GPS应用研究报告
时间：2010-12-20
GPS应用研究报告
研究目的：
1、理解和消化《卫星导航技术》，深刻学习教学内容； 2、巩固和加深卫星导航理论知识；
4、熟悉GPS定位工作原理、GPS系统特性
GPS应用研究内容与步骤：
一、GPS定位工作原理
1、卫星导航定位技术的概念
卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。具体地讲就是接收导航卫星发送的导航定位信号，并以导航卫星作为动态已知点，实时地测定运动载体的在航位置和速度，进而完成导航定位。 2、卫星定位技术发展的三个阶段空间导航
（1）、卫星三角测量定位
20世纪60—70年代，人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标，由地面观测站对它进行观测建立卫星三角网或卫星测距网。观测卫星的方法有: 卫星照像观测：它是在地面站上，以恒星为背景，拍摄卫星发出的闪光或卫星反射的太阳光，根据底片上卫星和恒星影像的位置以及拍摄时刻，经过底片处理和归算，可求出拍摄瞬间卫星所在的空间方向。现已很少使用。
卫星激光测距：卫星激光测距是由安置在地面站的激光测距仪向卫星发射激光脉冲，并接收由卫星反射镜反射回来的脉冲，测量脉冲往返传播时间，从而计算测站至卫星的距离。
优点：对卫星的几何观测能够解决用常规大地测量技术难以实现的远距离陆地-海岛联测定位的问题。
缺点：受卫星可见条件及天气的影响，费时费力，不仅定位精度低，而且不能测得点位的地心坐标。获得的是相对坐标系。
卫星多普勒频移测量定位的基本原理是以多普勒效应为基础。装在卫星上的无线电发射机连续发射电磁波信号，地面站上的多普勒接收机，接收卫星通过时所发射的电磁波信号，并将观测到的多普勒频移个数记录下来，利用多普勒定位基本关系式可推求出卫星位置或地面站位置。
多普勒定位优点：具有经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制等。只要在测点上能收到从子午卫星上发来的无线电信号，便可获得测站点的三维地心坐标。
缺限：1）比如卫星少、不能实时定位，一台接收机需观测15次合格的卫星通过，才能使单点定位精度达10m左右。2）卫星轨道低(平均高度1070km)，难
以精密定轨。
3、GPS系统的组成
GPS由3个独立部分组成：
空间部分：21颗空间卫星，3颗备用卫星。
地面支撑系统：一个主控站，3个注入站，5个监测站。
用户设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理完成导航和定位工作。
GPS接收机硬件主要由主机、天线、电源组成。
4、GPS定位原理
GPS基本定位原理是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息，它充分利用全球24 颗导航定位卫星系统来提供全天候长期连续全免费的标准定位服务(SPS) 。
24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4
颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。
二、GPS系统特性
该系统具有全天候、全球性和高精度的连续导航与定位功能。全球定位系统的主要特点：(1)全天候；(2) 全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：(5)应用广泛多功能。
GPS系统能够实施全球性全天候全天时的连续不断的三维导航定位测量
GPS信号能够用于运动载体的七维状态参数和三维姿态参数测量
GPS卫星能够为陆地、海洋和空间广大用户提供高精度多用途的导航定位服务
GPS技术能够达到毫米级的静态定位精度和厘米级的动态测量精度
1、基本定位原理
GPS基本定位原理是卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息，它充分利用全球24 颗导航定位卫星系统来提供全天候长期连续全免费的标准定位服务(SPS) 。
2、GPS 系统组成
GPS 由3 部分组成: ①空间部分由24 颗GPS 卫星组成，卫星以6 个轨道均匀地分布在20 200 km的高空中，运行周期约为12 h ，可以保证在全球的任何位置、任何时间均可以同时观测到4 颗以上卫星; ②地面监控部分由监测站、主控站和注入站组成，主要完成对卫星的监视对卫星数据的获取以及将卫星星历注入卫星的存贮系统等功能; ③用户设备主要是GPS 接收机，接收机采用空间距离交会的方式，在接受到卫星发来的信号后经过数据处理即可解算出基线向量以及点位坐标。
3、特点
（1）测量精度高，全天候作业
GPS 技术能为用户提供连续，实时的三维位置、三维速度和精密时间，不受天气的影响而全天候工作。采用差分定位，测量精度可达到mm级。目前的GPS RTK(Real
Time Kinematic) 技术可以保证在动态的情况下解算的点位精度达cm级，这完全可以满足水下地形点的平面位置精度要求。
（2）劳动强度大大降低
首先，既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是常规测量在实践方面的难题之一。GPS 测量无需通视，可以省去常规测量所需要的造价费用。其次,GPS 的观测无需进行边角的观测，只需量取天线高及简单的记录、开机关机即可，同理，水准测量也不用一个站到另一个站地连续观测，只需在测站进行简单的操作即可。
（3）能丈量不规则区域
GPS 技术能对不规则的待测区域及较大区域的面积，通过航迹测量面积的方法来测量，沿着运行线路画出一条轨迹，从而计算出该轨迹所围区域的面积。
三、GPS应用综述
GPS系统能够实施全球性全天候全天时的连续不断的三维导航定位测量
GPS信号能够用于运动载体的七维状态参数和三维姿态参数测量
GPS卫星能够为陆地、海洋和空间广大用户提供高精度多用途的导航定位服务
GPS技术能够达到毫米级的静态定位精度和厘米级的动态测量精度
GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机
械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范(Geometrical Product Specifications)-简称GPS。
1、从构成中分析其应用
（1）.空间部分
GPS的空间部分是由21颗工作卫星组成，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) ，轨道倾角为55°。此外，还有3 颗有源备份卫星在轨运行。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，并能在卫星中预存的导航信息。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。
（2）. 地面控制系统
地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息，并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。
（3）.用户设备部分
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。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购
买的多为单频接收器。
2、应用
（1）、GPS应用于测量
GPS技术给测绘界带来了一场革命。利用载波相位差分技术（RTK），在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度。
优势：
测量精度高;
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议