GPS基本介绍及操作

1、GPS基本介绍及操作 王志伟 2007.12 目录 一前言一前言 二二GPS相关介绍相关介绍 三三GPS使用方法使用方法 四四GPS数据处理数据处理 五五GPS图像处理图像处理 一前言一前言 GPS 即全球定位系统（即全球定位系统（Global Positioning System）是美国从本世纪）是美国从本世纪70年代开始研制，历时年代开始研制，历时 20年，耗资年，耗资200亿美元，于亿美元，于1994年全面建成，具有年全面建成，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。经近新一代卫星导航与定位系统。经近1

2、0年我国测绘等部年我国测绘等部 门的使用表明，门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高以全天候、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 功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运功地应用于大地测量、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、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变革带来一场深刻的技术变革 。 国内行业网站：国内行业网站： http:/ htt

3、p:/ 二二GPS相关介绍相关介绍 1.GPS概述 2GPS构成 3GPS原理 4GPS前景 5GPS特点 6GPS功用 7GPS应用 8GPS种类 1.GPS概述 即全球定位系统（即全球定位系统（Global Positioning System）。简单）。简单 地说，这是一个由覆盖全球的地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。这个系统颗卫星组成的卫星系统。这个系统 可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，颗卫星， 以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和

4、高度，以便实现导航、 定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及定位、授时等功能。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及 个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。 全球定位系统全球定位系统(GPS)是是20世纪世纪70年代由美国陆海空三军联合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。其主要目的是为陆、海、空 三大领域提供实时、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、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、 核爆监测和

5、应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要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。经过组成。经过20余年的研究实验，耗资余年的研究实验，耗资200亿美元，到亿美元，到1994年年3月，月， 全球覆盖率高达全球覆盖率高达98%的的24颗颗GPS卫星星座己布设完成。卫星星座己布设完成。 GPS全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分全球卫星定位系统由三部分组成：空间部分GPS 星座；地面控制部分星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分地面监控系统；用户设备部分 GPS 信号接收机。信号接收机。 GPS的前身的前身 GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统

6、，系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统， 1958年研制，年研制，64年正式投入使用。该系统用年正式投入使用。该系统用5到到6颗卫星组成的星颗卫星组成的星 网工作，每天最多绕过地球网工作，每天最多绕过地球13次，并且无法给出高度信息，在定位次，并且无法给出高度信息，在定位 精度方面也不尽如人意。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越精度方面也不尽如人意。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越 性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空 三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。三军及民用部门都感到迫切

7、需要一种新的卫星导航系统。 为此，美国海军研究实验室为此，美国海军研究实验室(NRL)提出了名为提出了名为Tinmation的的 用用12到到18颗卫星组成颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于高度的全球定位网计划，并于67 年、年、69年和年和74年各发射了一颗试验卫星。而美国空军则提出了年各发射了一颗试验卫星。而美国空军则提出了 621-B的以每星群的以每星群4到到5颗卫星组成颗卫星组成3至至4个星群的计划，这些卫星个星群的计划，这些卫星 中除中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道的倾斜轨道 该计该计 划以伪随机码划以伪随机码

8、(PRN)为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当 信号密度低于环境噪声的时也能将其检测出来。海军的计划主要信号密度低于环境噪声的时也能将其检测出来。海军的计划主要 用于为舰船提供低动态的用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务，维定位，空军的计划能供提供高动态服务， 然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这 里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1973年美国国防年美国国防 部将部将2者合二为一者合二为一

9、。 2.GPS构成构成 1。空间部分。空间部分 GPS的空间部分是由的空间部分是由24 颗工作卫星组成颗工作卫星组成,它位于它位于 距地表距地表20 200km的上空的上空,均匀分布在均匀分布在6 个轨道面上个轨道面上 (每个轨道面每个轨道面4 颗颗) ,轨道倾角为轨道倾角为55。此外。此外,还有还有4 颗颗 有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何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地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星颗以上的卫星,并能保持并能保持 良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上 连续

10、的全球导航能力。连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码卫星产生两组电码, 一组一组 称为称为C/ A 码码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为一组称为P 码码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高码因频率较高,不易受干扰不易受干扰,定位精定位精 度高度高,因此受美国军方管制因此受美国军方管制,并设有密码并设有密码,一般民间无法一般民间无法 解读解读,主要为美国军方服务。主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而码人为采取措施而 刻意降低精度后刻意降低精度后,主要开放给民间使用。主要开放给民间使用。 2.GPS构

11、成构成 2。地面控制部分。地面控制部分 地面控制部分由一个主控站地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和个全球监测站和 3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和 能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取 得的卫星观测数据得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据包括电离层和气象数据,经过初步经过初步 处理后处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪 数据数据,计算出卫星的轨道和时钟参数计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到然后将结果送到 3 个地

12、面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空 时时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种 注入对每颗注入对每颗GPS 卫星每天一次卫星每天一次,并在卫星离开注入站并在卫星离开注入站 作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故 障障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但但 导航精度会逐渐降低。导航精度会逐渐降低。 2.GPS构成构成 3。用户设备部分。用户设备部分 用户设备部分即用户设备部分即GPS 信号接收机。

13、其主要功能信号接收机。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，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，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离信号后，即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离 的变化率的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数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、高行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高 度、

14、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及度、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数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。用户设备。 3.GPS原理原理 GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫 星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数 据就可知道接收机的具体位置。如果想知道接收机所据就可知道接收机的具体位置。如果想知道接收机所 处的位置，至少要能接收到处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。个卫星的信号。 4.GPS前景前景 由于由于GPS技术所具有

15、的全天候、高精度和自动测技术所具有的全天候、高精度和自动测 量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融 入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领 域。域。 随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府 宣布宣布2000年至年至2006年期间，在保证美国国家安全不年期间，在保证美国国家安全不 受威胁的前提下，取消受威胁的前提下，取消SA政策，政策，GPS民用信号精度在民用信号精度在 全球范围内得到改善，利用全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定

16、位的精码进行单点定位的精 度由度由100米提高到米提高到20米，这将进一步推动米，这将进一步推动GPS技术的技术的 应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生 活质量，刺激活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在市场的增长。据有关专家预测，在 美国，单单是汽车美国，单单是汽车GPS导航系统，导航系统，2000年后的市场年后的市场 将达到将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达 到到50亿元人民币。可见，亿元人民币。可见，GPS技术市场的应用前景非技术市场的应用前景非 常可观。常可观。 5

17、.GPS特点特点 全球定位系统的主要特点：全球定位系统的主要特点： (1)全天候；全天候； (2) 全球覆盖；全球覆盖； (3)三维定速定时高精度；三维定速定时高精度； (4)快速省时高效率：快速省时高效率： (5)应用广泛多功能。应用广泛多功能。 6.GPS功用功用 全球定位系统的主要用途：全球定位系统的主要用途： (1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气 物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、 地壳运动监测、地壳运动监测、 市政规划控制等；市政规划控制等； (2)海洋应用，包括远洋船

18、最佳航程航线测定、船只海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只 实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测 量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；量以及海洋平台定位、海平面升降监测等； (3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥航空航天应用，包括飞机导航、航空遥 感姿态控感姿态控 制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天 器防护探测等。器防护探测等。 7.GPS应用应用 1.船舶远洋导航和进港引水船舶远洋导航和进港引水 2.飞机航路引导和进场降落飞机航路引导和进场降落 3.汽车自主导航汽车自主

19、导航 4.地面车辆跟踪和城市智能地面车辆跟踪和城市智能 交通管理交通管理 5.紧急救生紧急救生 6.个人旅游及野外探险个人旅游及野外探险 7.个人通讯终端个人通讯终端 8.各种等级的大地测量，控各种等级的大地测量，控 制测量制测量 9.道路和各种线路放样道路和各种线路放样 10.水下地形测量水下地形测量 11.地壳形变测量，大地壳形变测量，大 坝和大型建筑物变形监坝和大型建筑物变形监 测测 12.GIS应用应用 13.工程机械（轮胎吊，工程机械（轮胎吊， 推土机等）控制推土机等）控制 14.精细农业精细农业 GPS在汽车导航和交通管理中在汽车导航和交通管理中 的应用的应用 三维导航是三维导航是

20、GPS的首要功能，飞机、轮船、地面的首要功能，飞机、轮船、地面 车辆以及步行者都可以利用车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航。汽导航器进行导航。汽 车导航系统是在全球定位系统车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的基础上发展起来的 一门新型技术。汽车导航系统由一门新型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、导航、自律导航、 微处理机、车速传感器、陀螺传感器、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱驱 动器、动器、LCD显示器组成。显示器组成。GPS导航系统与电子地图、导航系统与电子地图、 无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合，无线电通信网络、计算机车辆管理信息

21、系统相结合， 可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。 汽车导航汽车导航GPS工作流程工作流程 汽车导航汽车导航GPS中部件功能中部件功能 8.GPS种类种类 GPS卫星接收机种类很多，根据型号分为测地卫星接收机种类很多，根据型号分为测地 型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分 为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。 经过经过20余年的实践证明，余年的实践证明，GPS系统是一个高精系统是一个高精 度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多度、全天候和全球性

22、的无线电导航、定位和定时的多 功能系统。功能系统。 GPS技术已经发展成为多领域、多模式、技术已经发展成为多领域、多模式、 多用途、多机型的国际性高新技术产业。多用途、多机型的国际性高新技术产业。 几种几种GPS 汽车导航汽车导航GPS 三三.GPS使用方法使用方法 1.GPS操作界面操作界面 2.GPS主要功能介绍主要功能介绍 3.GPS操作主要流程操作主要流程 1.GPS操作界面操作界面 主菜单页面主菜单页面 主菜单页面含的主要选项：主菜单页面含的主要选项： 存点；查找；航线；航迹；存点；查找；航线；航迹； 设置；工具等。设置；工具等。 卫星页面和旅行计算机页面卫星页面和旅行计算机页面 卫

23、星卫星 页面页面 显示显示 卫星卫星 分布分布 图和图和 信号信号 强度强度 图并图并 提示提示 何时何时 可以可以 导航导航 该该 页页 面面 以以 数数 据据 形形 式式 显显 示示 当当 前前 的的 旅旅 行行 信信 息息 地图页面和导航页面地图页面和导航页面 地地 图图 页页 面面 显显 示示 当当 前前 的的 位位 置置 及及 运运 动动 方方 向向 导航导航 页面页面 用可用可 旋转旋转 罗盘罗盘 显示显示 和指和指 导去导去 目标目标 点应点应 该走该走 的方的方 向。向。 2.GPS主要功能介绍主要功能介绍 1.GPS初始化：包含个子页面。初始化：包含个子页面。 2.记录记录G

24、PS：可以修改航路点的名称，符号，坐：可以修改航路点的名称，符号，坐 标，高度。标，高度。 3.记录航迹线：可以显示航迹名称，航迹总距离。记录航迹线：可以显示航迹名称，航迹总距离。 4.测量直线距离：可以显示出起始点相对于终止点测量直线距离：可以显示出起始点相对于终止点 的方位。的方位。 5.测量面积：会自动计算出闭合曲线所围成的面积。测量面积：会自动计算出闭合曲线所围成的面积。 3.GPS操作主要流程操作主要流程 1.设置设置 2.开航迹记录开航迹记录 3.存点存点 1.设置设置 进入设置页面选项，进入设置页面选项， 其中一般包含个子其中一般包含个子 页面：显示，航向，页面：显示，航向， 时间，单位，接口，时间，单位，接口， 系统。系统。 为了便于工作，统一设置如图：为了便于工作，统一设置如图： 2.开航迹记录开航迹记录 按下平幕上 的“关”按 钮将暂停记 录航迹，按 下“开”按 钮将启动记 录航迹功能， 被选中的开 关显示为凹 下去。 按下 “存 储”按钮， 将显示 “请选择 起始时 间”；见 右图： 为了便于 工作，一 般统一选 择全部记 录 在已存航 迹的页面 中，显示 了航迹名 称，航迹 总距离， 面积等选 项。 3.存点（以合众思壮为例图）存点（以合众思壮为例图） 在任何时候持续按住鼠标在任何时候持续按住鼠标 都将出