軌道衛(wèi)星、3顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。5顆靜止軌道衛(wèi)星定點位置為東經(jīng)58.75、80、110.5、140、160，中地球軌道衛(wèi)星運(yùn)行在3個軌道面上，軌道面之間為相隔120均勻分布。至2012年底北斗亞太區(qū)域?qū)Ш秸介_通時，已為正式系統(tǒng)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了16顆衛(wèi)星，其中14顆組網(wǎng)并提供服務(wù)，分別為5顆靜止軌道衛(wèi)星、5顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（均在傾角55的軌道面上），4顆中地球軌道衛(wèi)星（均在傾角55的軌道面上）。 短報文通信：北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報文通信功能，用戶可以一次傳送40-60個漢字的短報文信息。 通信： 可以達(dá)到