GPS卫星导航基础
Gps应用基础知识详述(喷血赠送!)
Gps应用基础知识详述1． GPS系统组成GPS gloabal Positioning System,这玩意是美国人搞的。
主要分三大块，地面的控制站、天上飞的卫星、咱们手里拿的接收机。
简单唠叨唠叨先说说设备，当然大个的都是老美给咱准备好的，地上，有一个主控制站，当然在老美的本土了，在科罗拉多。
三个地面天线，五个监测站，分布在全球。
主要是收集数据，计算导航信息，诊断系统状态，调度卫星这些杂事。
天上，有27颗卫星，距离地面20200公里。
27颗卫星有24颗运行，3颗备用。
这些卫星已经更新了三代五种型号。
卫星发射两种信号：L1和L2。
L1:1575.42MHZ, L2:1227.60MHZ。
卫星上的时钟采用铯原子钟或铷原子钟，计划未来用氢原子钟，比我的手表准。
手里，就是接收机了。
大大小小，千姿百态，有袖珍式、背负式、车载、船载、机载什么的。
一般常见的手持机接收L1信号，还有双频的接收机，做精密定位用的。
2．关于GPS接收机GPS现在一般都是12通道的，可以同时接收12颗卫星。
早期的型号，比如GARMIN 45C就是8通道。
GPS接收机收到3颗卫星的信号可以输出2D（就是2维）数据，只有经纬度，没有高度，如果收到4颗以上的卫星，就输出3D数据，可以提供海拔高度。
但是因为地球自己的问题，不是太标准的圆，所以高度数据有一些误差。
现在有些GPS接收机内置了气压表，比如etrex的SUMMIT和vista，这些机器根据两个渠道得到的高度数据综合出最终的海拔高度，应该比较准确了。
GPS接收机的第一次开机，或者开机距离里上次关机地点超过800KM以上，因为接收机里存储的星历都对不上了，所以要在接收机上重新定位。
GPS接收机的使用要在开阔的可见天空下，所以，屋里就不能用了。
手持GPS的精度一般是误差在10米左右，就是说一条路能看出走左边还是右边。
精度主要依赖于卫星的信号接收，和可接收信号的卫星在天空的分布情况，如果几颗卫星分布的比较分散，GPS接收机提供的定位精度就会比较高。
GPS卫星导航定位技术与方法知识点总结
知识点总结的不容易一页一页总结的，用积分来换吧！第一章全球定位系统概论全球导航卫星系统GNSS目前包括全球定位系统GPS、俄罗斯的格罗纳斯系统GLONASS。
中国的北斗卫星定位系统COMPASS以及欧洲联盟正在建设的伽利略系统GALILEO GPS利用卫星发射无线电信号进行导航定位，具有全球、全天候、高精度、快速实时的三维导航、定位、测速和授时功能。
GPS主要由GPS（GPS卫星星座）空间部分、地面监控部分、用户接受处理部分组成，GPS地面监控部分有分布在全球的若干个跟踪站组成的监控系统组成，跟踪站被分为主控站、监控站和注入站。
GPS用户部分有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）组成。
GPS实施计划共分三个阶段：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。
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。
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，宣告了GPS系统进入了工程建设阶段，这种工作卫星称为Block Ⅱ和BlockⅡA型卫星。
这两组卫星差别是：Block Ⅱ只能存储14天用的导航电文（每天更新三次）；而BlockⅡA卫星能存储180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。
实用的GPS网即(21颗工作卫星+3颗备用卫星)GPS星座已建立，今后将根据计划更换失效的卫星。
GPS的特点：定位精度高、观测时间短、测站无需通视、可提供三维坐标、操作简便、全天候作业。
功能多，应用广GPS卫星信号包括测距码信号(即P码和C/A码信号)、导航电文(或称D码，即数据码信号)和载波信号。
GPS卫星的导航电文主要包括：卫星星历、时钟改正参数、电离层时延改正参数、遥测码，以及由C/A码确定P 码信号时的交接码等参数。
gps原理及应用
GPS存在问题（一） GPS存在问题（一） 定位精度
GPS卫星定位因为受到美国军方的SA干扰政策的影 响，而且民用只能接收粗码C/A码，精度受到很大的限 制，目前的定位精度范围是20米左右。
GPS存在问题（二） GPS存在问题（二） 定位方式
GPS的卫星信号传输采用高频传播，不能穿透建筑 物，并且易受到太阳电磁爆的影响，一般GPS接收机必 须见到至少三颗星才可以定位（绝对定位或相对定 位），所以在高楼林立的地方或地下室不能接收到信 号，所以此时此地不能定位。
GPS在公安、 GPS在公安、交通系统中的应用 在公安
车辆GPS定位管理系统 定位管理系统 车辆 车辆GPS定位管理系统主要是由车载GPS自主定位， 结合无线通信系统对车辆进行调度管理和跟踪。已经 研制成功的如车辆全球定位报警系统，警用GPS指挥 系统等。分别用于城市 公共汽车调度管理，风景旅游 区车船报警与调度，海关、公安、海防等部门对车船 的调度与监控。 由于差分GPS设备能够实时地提供精确的位置、速度、 航向等信息，车载GPS差分设备还可以对车辆上的各 种传感器（如计程仪、车速仪、磁罗盘等）进行校准 工作。
GPS系统组成 GPS系统组成 ——空间星座 ——空间星座
全球定位系统的空间部分： 使用24颗高度约2.02万千米的 卫星组成卫星星座； 21+3(备用)颗卫星均为近圆形 轨道，运行周期约为11小时58 分； 均匀分布在六个轨道面上（每 轨道面四颗），轨道倾角为55 度；各个轨道平面之间相距60度，
GPS特点（二） GPS特点（二）
3）实时导航 实时导航： 实时导航 利用GPS定位时，在1s 内 可取得几次位置数据，这种 近乎实时的导航能力对于高 动态用户具有很大的意义。 4）抗干扰能力强、保密性好 ）抗干扰能力强、 GPS采用扩频技术和伪码 技术、用户不发射信号，导 航定位速度快，在战时不易 受到电子战的影响。
GPS基础知识
GPS特点全球定位系统的主要特点：(1)全球、全天候工作。
①定位精度高。
单击定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。
②功能多，应用广。
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以内可达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,校差中误差为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以内相对静态定位，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以内时，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。
GPS应用主要是为船舶，汽车，飞机等运动物体进行定位导航。
例如：1.船舶远洋导航和进港引水2.飞机航路引导和进场降落3.汽车自主导航4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理5.紧急救生6.个人旅游及野外探险7.个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体）1.电力，邮电，通讯等网络的时间同步2.准确时间的授入3.准确频率的授入1.各种等级的大地测量，控制测量2.道路和各种线路放样3.水下地形测量4.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测5.GIS应用6.工程机械（轮胎吊，推土机等）控制7.精细农业◆GPS在道路工程中的应用GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。
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，同时也大大提前了工期。
GPS基础知识一
GPS基础知识⼀GPS 复习题⼀1.GPS 卫星定位技术的发展过程推算定位-天⽂导航-惯性导航-⽆线电导航 2.GPS 系统的组成空间部分:24颗卫星（21颗⼯作卫星+3颗备⽤卫星），6个近圆形轨道⾯，⾼度约20200km ，地⾯控制部分: 1个主控站、5个监测站、3个注⼊站⽤户设备部分: ⽤户设备主要是GPS 接收机，它由天线前置放⼤器、信号处理、控制与显⽰、记录和供电单元组成。
3.GPS 系统特点定位精度⾼观测时间短测站间⽆需通视可提供三维坐标操作简便,全天候作业功能多，应⽤⼴ 4.名词解释黄道 :地球公转的轨道⾯与天球相交的⼤圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。
黄道⾯与⾚道⾯的夹⾓ε称为黄⾚交⾓，约23.50。
春分点 : 当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运⾏时，黄道与天球⾚道的交点γ。
岁差 : 春分点在黄道上产⽣缓慢西移，此现象在天⽂学上称为岁差。
章动 : 瞬时北天极将绕瞬时平北天极产⽣旋转，轨迹⼤致为椭圆。
这种现象称为章动。
极移 :地球⾃转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表⾯上的位置随时间⽽变化的现象称为极移。
历元: 在天⽂学和卫星定位中，与所获取数据对应的时刻也称历元。
5．什么是协议坐标系？建⽴⽅法，协议天球坐标系与协议地球坐标系的转换坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。
在GPS 定位中，坐标系原点⼀般取地球质⼼，⽽坐标轴的指向具有⼀定的选择性，为了使⽤上的⽅便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为协议坐标系。
RM ——极移改正RS —— GAST 改正RN ——章动改正 RP ——岁差改正 6．什么是WGS —84坐标系？WGS —84坐标系采⽤什么椭球体参数？原点位于地球质⼼，z 轴指向国际时间局1984年0时定义的BIH1984.0协议地球极⽅向，x 轴指向BIH1984.0的零⼦午⾯和CTP ⾚道的交点，Y 轴与Z ，X 轴构成右⼿系坐标系。
GPS卫星导航原理：卫星信号定位技术
GPS卫星导航原理：卫星信号定位技术全球定位系统（GPS）是一种通过卫星信号进行定位的导航技术。
GPS系统由一组卫星、地面控制站和接收设备组成。
以下是GPS卫星导航的基本原理：1. GPS卫星系统组成：卫星： GPS系统由一组绕地球轨道运行的卫星组成，这些卫星携带精确的时钟和GPS系统的控制信息。
地面控制站：位于地球表面的控制站负责监测卫星的状态、时钟校准和轨道调整等任务，以确保系统的正常运行。
接收设备：用户使用的GPS接收器通过接收卫星发射的信号来确定自身的位置。
2. 卫星信号传播原理：GPS卫星发射射频信号，这些信号包含了卫星的位置、时间等信息。
这些信号以电磁波的形式向地球传播。
GPS接收器接收来自多颗卫星的信号，并通过测量信号的传播时间来计算卫星与接收器之间的距离。
3. 距离测量和三边测量原理：GPS接收器通过测量信号传播的时间（即信号的往返时间）来计算卫星与接收器之间的距离。
速度等于距离除以时间。
GPS接收器同时接收多颗卫星的信号，并根据这些卫星与接收器之间的距离，采用三边测量的原理确定自身的位置。
4. 多普勒效应：GPS接收器还利用接收到的信号的多普勒效应，即由于接收器和卫星之间的相对运动，信号频率发生变化。
通过测量频率的变化，接收器可以计算速度。
5. 位置计算：GPS接收器通过测量来自至少三颗卫星的距离，可以在三维空间中确定自身的位置。
更多卫星的信号可以提高精度和稳定性。
6. 误差校正：GPS系统引入了一些误差校正的方法，如差分GPS、增强型GPS等，以提高定位的准确性。
GPS卫星导航系统利用卫星信号的传播时间和多普勒效应，通过测量距离和计算位置，为用户提供准确的定位信息。
该技术在航海、航空、汽车导航、军事应用等领域得到了广泛应用。
《GPS卫星导航系统》课件
1 定义
GPS卫星导航系统是一种利用卫星定位技术 的全球定位系统，通过传输和接收卫星信号 来计算位置和航向。
2 历史和发展
GPS卫星导航系统自1970年代初开始开发， 经过多年的发展和改进，已成为世界上最大 规模和最可靠的导航系统之一。
GPS卫星导航系统的原理
组成部分
GPS卫星导航系统由卫星部分、 地面接收设备和用户终端设备 组成。
发展趋势
GPS卫星导航系统将继续发展， 提高定位精度和可靠性，并融 入更多领域。
GPS卫星导航系统的优缺点
优点
GPS卫星导航系统能够提供全球范围内精确定位、导航和定时服务。
缺点
GPS卫星导航系统在某些环境下（如建筑物密集的城市区域）可能会受到信号干扰。
应对方法
通过使用增强型GPS技术、辅助导航系统等方法来弥补GPS卫星导航系统的缺点。
工作原理
通过接收来自卫星的信号并计 算信号传播时间，GPS系统可以 确定接收器的位置和时间。
精度和误差
GPS卫星导航系统的精度受多种 因素影响，包括信号传播延迟、 接收器质量等。
GPS卫星导航系统的应用
军事应用
GPS卫星导航系统在军事中广泛 应用于导航、目标定位和作战 行动等方面。
民用应用
GPS卫星导航系统在民用领域被 广泛应用于航海、交通、航空、 旅游等方面。
2 未来前景
随着技术的进步和需求的增加，GPS卫星导航系统的未来前景非常广阔。
3的技术创新，以满足不断变化的需求和挑战。
GPS卫星导航系统的未来发展
1
技术趋势
GPS卫星导航系统将继续改进和发展，
应用环境变化
2
提高定位精度和导航功能。
随着科技的发展，GPS卫星导航系统将
gps培训课件
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
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第一节 GPS定位的参照系统
（一）GPS定位的坐标系统
1.协议天球坐标系 2.协议地球坐标系 3.世界测地系
协议天球坐标系 （1）天球 （2）天球坐标系 （3）协议天球坐标系
（1）天球的基本概念念,组成,特点,功能)
卫星定位基础 基本定位原理
理想状态下
空间坐标系 天球坐标系 岁差和章动影响
协议天球坐标系
地球坐标系
北天极
卫星
时刻随地球自转 而变化位置的地 面点
地球 Y
春分点
天球坐标系
协议地球坐标系(P18) （1）地球坐标系 （2）协议地球坐标系 （3）与协议天球坐标系
卫星定位基本原理
利用到达时间测量值（TOA）测距的原理
已知：(1)信号从已知位置的辐射源（如卫星）发出 至到达用户所经历的时间； (2)信号传播的速度 (即光速)。
求：从辐射源到接收机的距离。
通过对多个TOA的测量，便 能确定位置。
二维位置的确定
由卫星产生的测距信号确定三维位置
前提条件：
卫星位置已知：即把卫星看作是动态已知 点．
（3）协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换
协议地球坐标系与协议天球坐标系的异同点： （1）原点位置相同； （2）Z轴指向相同； （3）X轴指向不同，其夹角为春分点的格林尼治恒星
时。
Z
天球坐标系
地球坐标系
Y γ X
E X’
协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换过程：
协议天球坐标系 真天球坐标系 真地球坐标系 协议地球坐标系
极移的变化: (1)周期约为一年，振幅约为0.1秒； (2)周期约为432天，振幅约为0.2秒。（张德勒周期变
化）
地极的移动将使地球坐标系坐标轴的指向发生变化。
（2）协议地球坐标系
定义：以协议地极为基准点的地球坐标系称为
协议地球坐标系（conventional terrestrial system）。 协议地极：以1900-1905年的平均纬度所确定 的平均地极的位置通常称为国际协议原点 （conventioanal international origin， CIO），在实际工作中普遍采用CIO作为协议 地极。 瞬时坐标系相对协议地球坐标系发生旋转。
时刻（历元）：发生某一现象的瞬间。 ——绝对时间测量
X轴指向BIH1984.0定义的
零子午面与CTP相应的赤道
O
的交点；Y轴垂直于XMZ平
面，且与Z、X轴构成右手 坐标系。
XWGS-84
WGS-84主要参数： （1）长半径α=6378137±2m （2）地球引力常数GM = (39686005±0.6×108)m3/s2 （3）正常二阶带谐系数C2.0=―484.16685×10―6±0.6×10―6 （4）地球自转角速度ω=
Mδ
y
α
γ x
两种坐标系的转换
x = cosδ· cosα y = cosδ· sinα z = sinα
r = (x2+y2+z2)1/2 α= arctan(y/x) δ= arctan(z/(x2+y2)1/2)
岁差与章动的影响(P15)
岁差
由于地球的形体是一个接近于赤道隆起的 椭球体，在日月引力和其他天体引力对地球隆 起部分的作用下，地球自转轴方向不再保持不 变，这使得春分点在黄道上产生缓慢的西移现 象，这种现象在天文学中称为岁差．
1.天轴与天极 2.天球赤道面与天球赤道 3.天球子午面与子午圈 4.时圈 5.黄道与黄极 6.春分点γ 7.黄赤交角
Ｐn北天极
M
ε γ
Ｐs南天极 Пn黄南极
（2）天球坐标系(P13)
天球空间直角坐标系： S（x， y，z）
z（Ｐn）
S
M
y
x（γ）
天球球面坐标系： S（ α，δ，r ）
z Ｐn
rS
岁差章动旋转 旋转真春分点时角
极移旋转
协议地球坐标系---WGS-84坐标系
参心坐标系---国家大地坐标系,如1954北京坐 标系和1980西安坐标系等.
站心坐标系,独立坐标系,投影坐标系
ZWGS-84
WGS-84坐标系
WGS-84坐标系的原
点为地球质心；Z轴指向
BIH1984.0定义的协议地极；
Пn Ｐn’ Ｐn
γ γ’
章动
在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极 将绕瞬时平北天极产生旋转，大致成椭圆轨道， 其长半径约为9.2秒，周期约为18.6年.这种现 象称为章动.
Пn
（3）协议天球坐标系
定义：通常选择某时刻作为标准历元,并将此刻地球的 瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时春分点的方向， 经该瞬时的岁差和章动改正后，分别作z轴和x轴的指 向。由此构成的空间固定坐标系，称为所取标准历元 t0时刻的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协 议惯性坐标系。（conventional inertial system, CIS）
（7292115±10×10―11±0.15×10―11）rad/s
YWGS-84
（二）GPS定位的时间系统(P32)
1.时间的概念 2.世界时系统 3.原子时 4.力学时 5.协调世界时 6.GPS时间系统
时间的概念
在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述 天体和人造卫星运行位置及其相互关系的重要基准，因 而也是人类利用卫星进行定位的重要基准。
的转换
（1）地球坐标系
z（N）
P
O
y
x（E）
地球空间直角坐标系
z P
H
OB
y
L
xE
大地坐标系
两种地球坐标系的转换
X =（N+H）cosB ·cosL Y =（N+H）cosB ·sinL Z = [（1-e2）+ H] ·sinB
极移：由于受到地球内部质量不均匀的影响，地球自 转轴在地球体内部发生运动，使得地极点在地球表面 上的位置随时间发生变化，这种现象称为地极移动， 简称极移。(P19)
国际大地测量学协会和国际天文学联合会决定， 从1984年1月1日后启用的协议天球坐标系，其坐标 轴的指向是以2000年1月15日太阳质心力学时为标准 历元的赤道和春分点所定义的。
转换： （1）将协议天球坐标系转换为瞬时平天球坐标
系（岁差旋转）
（2）将瞬时平天球坐标系转换为瞬时天球坐标 系（章动旋转）