《GPS原理与应用》PPT课件.ppt

1、第十章 GPS原理与应用,全球定位系统（global positioning system，简称GPS）是20世纪70年代由美国国防部研制的新一代卫星导航定位系统。 目前GPS已广泛应用于交通运输、军事和野外作业等各个领域。,一、GPS发展历史,全球定位系统（GPS）是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994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新一代卫星导航与定位系统。,最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站

2、观测到卫星的时间隔较长（平均1.5h），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。 为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。,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，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的

3、GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。,二、GPS系统组成,GPS系统包括三大部分：GPS卫星星座；地面监控系统；GPS信号接收机。,1GPS卫星星座 GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。,2地面监控系统 对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的

4、星历-描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准-GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。,GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站： 1个主控站:Colorado springs(科罗拉多.斯平士)。 3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、 Diego Garcia(迭哥伽西亚)、kwajale

5、in(卡瓦加兰)。 5个监控站： 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。,Colorado springs,Hawaii,kwajalein,Diego Garcia,Ascencion,3GPS信号接收机 GPS 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。,三、GPS特点,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。,当初设计GPS

6、系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。,四、GPS原理,GPS是由27颗美国国防部发射的导航卫星组成的无线电导航系统，由卫星、地面站、接收机三部分组成。 在地面上，只要用一部GPS接收机测出3-4颗卫星信号到达本接收机的时间，就可准确推算出接收机所在地（可以是地面或天上任何位置）的经纬度、海拔高度、时间、运动速度等数据。,1GPS系统的组成 GPS由三个独立的部分组成：

7、空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。 面支撑系统：1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。,2GPS定位原理 GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。即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。,如图11-1所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定

8、以下四个方程式，进而求得未知数（x，y，z，t）（定位、定时）。,图11-1 GPS定位原理,五、GPS的应用,GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用GPS 产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军 用飞机提供位置和导航信息等。 在商业领域，消费类GPS主要用在勘测制图，航空、航海导航，车辆追踪系统，移动计算机和蜂窝电话平台等方面。,勘测制图由一系列的定位系统组成，一般都要求特殊的GPS设备。 在勘测方面的应用 有：结构和工程勘测、道路测量和地质研究。收集到的数据可以以后再估算，也可以在 野外实时使用。制图过程中使用大量的G

9、IS数据库的数据，还有纸质地图的数据。 许多 商业和政府机构使用GPS设备来跟踪他们的车辆位置，这一般需要借助无线通信技术。一 些GPS接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要。,最近，越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出现了。随着技术的进步，这些设备的功能越来越完善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌，尺寸也越来越小了。 消费类GPS手持机的价格从几百元到几千元不等，它们基本上都有12个并行通道和数据功能。有些甚至能与便携电脑相连，可以上传/下载GPS信息，并且使用精确到街道级的地图软件，可以在PC的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航。,六、常用的GPS接收器及其

10、分类,GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。 导航型如下两种： 一是汽车导航仪 二是GPS手持机 GPS手持机按用途可分为陆用型、空用型、海用型。陆用型GPS手持机一般没有内置地图，主要利用航路点记录，选择相应航路点可自动生成路线。 大地型接收机又分单频型和双频型。,图片：导航型GPS机,手持型GPS机,车载型GPS机,图片：大地型GPS接收机,单频机,双频机,接收器种类,轻便导航,接收器种类,精密测量,七、GPS的性能指标,1卫星轨迹 有24颗GPS卫星沿六条轨道绕地球运行（每四颗一组），一般不会有超过12个卫星在地球的同一边，大多数GPS接收器可以追踪812颗卫星。计算LAT/LONG（

11、2维）坐标至少需要3颗卫星。再加一颗就可以计算3维坐标。对于一个给定的位置，GPS接收器知道在此时哪些卫星在附近，因为它不停地接收从卫星发来的更新信号。,2并行通道 一些消费类GPS设备有25条并行通道接收卫星信号。因为最多可能有12颗卫星是可见的（平均值是8），这意味着GPS接收器必须按顺序访问每一颗卫星来获取每颗卫星的信息。,3定位时间 是指重启动你的GPS接收器时，它确定现在位置所需的时间。对于12通道接收器，如果你在最后一次定位位置的附近，冷启动时的定位时间一般为35分钟，热启动时为1530秒，而对于2通道接收器，冷启动时大多超过15分钟，热启动时为25分钟。,4定位精度 大多数GPS

12、接收器的水平位置定位精度在5m10m左右。,5DGPS功能 为了将SA和大气层折射带来的影响降为最低，有一种叫做DGPS发送机的设备。 是一个固定的GPS接收器接收卫星的信号，它确切地知道理论上卫星信号传送到的精确时间是多少，然后将它与实际传送时间相比较，然后计算出“差”，这十分接近于SA和大气层折射的影响，它将这个差值发送出去，其他GPS接收器就可以利用它得到一个更精确的位置读数（5m10m或者更少的误差）。,6信号干扰 要给予你一个很好的定位，GPS接收器需要至少35颗卫星是可见的。如果你在峡谷中或者两边高楼林立的街道上，或者在茂密的丛林里，你可能不能与足够的卫星联系，从而无法定位或者只能

13、得到二维坐标。同样，如果你在一个建筑里面，你可能无法更新你的位置，一些GPS接收器有单独的天线可以贴在挡风玻璃上，或者一个外置天线可以放在车顶上，这有助于你的接收器得到更多的卫星信号。,7物理指标 选购GPS设备时，大小、重量、显示画面、防水、防震、防尘性能、耐高温、耗电等物理指标都要考虑在内。,八、GPS的发展趋势,GPS的应用已十分广泛，而且越来越广泛，差不多涉及到国民经济的各个领域，尤其是近几年来其向消费市场的发展的强劲势头时，以GPS位代表的卫星导航应用产品，由于他能很容易地提供位置、速度和时间信息，所以会很快成为现代信息社会的重要信息来源，成为信息时代的国家基础设施之一，由于功能强大

14、、使用方便、价格合适，所以能很好的与其他系统结合，形成大量的新应用、新产品，迅速的进入我们日常工作、学习、生活和娱乐中。,GPS它的发展具有如下特点： （1）GPS应用产品产业是当前国际上八大无线产业之一； （2）GPS也是目前世界上发展的最快的三大信息产业之一； （3）GPS与GSM和CDMA的结合已成为全球通信导航界的热点。,九、我国GPS定位技术应用和发展情况,上世纪70年代后期，有关单位在从事多年理论研究的同时，引进并试制成功了各种人造卫星观测仪器。其中有人卫摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机。根据多年的观测实践，完成了全国天文大地网的整体平差，建立了1980年国家大地坐标系，进行了

15、南海群岛的联测。,80年代初，我国一些院校和科研单位已开始研究GPS技术。十多年来，我国的测绘工作者在GPS定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作。 80年代中期，我国引进GPS接收机，并应用于各个领域。同时着手研究建立我国自己的卫星导航系统。,在大地测量方面，利用GPS技术开展国际联测，建立全球性大地控制网，提供高精度的地心坐标，测定和精华大地水准面。组织各部门（10多个单位，30多台GPS双频接收机）参加1992年全国GPS定位大会战。经过数据处理，GPS网点地心坐标精度优于0.2M，点间位置精度优于10-8。在我国建成了平均边长约定100KM的GPS A级网，提供了亚米级精度地心坐标

16、基准。此后，在A级网的基础上，我国又布设了边长为30-100KM的B级网，全国约有2500个点。A、B级GPS网点都联测了几何水准。,这样，就为我国各部门的测绘工作，建立各级测量控制网，提供了高精度的平面和高程三维基准。我国已完成西沙、南沙群岛各岛屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网联成一整体。,在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图和用于施工放样。,在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进

17、行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。,在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。我国已开始用GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。,GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。 我国的全球定位系统（GPS）测量规范已于己于人1992年10月1日起实施。,此外，在军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研

18、究和应用。在静态定位和动态定位应用技术及定位误差方面作了深入的研究，研制开发了GPS静态定位和高动态高精度定位软件以及精密定轨软件。在理论研究与应用开发的同时，培养和造就了一大批技术人才和产业队伍。,近几年，我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性的GPS跟踪站，进行对GPS卫星的精密定轨，为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务，致力于我国自主的广域差分GPS（WADGPS）方案的建立，参与全球导航卫星系统（GNSS）和GPS增强系统（WAAS）的筹建。,同时，我国已着手建立自己的卫星导航系统（双星定位系统），能够生产导航型GPS接收机。GPS技术的应用正向更深层

19、次发展。 为适应GPS技术的应用与发展，1995年成立了中国GPS协会，协会下设四个专业委员会，希望通过广泛的交流与合作，发展我国的GPS应用技术。,十、GPS的常用术语,（略）,十一、实践操作,eTrex Vista(中文) 展望,美国GARMIN公司生产,eTrex Vista的中文名称-展望，释义为“共同展望美好未来”。拥有详尽的城市地图（目前为87个城市），内置32M内存，每1秒刷新一次，500个可中文命名并智能查找的航点，10条自动记录的航迹，20条含50个航点的航线，107个预设坐标系和自定义坐标系（可定义为北京54坐标），内置电子气压测高仪、地磁电子罗盘，可以更便于密林、隧道中轻

20、松导航。测高精度3米以内。,左右两侧除了电源和翻页按键以外还设有用于光标定位的输入组合按键，这样就可以更加便于操控和精确定位,产 品 性 能 指 标 基本规格 天线 内置天线 安装位置精确度 水平面15米 接口 NMEA0183/RTCM104/RS232 刷新速度(MHz) 一般安装完毕,每1秒刷新一次 内存（MB） 32 包装内容 主机、手带、使用手册、专用电脑连接线,导航性能 航路点 500个可中文命名并智能查找的航点 航迹 10条自动记录的航迹 航线 20条含50个航点的航线 旅行提示器 具有旅程中之里程计算、航程时间、平均速度、最大速度等多项信息，供探勘及导航应用需求 坐标基准 10

21、7个预设坐标系和自定义坐标系,屏幕 显示屏 LCD 屏幕尺寸 5.42.7c 显示点阵 288160 显示模式 灰度 背光显示 有 电气规格 电源电压(V) 3 电源功率(W) 0.35 电池 2节5号电池 电池使用时间（小时） 12,外观参数 重量(g) 150 长度（mm） 112 宽度（mm） 51 高度（mm） 31 外壳材质结构 外壳防水设计 环境参数 工作温度（） -15 - 70 存储温度（） -15 - 70,十二、GPS手持机在野外地质填图中的应用,野外区调地质填图中的一项重要内容就是在地形图上标定地质点，如岩性点、岩性分界点和构造分界点等。 传统地质填图一般是根据地形图上的

22、特征点如建筑物、采石坑、道路、高压线以及山顶、山脊和山谷等地性线判断地质点的位置，然后将其标定在图上。容易产生较大的误差。,利用GPS手持机标定地质点不仅精度高，而且速度快，可以大大地提高地质填图的工作效率。如果再结合航片和地形图上的特征点以及特征线标定地质点，会进一步提高标定点位的精度。,GPS手持机野外区调地质填图中的用途主要有4个方面： 标定点位、导航、计算多边形面积和补点,标定地质点,为提高GPS手持机单点定位精度，有的生产厂商专门为GPS手持机设置了数据平滑功能，即在一个测点上进行多次定位，求取平均值作为最终的定位结果，这样可以提高单点定位的精度。 GPS手持机的平面定位精度一般可达

23、到1-5m。由于GPS卫星分布位置的原因，GPS测量高程的误差一般较大，为水平误差的2-3倍，高程精度为10-20m。 由于捕捉卫星信号的灵敏度高，GPS手持机单点定位的速度非常快，一般在15s左右即可捕获4颗以上卫星，从而快速地实现3D导航和定位。,导航,1）单点导航及点位校正：根据地形图上的特征地物点或者结合航片在地形图上标定出第一个地质点后，利用手持GPS接收机，对该点进行定位，并将其存储到航点表中。以后再标定地质点时，就可以利用手持GPS的单点导航功能了。根据其导航功能，既可以找到现在所处的位置距离上一个地质点(航点)的距离和方位，又可以确定出该点到航点表中任何一个航点(已经在地形图上

24、精确标定过的地质点)的距离和方位。这样就可以比较准确地在地形图上标定出任何一个地质点。,利用手持GPS接收机标定点位时，最好参照地形图上已经过内业数据处理精确标定过的地质点，可以有效防止测量误差积累而给点位标定带来的误差。 刚开始进行地质填图的时候，由于地形图上没有精确标定过的地质点，只能利用未经内业精确数据处理但已经GPS定位并初步标定在地形图上的概略地质点，这样就容易出现误差积累，使标定的地质点产生较大误差。解决方案是同时参照概略地质点、地形图、航片等，判断待定地质点在地形图上的位置，并标定。,2)航线导航：当前进中需要经过多个航点时，如果仍采用单一航点导航，由于终点的改变而需要不断地进行单点导航，输入新的航点名，这样将会极其繁琐。但如果把这些航点按一定的顺序编制成一条航线，采用航线导航，那么就不需要多次输入新航点名以进行多次单点导