GPS课程第一次课解析
GPS使用方法PPT课件
➢ 2004年1月10日中国与欧洲合作对伽俐略系统进行初 次测试，精度可达5cm
➢ 美国的GPS系统精度说明书可达10m，实际上大于15 米或更大。 GPS定位可到街道，而可Galileo，则可找 到家门。
➢ 目前，伽俐略系统的建设还未完成，进展缓慢。
4我国的北斗导航系统
2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为 继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系 统的国家。
▪ 伪距定位
➢ 采用伪距观测值，既可以是C/A码伪距，也可以是P码 伪距。
➢ 优点是数据处理简单，对定位条件的要求低，可以非 常容易地实现实时定位；
➢ 缺点是观测值精度低，C/A 码伪距观测值的精度一般 为3米，而P码伪距观测值的精度一般也在30个厘米左 右
▪ 载波相位定位
➢ 采用载波相位观测值，即L1、L2或它们的某种线性组 合。
三、GPS组成
* 空间部分 * 地面控制部分 * 用户设备
用户设备
接收设备 接收卫星信号
空间卫星星座 GPS图示
24颗卫星发射信号 卫星轨道、时间数据及 辅助资料信息
地面监控
中央控制系统 时间同步 跟踪卫星定位
▪ 空间部分
➢ 由24颗卫星（21颗工作卫星和3颗备用卫星）组成，分 布在6个轨道面内，每个轨道4颗卫星。每条轨道与赤 道面的夹角是55º，轨道平均高度为 20183km。每颗卫 星每天约有5小时在地平线以上，同时位于地平线以上 的卫星 数随时间和地点而异，最少4颗，最多11颗。
5.4 全球定位系统
一、全球卫星导航系统GNSS
(Global Navigation Satellite System)
➢依靠数十颗导航卫星组成的导航星座，对地面、 海面、空中的物体包括低轨航天器进行实时、 连续、全天候的精确导航、定位和定时的技术 系统。
GPS数据处理课程教学方法初探
科技信息全球卫星导航定位技术的迅速发展，在测绘、交通、军事、资源调查、大气研究、地质灾害监测预报等领域中有广泛的应用前景[1]。
特别是在测绘行业，它的出现给测绘行业带来了翻天覆地的变化，使大地测量从平面加高程测量发展到三维测量，从静态发展到动态，从局部参考坐标系中的区域性测量发展到统一地心坐标系中的全球性测量。
因此，GPS 导航定位技术已成为高等院校测绘工程专业中的一门重要课程。
但如何使学生掌握GPS 定位的原理与方法、外业数据采集以及内业数据处理是服务社会的关键之处。
随着社会经济的快速发展和社会形势的转变，对高校毕业生提出了更高的要求，不仅要了解GPS 定位原理，还要熟练的掌握GPS 数据处理的基本方法、运用GPS 理论解决实际问题。
但目前高校在培养GPS 专业型测绘人才方面做的还不够，毕业生眼高手低、动手能力差，在实际工作中难以满足社会生产和科学研究的需求。
因此，本文从“GPS 数据处理”课程的教学内容、教学手段和科研训练等教学环节对课程的教学方法进行探讨，以全面贯彻“人才培养、科学研究、社会服务、文化传承创新”四大高校职能，提高测绘工程专业毕业生服务社会、科研创新的能力。
1、人才培养模式全球卫星导航定位技术作为测绘新技术，具有理论深、实践性强、应用广泛的特点。
在专业人才培养方面，安徽理工大学以“育人为本、能力为重、求实创新、追求卓越”为指导方针，将学生培养成为既具有服务社会生产的实践能力，又具有科学思考（思维敏捷）、勇于探索精神的创新型人才。
基于以上原则，“GPS 数据处理”课程对学生的培养将呈金字塔状，分别为基础型、发展型、创新型人才，如图1所示。
基础型以GPS 定位基本原理、软件应用为主要内容，提高学生服务社会生产的能力，将学生培养成基础扎实的应用型专业人才，如对某一测区能够依据测量规范独立完成GPS 控制网的技术设计以及采用数据处理软件对采集的GPS 数据进行处理分析。
发展型以GPS 定位原理、GPS 软件设计、模块编码等为主要内容，提高学生现代化数据处理的自动化意识以及解决简单实践问题的动手能力，培养成为敢于思考、敢于实践的发展型人才，如能够采用高级语言对现有理论知识进行程序设计与编码实现来满足生产实践中的特殊需求。
《第一节 什么是GPS》讲义
《第一节什么是GPS》讲义同学们好，今天咱们要开启一段超级有趣的学习之旅，来了解一下全球定位系统，也就是GPS。
这个GPS啊，就像是我们生活中的一个超级智能小助手，不过在深入了解它之前呢，我先给大家讲个我自己的小故事。
有一次我去一个特别大的森林公园游玩，那公园大得就像一个迷宫似的。
我走着走着就迷路了，周围全是树，根本分不清东南西北。
当时我就想啊，要是能有个东西告诉我我现在在哪儿，该往哪儿走就好了。
这时候呢，我就想到了GPS。
要是我的手机有信号能打开GPS，那我肯定能轻松找到出口。
那这个GPS到底是个啥神奇的东西呢？咱们这就来好好讲讲。
一、GPS的诞生背景在以前啊，人们要确定自己的位置可不容易。
比如说古代的航海家们，他们在茫茫大海上航行，只能依靠星星、太阳的位置，还有一些简单的航海工具，像罗盘之类的。
但是这些方法呢，都不是很精确，而且很容易受到天气等因素的影响。
随着科技的不断发展，人们对精确位置信息的需求越来越大。
不管是在军事上，军队需要准确知道自己的位置，敌人的位置，这样才能制定出好的作战计划；还是在民用方面，像我们刚刚说的在大森林里迷路了，或者是在城市里找一个不熟悉的地方，都需要一种能精确确定位置的工具。
于是，GPS就应运而生了。
二、GPS的基本概念GPS呢，简单来说，它是一个由卫星组成的系统。
这些卫星就像一个个在空中的小灯塔，它们在距离地球很远的太空中绕着地球转。
GPS 系统主要由三大部分组成，这就像是一个团队，每个部分都有自己重要的任务。
1. 空间部分空间部分就是那些在天上的卫星啦。
GPS的卫星可不少，一共有24颗卫星（当然还有一些备用卫星）。
这些卫星均匀地分布在6个轨道平面上，就像把24个小卫士安排在6个不同的岗位上，这样就能保证在地球的任何一个地方，至少能接收到4颗卫星的信号。
为什么要至少4颗卫星呢？这就像我们要确定一个点在三维空间中的位置，需要知道三个坐标（x、y、z），再加上一个时间参数，这样才能准确地定位，所以至少需要4颗卫星的信号才行。
GPS测量的原理与应用教案
GPS测量的原理与应用教案一、教学目标1. 了解GPS的基本概念和发展历程2. 掌握GPS测量原理和方法3. 熟悉GPS在各个领域的应用4. 培养学生的实际操作能力和团队协作精神二、教学内容1. GPS概述1.1 GPS的定义1.2 GPS的发展历程1.3 GPS系统组成2. GPS测量原理2.1 卫星信号传播2.2 接收机接收信号2.3 坐标转换2.4 精度分析3. GPS测量方法3.1 静态测量3.2 动态测量3.3 实时动态测量4. GPS在各个领域的应用4.1 土地测绘4.2 交通运输4.3 地质勘探4.4 农业4.5 森林防火三、教学重点与难点1. 教学重点：GPS的基本概念和发展历程GPS测量原理和方法GPS在各个领域的应用2. 教学难点：GPS测量原理的数学推导GPS实际操作四、教学准备1. 教材或教参：《GPS测量原理与应用》2. 教学多媒体课件3. 手持GPS接收机4. 坐标转换软件五、教学过程1. 导入新课：介绍GPS的发展历程和基本概念，引发学生兴趣。
2. 讲解GPS的基本组成和原理：讲解卫星信号传播、接收机接收信号、坐标转换等过程。
3. 演示GPS测量方法：通过实际操作，演示静态测量、动态测量和实时动态测量。
4. 案例分析：分析GPS在土地测绘、交通运输等领域的应用。
5. 课堂讨论：让学生谈谈对GPS应用的看法，以及在未来发展中可能遇到的挑战。
6. 课后作业：让学生运用坐标转换软件，进行简单的GPS数据处理。
7. 总结：回顾本节课所学内容，强调GPS在现实生活中的重要性和应用前景。
六、教学策略与方法6.1 授课方式：采用讲授、演示、实践相结合的方式进行教学。
6.2 教学手段：利用多媒体课件、实际操作演示、案例分析等手段，提高学生的学习兴趣和参与度。
6.3 实践操作：安排课内外实践环节，让学生亲手操作GPS接收机，提高实际操作能力。
6.4 互动讨论：鼓励学生提问、发表见解，培养学生的思考能力和团队协作精神。
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卫星定位基本原理PPT课件
于是由式（）可得
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(T
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Ti)
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i p1
第19页/共115页
(4.2.11)
第四章 GPS定位的基本原理
式（）中的τ是在卫星钟和接收机钟同步的情况 下，卫星信号的传播时间。由于卫星信号的发射 历元是未知的，因此需要根据已知的观测历元tp1 （顾及对流层和电离层延迟改正）按下式计算信 号的传播时间：
第2页/共115页
第四章 GPS定位的基本原理
◆相对定位。确定同步跟踪相同的GPS信号的若干台 接收机之间的相对位置的方法。可以消除许多相同或 相近的误差，定位精度较高。但其缺点是外业组织实 施较为困难，数据处理更为烦琐。在大地测量、工程 测量、地壳形变监测等精密定位领域内得到广泛的应 用。
在绝对定位和相对定位中，又都包含静 态定位和动态定位两种方式。为缩短观测时 间，提供作业效率，近年来发展了一些快速 定位方法，如准动态相对定位法和快速静态 相对定位法等。
第9页/共115页
第四章 GPS定位的基本原理
◆根据载波相位观测观测得出的伪距 载波相位观测值：测量接收机接收到的、具有多
普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号 之间的相位差。
载波的波长远小于码的波 长，在分辨率相同(1%)的情况 下，载波相位的观测精度远较 码相位的观测精度为高。对于 L1和L2载波，其波长分别为 0.19m和0.24m，则相应的观测 精度为1.9mm和2.4mm。
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由式（）、（）和式（）可得
gps定位课程设计
gps定位课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生理解全球定位系统（GPS）的基本概念，掌握GPS的工作原理。
2. 学生了解GPS在生活、科研等领域的应用，认识其对社会发展的作用。
3. 学生掌握使用GPS设备进行定位、导航的基本方法。
技能目标：1. 学生能够操作GPS设备，进行位置信息的采集和处理。
2. 学生能够利用GPS数据，分析并解决实际问题，如规划路线、定位目标等。
3. 学生能够通过小组合作，进行GPS项目的实践与探究。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对地理信息系统（GIS）及GPS技术的兴趣，提高科学探究的积极性。
2. 学生认识到GPS技术在现实生活中的重要性，增强学以致用的意识。
3. 学生在小组合作中，培养团队协作、沟通表达的能力，提高人际交往素养。
课程性质：本课程为初中地理学科的实践活动课程，旨在通过理论与实践相结合的方式，使学生掌握GPS定位技术的基本知识和应用。
学生特点：初中生好奇心强，对科技类课程有较高的兴趣，具备一定的合作探究能力。
教学要求：教师应注重理论与实践相结合，引导学生通过实际操作掌握GPS定位技术，同时关注学生的情感态度培养，提高其学以致用的意识。
教学过程中，将目标分解为具体的学习成果，便于教学设计和评估。
二、教学内容1. GPS基本概念与原理- GPS的定义与历史- GPS系统组成：卫星、地面控制站、用户设备- GPS定位原理：三角定位法、时间差定位法2. GPS的应用领域- 导航与定位：日常生活、交通、物流等- 地理信息系统（GIS）：城市规划、环境监测、资源管理等- 科学研究：地质勘探、气象观测、地球动力学等3. GPS设备的使用方法- GPS设备的认识与操作- 位置信息采集与处理- 导航与路线规划4. 实践活动- 小组合作进行户外GPS定位实践- 利用GPS设备解决实际问题：寻找隐藏的宝藏、规划最佳路线等5. 教学内容安排与进度- 第一课时：GPS基本概念与原理- 第二课时：GPS的应用领域- 第三课时：GPS设备的使用方法- 第四课时：实践活动教材章节关联：- 《地理》七年级下册：第六章 地理信息技术的应用，第三节 全球定位系统（GPS）教学内容依据课程目标进行选择和组织，注重科学性和系统性，通过理论与实践相结合，使学生掌握GPS定位技术的基本知识和应用。
《GPS基本原理培训》课件
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。
由卫星轨道参数不准确引起的误 差。处理方法包括使用精确的星 历数据，以及通过差分技术或参
数估计方法减小星历误差。
相对论效应
由于卫星高速运动和地球引力场 引起的相对论效应导致的误差。 处理方法包括在GPS信号处理和 定位算法中考虑相对论效应的影
响。
大气层折射误差（对流层和电离层）
对流层折射误差
由大气对流层中气象条件变化引起的 误差。处理方法包括使用对流层模型 进行改正，以及通过差分技术消除部 分对流层折射误差。
采用更先进的调制方式、编码技 术和信号处理算法，提高信号的 传输效率和抗干扰能力；同时， 通过优化信号结构和参数设计， 提升接收机性能和定位精度。
挑战与机遇
新型信号体制的设计将面临技术 实现难度、兼容性问题和市场推 广等方面的挑战。然而，随着技 术的不断进步和应用需求的推动， 新型信号体制将为GPS的发展带 来新的机遇和突破。
数据码
GPS信号中的数据码包含了卫星导 航电文，包括卫星轨道参数、钟差、 大气改正等信息。
调制方式与扩频技术
调制方式
GPS信号采用二进制相位调制（BPSK）方式，将伪随机码和数据码调制到载波 上。
扩频技术
通过伪随机码对载波进行扩频处理，使得GPS信号具有抗干扰能力强、抗多径 效应好等特性。
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任务3分析
接收机体积小，重量轻，易携带
操作简单，自动化程度高 定位精度高
GPS测量技术与应用
1 2 3 4
课程介绍
学习项目介绍
GPS定位系统的认识
GPS接收机的认识
1 课程基本信息
课程 名称
学时 学分
GPS测量技术与应用
72 4.5 专业核心课 工程测量技术
课程 类型
授课 对象
先修课
后续 课程
控制测量、工程制图与识图
桥梁施工、隧道施工、线路施工、顶岗实习
2 课程性质与作用
任务1分析
导线测量
1、测角精度受测回 数的限制。提高精度 需增加测回数。 2、导线要求边长大 致相等；且不同的等 级，导线边长要求不 同，选点困难。
GPS测量
1、无需测角、测距 直接测得点的空间坐 标。 2、GPS测量对边长 无明显要求，选点灵 活。
任务2
桂林小溶江引洪工程引水隧洞长约8km,引洪工程需要在隧洞进口、 隧洞出口、支洞1、支洞2分别布设平面控制网，并且各个控制网必须 联成一体,保持统一的系统和整体的精度。该地区为中低山峡谷地形， 呈阶梯状向两岸逐步抬升，山地高程一般在400～800m 之间，支洞一 及支洞二之间有两座高山相隔。
具备LGO软件处理数据的能力和结果简单分析的能力
1
具备定位系统的认知能力。
知识目标
了解GPS的产生和发展 了解GPS测量工作原理、定位原理 掌握GPS接收机的种类、操作方法 掌握城市GPS控制网布设的方法和特点 掌握桥梁GPS控制网布设的方法和特点 掌握隧道GPS控制网布设的方法和特点 掌握线路GPS控制网布设的方法和特点 掌握LGO6.0数据处理软件的界面和操作步骤
主控站 监控站 注入站 1 5 3
GPS卫星
主控站 监测站 注入站
GPS全球定位系统的组成—用户接收部分
构成
GPS接收机 数据传输设备 数据处理软件 计算机
任务1
对比导线测量的等级与技术要求，分析GPS 测量技术相对导线测量的技术优越性。
导线测量的等级与技术要求
测距 测角 测回数 附合导 测图 等 线长度 平均边 中误差 中误差 导线全长相对 级 比例尺 /m 长/m 闭合差 /mm /″ DJ2 DJ6 一 级 3600 300 ≤±15 ≤±5 ≤1/14000 2 方位角 闭合差 /″
本课程是工程测量技术专业的专业课之 一，主要培养学生对GPS控制网的网形布设、 数据采集、数据处理和技术总结的能力，以 及团结协作、制定和实施工作计划、综合分 析和判断的能力。
3 课程目标设计 专业能力目标
本课程以建网对象为载体，设计了4 2 具备GPS接收机的操作能力和基本维护能力 个并行关系的学习情境，每个都是完整 的工作过程。设计这样的学习情境，目 3 具备GPS接收机工作状况的判断能力 的在于通过重复的工作过程，反复训练 4 具备GPS测量的方案设计和网形布设的能力 学生的GPS控制网施测能力，并培养学 5 具备GPS接收机外业数据采集的能力 生独立思考、大胆创新的方法能力和组 织管理、与人相处的社会能力。 6
4 ≤ 10 n
二 级
三 级 1:500
2400 200 ≤±15 ≤±8
≤1/10000
1 1
3 ≤ 16 n 2 ≤ 24 n
1500 120 ≤±15 ≤±12 ≤1/6000
900 80 ≤1/4000
图 根 1:10Байду номын сангаас0 1800 150 1:2000 3000 250
1 ≤ 40 n
测量实质 常用方法 点位选取原则
GPS全球定位系统
GPS是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可向全 球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度 和时间信息。
GPS全球定位系统—定位基本原理
R1 R3 R2
GPS空间定位示意图
GPS全球定位系统—定位基本原理
利用GPS进行定位， 就是把卫星视为“动态” 的控制点，在已知其瞬 时坐标的条件下，以GPS 卫星和用户接收机天线 之间的距离为观测量， 进行空间后方交会，从 而确定接收机天线所处 的位置。
教学组织与实施
决策
实施 检查 评价
计划 资讯
教 资 学 源
真实的城市环境
测绘教学实训基地
教 资 源 学
教学资源开发—引导文设计 教学资源开发—检查表设计
教 资 学 源
GPS的认识
学习目标
能力目标 能通过具体任务，准确分析出GPS测量技 术相对于常规工程测量技术的优越性。 知识目标
1、掌握GPS全球定位系统的基本组成； 2、掌握GPS测量技术的优越性。
GPS全球定位系统的组成
空间卫星部分
空间卫星部分 地面监控部分 用户接收部分
地面控制部分
用户接收部分
GPS全球定位系统的组成—空间卫星部分
设计星座：21+3 6个轨道面 平均轨道高度20200km 轨道倾角55 周期11h 58min
GPS全球卫星分布
GPS全球定位系统的组成—地面监控部分
任务2分析
常规控制测量： 工程建在困难山区,交通不便,地形复杂,通视条件差。采用全 站仪布设常规导线控制网,受地形、通视条件的限制,通常几何结 构较差,控制网验后精度不高。
GPS控制测量：
1 2 3 4
要求通视条件不高； 点位布设灵活，数量少，省去了坐标传算点和过渡点； 网形没有太严格的要求,布设带状控制网更显其优越性; 减小工作量，提高效率，经济效益良好。
掌握GPS数据分析和检验的方法
GPS测量技术与应用
学习项目1 学习项目2
* Description of the contents
学习项目3
学习项目4
城市GPS控 制网施测 学时：24
隧道GPS控 制网施测
线路GPS控 制网施测 学时：18
RTK测量与 放样
学时：18
学时：12
* Description of the contents
任务3
结合实物（徕卡SR20）及其技术参数，分析GPS 测量技术相对传统工程测量技术的优越性。 部分技术参数：
尺 寸：21.5cmL ×9cmW ×5cmD 重 量：0.652公斤，包括可充电锂电池 功 耗：2.1瓦，典型环境，20℃，内部7.2伏，外部12伏 运行温度：-20℃~55℃ 存储温度：-40℃~75℃ 湿 度：99%非冷凝 防 震：抗1.2米跌落 后处理基线精度： 5~10mm+2ppm