GPS基础知识培训
2024年gps培训课件(版)
gps培训课件(附件版)GPS培训课件一、引言全球定位系统（GlobalPositioningSystem，简称GPS）是一种基于卫星导航技术的定位系统，由美国国防部开发，并广泛应用于军事、民用和商业领域。
GPS系统由一系列卫星、地面控制站和用户设备组成，能够为全球用户提供精确的三维位置、速度和时间信息。
本课件旨在介绍GPS的基本原理、组成、应用和发展，帮助读者更好地了解和使用GPS技术。
二、GPS的基本原理GPS系统的工作原理基于“测距”和“三球定位”原理。
具体来说，GPS卫星发射信号，用户设备接收这些信号并测量信号传播的时间，根据信号传播速度和传播时间计算出用户设备到卫星的距离。
通过测量至少四颗卫星的距离，用户设备可以确定自己的位置。
这就是所谓的“三球定位”原理，即通过三个球面相交确定一个点。
三、GPS系统的组成GPS系统由三个主要部分组成：卫星星座、地面控制站和用户设备。
1.卫星星座：GPS卫星星座由一系列卫星组成，这些卫星分布在地球轨道上，以确保全球覆盖。
GPS卫星发射信号，用户设备接收这些信号并测量信号传播的时间。
2.地面控制站：地面控制站负责监控和管理GPS卫星星座。
地面控制站通过卫星与用户设备之间的通信，提供卫星位置和时间信息，以确保用户设备能够准确计算出自己的位置。
3.用户设备：用户设备包括GPS接收器、计算机和其他辅助设备。
GPS接收器接收卫星发射的信号，测量信号传播时间，并计算出用户设备的位置、速度和时间。
四、GPS的应用1.车辆导航：车辆导航系统使用GPS技术来确定车辆的位置，并提供路线规划和导航指引。
2.航海导航：船舶使用GPS技术来确定自己的位置，并规划航线，以确保安全航行。
3.航空导航：飞机使用GPS技术进行导航，提高飞行安全和效率。
4.地质勘探：地质学家使用GPS技术进行地图制作和地质勘探，以发现地下资源。
5.农业：农民使用GPS技术进行农田管理和作物监测，提高农业生产效率。
gps培训课件
由于卫星时钟与地面时钟存在时间偏差，导致观测数据中存在卫星钟差。可以通过使用精 确的时钟同步技术或者采用差分技术进行修正。
GPS数据的应用领域
测量与地形测绘
导航与交通管理
利用GPS技术可以实现高精度测量、地形测 绘以及土地资源调查等任务。
GPS技术应用于车辆导航、智能交通管理以 及应急救援等领域，可以提高交通运输效率 和安全性。
02
一种专为汽车导航设计，安装在汽车内的GPS接收设备，具有
高精度、稳定性好的特点。
嵌入式GPS接收机
03
一种将GPS模块嵌入到其他设备中的接收设备，如智能手机、
平板电脑等，具有普及率高、使用方便的特点。
GPS接收设备的原理与特点
工作原理
GPS接收设备通过接收卫星信号，获取位置信息，再通过内置的地图软件进行导航。
利用GPS技术，为船舶提供精确的导航服务，实现海上交通管制 和避免碰撞事故。
海洋资源调查
通过在调查船上安装GPS接收器，实时获取海洋资源的分布、类 型、数量等信息，为海洋渔业、矿产资源开发等提供科学依据。
海洋工程监测
利用GPS技术，对海洋工程设施进行监测和维护，实时监测设施的 位置、形变等情况，保障工程设施的安全和稳定运行。
导航功能
基于定位信息，结合电子地图和路线规划 算法，为用户提供准确的导航服务。
授时功能
通过接收卫星信号，为用户提供准确的时 间信息。
GPS导航系统的误差和修正
大气误差
由于电离层、对流层等因素影响， 导致卫星信号传播时间不准确，需 要进行修正。
多径误差
由于建筑物、山体等障碍物反射卫 星信号，导致接收机接收到的信号 不真实，需要进行修正。
GPS在科研领域的应用
gps培训课件
2023 gps培训课件•gps概述•gps应用领域•gps技术目录•gps市场•gps前景•gps常见问题解答01 gps概述1gps发展历程23基于地面无线电导航系统，由美国海军研发，1978年投入使用。
第一代GPS技术基于卫星的导航系统，由美国国防部研发，1995年开始民用。
第二代GPS技术现代化计划，提高定位精度、可靠性和效能。
第三代GPS技术03导航计算根据接收机接收到的卫星信号，计算出接收机的速度、航向、经纬度等信息，实现导航功能。
gps工作原理01卫星发射信号GPS卫星发送无线电信号，包含卫星位置、速度和时间等信息。
02地面接收信号GPS接收机接收到卫星信号后，通过计算得出接收机的三维位置和时间。
gps特点GPS技术可以实现高精度定位，精度达到米级甚至厘米级。
高精度定位全球覆盖高速度和高效率高可靠性GPS卫星覆盖范围广泛，全球任何地方都可以实现无障碍接收信号。
GPS技术可以实现高速、高效的导航和定位，适用于各种移动设备。
GPS技术可靠性高，适用于各种恶劣环境和气候条件。
02 gps应用领域测量领域工程测量GPS技术可用于城市、公路、铁路等工程测量，以及水利工程、精密设备安装等精密工程测量。
地形测量GPS技术可以高精度地测量地形，如山区、丘陵等地形复杂区域。
控制测量全球定位系统在测量领域的应用包括精密控制测量，用于高精度地测定控制点坐标和地球重力场参数等。
车辆导航GPS卫星导航系统可以提供车辆位置、速度和航向等实时信息，为车辆导航提供高精度、实时的指引。
导航领域航海导航GPS技术可以用于航海导航，提供高精度、实时的船只位置、速度和航向信息，为船只的安全航行提供保障。
航空导航GPS技术可以用于航空导航，提供高精度、实时的飞机位置、速度和航向信息，确保飞机安全飞行。
GPS技术可以快速准确地确定海上遇险船只的位置，为搜救人员提供高精度的遇险船只位置信息。
海上搜救在地震搜救过程中，GPS技术可以快速准确地确定被困人员的位置，为救援人员提供高精度的救援路线和方案。
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地图匹配
介绍地图匹配的概念和算法，以及地图匹配在导航中的应用。
路径规划
介绍路径规划的概念和算法，包括Dijkstra算法、A*算法等。
基于位置的导航
位置定位技术
介绍GPS、北斗、GLONASS等位置定位技术的基 本原理和应用。
位置信息融合
并结合电子地图和实时交通信息来计算最短路径。
技术支持
03
现代车辆导航系统通常配备高精度地图和实时交通信息更新服
务，同时支持语音导航和手势控制等功能。
航空导航应用案例
概述
航空导航是GPS应用中最为关键的一项功能，它为飞行员 提供精确的飞行路线和高度信息，确保安全飞行。
工作原理
航空导航系统通过接收GPS卫星信号来获取飞机的位置信 息，并结合电子地图和飞行计划来计算飞行路径。
导航解算
基于滤波后的数据，进行导 航解算，得到高精度的位置 、速度等信息，为导航、自 动驾驶等应用提供支持。
03
3
天线
用于接收GPS卫星信号， 通常由环焦天线、陶瓷天 线等组成。
主机
处理和存储接收机接收到 的数据，通常由嵌入式处 理器、内存等组成。
电源
为接收机提供电力，通常 由电池或电源适配器组成 。
利用GPS卫星星载的铯原子钟和用户接收机内置的GPS信号 接收机时钟之间的频率差，测量出用户至卫星的距离。
差分定位技术
站间差分
利用两个或多个接收站同时接收同一组卫星的信号，通过比较各站所测得的伪 距值，来消除公共误差，提高定位精度。
站星差分
利用一个已知位置的基准站接收机和一个未知位置的用户接收机同时接收同一 组卫星的信号，通过比较基准站和用户接收机所测得的伪距值，来消除公共误 差，提高定位精度。
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1. GPS控制网的技术设计
一. 控制网的应用范围 二. 分级布网
大城市可分3级,中小城市可分2级
三. GPS测量的精度标准 σ = a2(b*d*106)2
四. 坐标系统与起算数据
点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。
可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。
根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定 的几何图形，基本形式有：
1. 三角形网 2. 环形网 3. 星形网
(1)、三角形网
优点：
图形几何结构强，具有较多 的检核条件，平差后网中相 邻点间基线向量的精度比较 均匀。
独立的。
GPS 控制网的观测基线
仪器台数 同步图形 独立基线
N=2 N=3
N=4
N=5
GPS网设计的一般原则
应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的 可靠性。
应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分 布均匀。
应考虑与水准点相重合 ，或在网中布设一定密度的水准联测点 。
(4~11)
（目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗）
Colorado springs
55
Hawaii
GSP 地面控制站分布
kwajalein
Ascencion Diego Garcia
一个主控站：科罗拉多•斯必灵司(推遍星历及修正参数、时间基准、轨道
纠偏、启动备用卫星）
三个注入站：阿松森(Ascencion)—大西洋
，L1和L2上的 P 码或 Y 码，还有卫星轨道信息 • 所有信号均由同一个震荡器产生
GPS系统应用基础必学知识点
GPS系统应用基础必学知识点1. GPS的原理：GPS系统由一组在地球上运行的卫星和接收器组成。
卫星传输位置和时间信息，接收器收集卫星信号并计算接收器与卫星之间的距离，进而确定接收器的位置。
2. GPS的基本结构：GPS系统由24颗工作卫星、地球上的控制站和用户接收器组成。
每颗卫星都维持精确的轨道，通过射频信号与控制站保持通信。
3. GPS的工作原理：GPS接收器通过接收来自至少4颗卫星的信号，并计算出与每颗卫星的距离，利用三角测量原理确定接收器的位置。
接收器还通过测量信号的传播时间来确定接收器与卫星之间的距离。
4. GPS的定位精度：GPS的定位精度取决于接收器的技术水平和接收到的卫星数量。
较高级别的GPS接收器通常具有更高的精度，同时接收到的卫星数量也影响精度。
5. GPS的应用：GPS系统广泛应用于航空导航、车辆定位、地理信息系统（GIS）、户外活动、勘测和地图制作等领域。
它还被用于船舶导航、农业、气象预报和科学研究等领域。
6. GPS接收器的选择：在选择GPS接收器时，需要考虑接收器的性能、价格和所需的功能。
接收器可以有不同的定位精度、屏幕大小、电池寿命和导航功能等。
7. GPS错误和修正：GPS定位可能受到信号阻塞、多径效应、大气延迟等因素的影响，导致定位误差。
为了减少这些误差，需要进行误差修正，如差分GPS技术和增强型GPS技术。
8. GPS的未来发展：GPS技术在不断发展，包括提高精度、增加卫星数量、增强导航功能和对农业、交通等领域的应用。
此外，与其他导航系统的整合也是未来的趋势。
GPS基础知识培训
基准站与游动站同时观测相同的卫星，基准站利用接收 到的卫星信号进行单点定位解算，然后用解算结果与已知点 坐标进行比较，从而获得误差的改正值，再利用无线数据链 路（或后处理软件）将改正值传给游动站，流动站将该数据 与本身观测到的数据进行差分解算，从而得到流动站与基准 站之间的具有较高精度的相对位置。
是一个基于卫星的无线电导航定位系统， 为有适当仪器的用户提供精密的三维坐标，导航 与时间信息。
1.1.GPS系统的发展过程
GPS系统由美国从1973年开始研制，起初完 全是一个军用导航系统，从1983年开始用于解决 大地测量问题。系统的最终构成在1993/1994年间 完成。
1.2.GPS系统的组成
该系统的基本组成和功能为： 1) 基准站： 在全球建立几十个（50～70）连续运行基准站，设置 高精度双频接收机进行连续观测。
2) 中心站（2个） 所有基准站的观测数据，实时通过 Inmarsat 卫星传送给 中心站，中心站根据各观测站的数据，进行实时计算和 预推。计算GPS卫星的精密星历和星历改正数、卫星钟差 改正数。
测量用户接收机到卫星的距离
卫星离地球的平均距离为 20200 公里； 如何实现精确、快速测距 ?
测量卫星信号到用户接收机的传输时间 生活中的测距实例： • 判断闪电离我们有多远 • 判断绽放的礼花离我们有多远
我们得到的启示：通过测量时间延迟来计算距离
我们举例说明如何测量两个人之间的距离 使用“同步技术”，利用声波来测量两个人之间的 距离。
L2:1224.60 Mhz 传输方式： 码分多址 调制码： C/A, P
第二节 GPS的测距原理及实现
2.1 GPS 定位步骤
• 要解算用户的三维坐标位置，必须有若干个已知参考点 • 要解算出用户到参考点的基线结果，必须解空间三角形 • 要解三角形，必须测量用户接收机到卫星的距离 • 要测量距离，必须测量卫星信号到用户接收机的传输时间 • 用测量卫星信号的传输时间，需要使用“码相位技术” • 要得到精确结果，还要消除信号在传输路径上的误差
《GPS基本原理培训》课件
要点三
未来展望
随着人工智能、大数据等技术的不断 发展，未来可望实现更智能的定位算 法和数据处理方法，进一步提高GPS 的定位精度和可靠性。同时，基于新 型信号体制和多系统融合技术的发展 ，未来GPS的性能和应用范围将得到 不断拓展和提升。
THANKS
感谢观看
接收机噪声
由于接收机内部电子元件热噪声等引起的误差。处理方法包括使用高性能的接收机设备，降低接收机内部噪声水 平；通过长时间观测和数据处理提高定位精度。
05
差分GPS技术及应用
差分GPS原理及优势分析
01
02
差分GPS原理：利用已 知位置的基准站接收 GPS信号，并与用户接 收机接收到的同一组卫 星信号进行比较，通过 计算两者之间的差异来 修正用户位置，从而提 高定位精度。
接收机组成结构和工作原理
组成结构
天线单元、射频前端、基带处理单元、定位解算单元等。
工作原理
通过天线接收GPS卫星信号，经过射频前端放大和下变频后，送入基带处理单元 进行信号捕获、跟踪和定位解算，最终输出位置、速度和时间信息。
捕获、跟踪和定位解算过程
捕获
在接收机启动或重新定位时，需要在不确定的时间和频率上搜索GPS卫星信号，该过程称 为捕获。捕获通常采用时域或频域搜索方法，通过匹配滤波器或FFT等技术实现。
电离层折射误差
由大气电离层中电子密度变化引起的 误差。处理方法包括使用双频观测值 消除电离层折射误差，或使用电离层 模型进行改正。
多路径效应和接收机噪声
多路径效应
由于GPS信号在传播过程中遇到障碍物反射或散射导致的误差。处理方法包括选择合适的接收机位置，避免信号 被遮挡或反射；使用抗多径天线和信号处理技术减小多路径效应影响。
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2020年5月22日星期五
目录
第一节 GPS系统的发展过程及系统组成 第二节 GPS的测距原理及实现 第三节 GPS的现代化
第一节 GPS系统的发展过程及 系统组成
什么是GPS
GPS: NAVSTAR GPS-----Navigation System
with Time and Ranging Global Positioning System 导航授时测距全球定位系统。
测量用户接收机到卫星的距离
卫星离地球的平均距离为 20200 公里； 如何实现精确、快速测距 ?
测量卫星信号到用户接收机的传输时间 生活中的测距实例： • 判断闪电离我们有多远 • 判断绽放的礼花离我们有多远
我们得到的启示：通过测量时间延迟来计算距离
我们举例说明如何测量两个人之间的距离 使用“同步技术”，利用声波来测量两个人之间的 距离。
差分定位
在测量上，由于导航方式的定位精度太低，因此，我们 主要利用差分定位的方式进行测量，引入差分的目的就是为 了消除GPS测量中的系统误差。
根据对误差的分析，我们可以知道，在一定距离范围内 的两个观测站同时进行单点定位时，系统误差对两个观测站 的影响大体上相同。因此，差分的基本原理是同时使用两台 或两台以上的GPS接收机进行测量，通常一台接收机固定不动， 架设在已知点上作为基准站（Base Station），另一台作为 游动站（Rover Station），以固定（静态）的方式或流动（ 动态）的方式放置在待测点上。
最终的卫星分布能保证在地球上任何一个 地方任何时间至少可以同时看到4颗卫星
。
控制部分：
包括一个主控站，三个注入站，五个监 测站组成。它们的作用在于：连续的监 测 与控制卫星系统；确定GPS系统时间；预报 卫星星历与卫星钟状态；周期性的更新每颗 卫星上的导航电文。
用户部分： 各种类型的用户接收机和相关设备等。
是一个基于卫星的无线电导航定位系统， 为有适当仪器的用户提供精密的三维坐标，导航 与时间信息。
1.1.GPS系统的发展过程
GPS系统由美国从1973年开始研制，起初完 全是一个军用导航系统，从1983年开始用于解决 大地测量问题。系统的最终构成在1993/1994年间 完成。
1.2.GPS系统的组成
同步声波特点：频率一样，结构一致
初始状态
通过1/8) 拍延时
红色信号部分是通过“等待”了 (1/4 + 1/8) 拍来得到和 绿色信号同步的，即二者的时延就是 (1/4 + 1/8) 拍。
聆 听 者
从聆听者的角度来说，当两首歌曲听起来感觉没有一 前一后的效果时，就可以认为两首歌曲已经达到同步 效果了，是同时到达聆听者的耳朵里。这个效果是由 红色信号部分人为地加上延时造成的。
基准站与游动站同时观测相同的卫星，基准站利用接收 到的卫星信号进行单点定位解算，然后用解算结果与已知点 坐标进行比较，从而获得误差的改正值，再利用无线数据链 路（或后处理软件）将改正值传给游动站，流动站将该数据 与本身观测到的数据进行差分解算，从而得到流动站与基准 站之间的具有较高精度的相对位置。
和导航信息, L2主要携带P码（Y码）。而导航信息 也被称为广播星历, 包含GPS卫星的轨道参数、卫星 钟改正数和其它系统参数。
1.4.GPS定位
定位基本原理： 以用户至4颗卫星的伪距的观测值，在适当
的参考坐标系中根据已知的卫星坐标确定用户天 线的坐标。
定位方程
GPS系统指标
卫星颗数： 24+7 轨道面数： 6 轨道倾角： 55° 轨道高度： 20,183公里 运行周期： 11小时58分 载波频率： L1:1575.42 Mhz,
其作用是捕获卫星信号，并对接收到的卫星信号 进行变换、放大和处理，测量出卫星信号从卫星 到接收机天线的传播时间，解译出卫星所发送的 导航电文，实时地解算出测量点的三维坐标、速 度和时间。
1.3.GPS信号
GPS信号： GPS信号卫星向广大用户发送的用于导航定
位的已调波，其载波处于L波段。 L1载波：1575.42MHZ , 波长为9.03cm L2载波：1227.60MHZ , 波长为24.42cm 其中L1载波携带伪码(C/A码)、P码（Y码）
L2:1224.60 Mhz 传输方式： 码分多址 调制码： C/A, P
第二节 GPS的测距原理及实现
2.1 GPS 定位步骤
• 要解算用户的三维坐标位置，必须有若干个已知参考点 • 要解算出用户到参考点的基线结果，必须解空间三角形 • 要解三角形，必须测量用户接收机到卫星的距离 • 要测量距离，必须测量卫星信号到用户接收机的传输时间 • 用测量卫星信号的传输时间，需要使用“码相位技术” • 要得到精确结果，还要消除信号在传输路径上的误差
通过测定红色信号的延时值，可以得到 两点间的距离。
距离 = Δt × 声速
2.2 误差来源：
单一伪距测量误差； 卫星几何图形结构。
单一伪距测量误差： 1、与GPS卫星有关的误差 卫星星历误差；卫星钟误差 2、与信号传播路径有关的误差 电离层衰减、畸变；对流层时移；多径 效应 3、与接收机有关的误差 接收机钟误差；模型算法误差。
卫星几何图形结构：
在GPS定位中，常采用几何误差放大因子来 表示几何图形强度。
RDOP：相对定位几何精度因子，取决于定 位星座的几何结构
GDOP：几何精度因子，描述空间位置误差 和时间误差综合影响的精度因子
GPS定位时的误差可以用总的等效距离误差 和几何误差放大因子GDOP的乘积来表示。
消除、削弱上述误差影响的方法有以下几种： 1、建立误差改正模型 2、求差法（差分） 3、选择较好的硬件和较好的观测条件 4、是设法增强几何强度，减小DOP值。
GPS系统由三部分组成： 空间部分----主动式工作卫星； 控制部分----一个主控站，三个注入
站，五个监 测站组成 用户部分----不同类型的接收机和相
关设备及软件等。
空间部分：
由24颗卫星加N颗主动式备用卫星组 成。卫星分布在轨道倾角为55度的六个近 似圆形的轨道面上。轨道运行的周期为精 确的11小时58分恒星时。