GPS定位原理及应用

《GPS定位原理及应用》授课教案

第一章绪论

1.1 GPS卫星定位技术的发展

1.1.1 早期的卫星定位技术

1、无线电导航系统

1）罗兰--C：工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM，一般精度200-300M。

2)Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几

英里。

3)多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流

角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。

缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高

2、早期的卫星定位技术

卫星三角网：

以人造地球卫星作为空间观测目标，由地面观测站对其进行摄影测量，测定测站至卫星的方向，来确定地面点的位置的三角网。

卫星测距网：

用激光技术测定测站至卫星的距离作为观测值的网则称为卫星测距网。

20世纪60～70年代，美国国家测量局在英国和德国测绘部门协助下，建立了一个共45个点的全球卫星三角网，点位精度5米。

卫星三角网的缺点：

易受卫星可见条件和天气条件影响，费时费力，定位精度低。

1.1.2 子午卫星导航（多普勒定位）系统及其缺陷

多普勒频移：

多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。

他认为电磁波频率在电磁源移向观察者时变高，而在波源远离观察者时变低。因此可利用频率的变化多少来确定距离的变化量。

多普勒效应的一个常被使用的例子是火车，当火车接近观察者时，其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发动机声。

子午卫星导航系统(NNSS)：

将卫星作为空间动态已知点，通过在测站上接受子午卫星发射的无线电信号，利用多普勒定位技术，进行测速、定位的卫星导航系统。

子午卫星导航系统的优点：

经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制，且可获得测站的三维地心坐标。

子午卫星导航系统的缺点：

由于卫星数量少，故不能实时定位、定位时间长、定位精度也低。

1958年，美国为解决北极星核潜艇在深海航行和执行军事任务而需要精确定位的问题，开始研制军用导航卫星，命名为“子午仪计划”。1960年4月，美国发射了世界第一颗子午导航卫星，传统的无线电导航系统从此被这种新的导航方式取代。美国1964年建成子午导航卫星系统，主要由美国海军使用，到1967年开始正式向民用开放。由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均1.5h），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。单点定位精度约为30—40米，每次定位约需8—10分钟。而各测站观测了公共的17次合格的卫星通过时，联测定位

的精度才能达到0.5米左右。子午导航卫星系统是低轨道导航卫星，它集中了远程无线电导航台全球覆盖和近程无线电导航台定位精度高的优点，仅用4颗卫星组成的太空导航星座就能提供全天候全球导航覆盖和周期性二维（经纬度）定位能力，使全球用户统一于地心坐标系进行高精度定位，使导航技术产生了革命性突破。

70年代中期，我国利用引进的多普勒接收机进行了西沙群岛的测量基准联测，国家测绘总局和总参测绘局联合测设了全国卫星多普勒网，石油和地质勘探部门也在西北地区测设了卫星多普勒定位网。

前联卫星导航系统（CICADA）：

12颗宇宙卫星组成，也存在上述缺点。

1.1.3 GPS全球定位系统的建立

GPS全球定位系统：

全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。

GPS计划实施的三个阶段：

1) 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。

2)第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。

3)第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS 系统进入工程建设阶段。 1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

为了改进GPS系统，美国计划并发射了第三代GPS卫星。

GPS系统包括三大部分：

1) 空间部分—GPS卫星星座；

2) 地面控制部分—地面监控系统；

3) 用户设备部分—GPS信号接收机。

GPS卫星星座的基本参数：

1) 卫星数21+3颗；

2) 6个卫星轨道面，轨道倾角55度；

3) 卫星高度为20200km,卫星运行周期为11小时58分；

4) 载波L1频率为1575.42MHz，L2为1227.60MHz。

GPS工作卫星情况：

1) 在轨重量843.68kg，设计寿命七年半；

2) 在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电；

3) 有12根螺旋形天线组成的阵列天线，向地面发射角为30度的电磁波束；

4) 由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整，卫星姿态调整采用三轴稳定方式，使卫星天线始终对准地心。

过天顶的卫星可见时间为5小时，在地表任意地点及任何时刻，在高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星，但随着第三代GPS卫星的发射，可观测到

的卫星个数大大增多。

GPS接收机：

采用码分多址（CDMA）技术，实现了接收机多通道接收卫星信号，提高系统的稳定性。通信领域的联通CDMA手机应用了此技术。

经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

1.1.4 GLONASS全球导航卫星系统

GLONASS全球导航卫星系统的建成：

前联于1982年开始发射GLONASS卫星，至1996年共发射24+1颗卫星，经数据加载，调整和检验，于1996年1月18日系统正式运行，主要为军用。

其原理和系统组成与GPS系统类似。

主要特点：

1、GLONASS卫星的识别方法采用频分复用制，L1频率为1.602～1.616GHz,频道间隔为0.5625MHz；L2频率为1.246～1.256GHz,频道间隔为0.4375MHz。

2、GLONASS卫星上均装由激光反射镜，地面控制站组（GCS）对卫星进行激光测距，对测距数据作周期修正。

3、GLONASS系统民用不带任何限制。不收费。

4、民用的标准精度通道（CSA）精度数据为：水平精度为50～70m，垂直精度75m，测速精度15cm/s,授时精度为1μs。

卫星定位系统的集成：

目前已有GPS与GLONSS集成的接收机，这样GLONSS可与GPS卫星一起定位，使可接受的卫星数目增加一倍，提高定位精度，也可有效地削弱美俄两国对各自定位系统的可能控制，提高定位的可靠性和安全性。

1.1.5 伽利略(Galileo)GNSS系统

Galileo系统建设始于2002年，计划2008年投入使用，我国参与了该系统的投资建设，是一个全开放型的高精度的民用卫星导航定位系统。

卫星星座：

30颗卫星均匀分布在3个中高度圆轨道平面上，轨道高度23616km，倾角56度。

地面任一地点任一时间可见到4颗Galileo卫星，达到全天候、实时导航和定位。与GPS/GLONASS有机地兼容，增强系统使用的安全性和完善性。

1.1.6 双星导航定位系统(北斗一号)

系统组成：北斗导航定位卫星、地面控制中心、北斗用户终端。

星座由2颗＋1颗（备用）的地球同步卫星组成。

其特点为：主动式、全天候、区域性、短信通讯和低动态。

功能：

1、定位

2、通讯

3、授时

1.2 GPS系统组成

GPS系统包括三大部分：

1）空间部分—GPS卫星星座；

2）地面控制部分—地面监控系统；

3）用户设备部分—GPS信号接收机。

1.2.1 GPS工作卫星及其星座

GPS卫星星座的基本参数：

1）卫星数21+3颗；

2）6个卫星轨道面，轨道倾角55度；

3）卫星高度为20200km,卫星运行周期为11小时58分；

4）载波L1频率为1575.42MHz，L2为1227.60MHz。

GPS工作卫星情况：

1）在轨重量843.68kg，设计寿命七年半；

2）在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电；

3）有12根螺旋形天线组成的阵列天线，向地面发射角为30度的电磁波束；

4）由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整，卫星姿态调整采用三轴稳定方式，使卫星天线始终对准地心。

1.2.2 地面监控系统

GPS的地面监控系统包括一个主控站、五个监控站和三个注入站。

主控站位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，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；另外，主控站也具有监控站的功能。

监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。

注入站分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（Diego Garcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

1.2.3 GPS信号接收机

GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。

GPS接收机采用码分多址（CDMA）技术，实现了接收机多通道接收卫星信号，提高系统的稳定性。

它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。

1.3 GPS在国民经济建设中的应用

1.3.1 GPS系统的特点

GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。

1、定位精度高

应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以可达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，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,较差中误差为0.3mm。

2、观测时间短

随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。

3、测站间无须通视

GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此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，也可省去经典网中的传算点、过渡点的测量工作。

4、可提供三维坐标

经典测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。

5、操作简便

随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极减轻测量工作者的工作紧程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。

6、全天候作业

目前GPS观测可在一天24小时的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。

7、功能多、应用广

GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景。

1.3.2 GPS系统的应用前景

1、GPS的最初用途

GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军用飞机提供位置和导航信息等。

2、GPS系统用途广泛

目前，GPS系统的应用已将十分广泛，我们可以应用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。用于

测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

许多商业和政府机构也使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要借助无线通信技术。一些GPS接收器集成了收音机、无线和移动数据终端来适应车队管理的需要。

3、多元化空间资源环境的出现

目前，GPS，GLONASS，INMARSAT等系统都具备了导航定位功能，形成了多元化的空间资源环境。这一多元化的空间资源环境，促使国际民间形成了一个共同的策略，即一方面对现有系统充分利用，一方面积极筹建民间GNSS系统，待到2010年前后，GNSS纯民间系统建成，全球将形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之势，才能从根本上摆脱对单一系统的依赖，形成国际共有、国际共享的安全资源环境。世界才可进入将卫星导航作为单一导航手段的最高应用境界。国际民间的这一策略，反过来有影响和迫使美国对其GPS使用政策作出更开放的调整。总之，由于多元化空间资源环境的确立，给GPS的发展应用创造了一个前所未有的良好的国际环境。

4、发展GPS产业

今后GPS将像目前汽车、无线电通信等一样形成产业化。美国已将广域增强系统WAAS （即将广域差分系统中的发送修正数据链转为地球同步卫星发送，使地球同步卫星也具有C/A码功能，形成广域GPS增强系统）计划发展成国际标准。我国目前也有一些单位生产车载GPS系统。为发展我国的GPS产业，已经成立中国GPS工程中心。

5、GPS的应用将进入人们的日常生活

最近几年，越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出现了。随着技术的进步，这些设备的功能越来越完善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌，尺寸也越来越小了。两三年前GPS设备还像艺术品一样令人望而却步，而现在消费者终于可以拥有一款梦想已久的GPS接收器了，还带有以前做梦也想不到的很多先进的功能。

消费类GPS手持机的价格从几百元到几千元不等，它们基本上都有12个并行通道和数据功能。有些甚至能与便携电脑相连，可以上传/下载GPS信息，并且使用精确到街道级的地图软件，可以在PC的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航。

GPS信号接收机在人们生活中的应用，是一个难以用数字预测的广阔天地，手表式的GPS 接收机，将成为旅游者的忠实导游。尽管目前大多数人还不知道什麽是GPS，但有人预言，GPS将改变我们的生活方式。今后，所有运载器，都将依赖于GPS。GPS就象移动、传真机、计算机互联网对我们生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。

1.3.3 我国的GPS定位技术应用和发展情况

新中国成立后，我国的航天科技事业在自立更生、艰苦创业的征途上，逐步建立和发展，跻身于世界先进水平的行列，成为世界空间强国之一。从1970年4月把第一颗人造卫星送入轨道以来，我国已成功地发射了三十多颗不同类型的人造卫星，为空间测量工作的开展创造了有利条件。

70年代后期，有关单位在从事多年理论研究的同时，引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器。其中有人卫摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。根据多年的观测实践，完成了全国天文网的整体平差，建立了1980年国家坐标系，进行了南海群岛的联测。

80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。十多年来，我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。

80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。至今十多年来，据有关人士估计，目前我国的GPS接收机拥有量约在4万台左右，其中测量类约500-700台，航空类约几百台，航海类约3万多台，车载类数千台。而且以每年2万台的速度增加。足以说明GPS技术在我国各行业中应用的广泛性。

在测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精化水准面。组织各部门(10多个单位，30多台GPS双频接收机)参加1992年全国GPS 定位大会战。经过数据处理，GPS网点地心坐标精度优于0．2m，点间位置精度优于10—8。在我国建成了平均边长约100km的GPSA级网，提供了亚米级精度地心坐标基．准。此后，在A级网的基础上，我国又布设了边长为30—100km的B级网，全国约2500个点。A、B级

GPS网点都联测了几何水准。这样，就为我国务部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完成西沙、南沙群岛各岛屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国网联成一整体。

在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术(简称RTK)测绘各种比例尺地形图和用于施工放样。

在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。

在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已开始用GPS 技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、鲜水河地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。

GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。

我国的《全球定位系统(GPS)测量规》已于1992年10月1日起实施。

此外，在军事部门、交通部门、邮电部门，地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。

在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究，研制开发了GPS静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件。在理论研究与应用开发的同时，培养和造就了一大批技术人才和产业队伍。

近几年，我国已建成了、、、、、乌鲁木齐等永久性的GPS跟踪站，进行对GPS卫星的精密定轨，为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务，致力于我国自主的广域差分GPS(WADGPS)方案的建立，参与全球导航卫星系统(GNSS)和GPS增强系统(WAAS)的筹建。同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统(双星定位系统)，能够生产导航型和测地型GPS 接收机。GPS技术的应用正向更深层次发展。

为了适应GPS技术的应用与发展，1995年成立了中国GPS协会，协会下设四个专业委员会，希望通过广泛的交流与合作，发展我国的GPS应用技术。