GPS全球卫星定位系统.ppt

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1、 基础技术研究阶段基础技术研究阶段（1938-19731938-1973）基础技术研究1954-1956 扎奇里亚斯与松下公司制作出第一个自足式便携原子钟1957麻省理工学院开始研究卫星跟踪项目1961 航空公司开始了GPS系统的发展工作，用于满足军事需要1958年美国开始研制卫星定位系统（子午仪系统）（Transit） 计划实施发展阶段计划实施发展阶段（1973-19931973-1993）GPSGPS实施计划共分三个阶段实施计划共分三个阶段u 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从19731973年到年到19791979年，共发射年，共发射了了4 4颗试验

2、卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。u 第二阶段为全面研制和试验阶段。从第二阶段为全面研制和试验阶段。从19791979年到年到19841984年，又陆续发射年，又陆续发射了了7 7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPSGPS定位精度远远定位精度远远超过设计标准。超过设计标准。u 第三阶段为实用组网阶段。第三阶段为实用组网阶段。19891989年年2 2月月4 4日第一颗日第一颗GPSGPS工作卫星发射成工作卫星发射成功，表明功，表明GPSGPS系统进入工程建设阶段。系统进入工程建设阶段。

3、19931993年底实用的年底实用的GPSGPS网即（网即（21+321+3）GPSGPS星座已经建成星座已经建成 技术发展成熟阶段技术发展成熟阶段（1994-20081994-2008） 国内国内GPSGPS民用方面发展民用方面发展 1/61/6陆地运输陆地运输海洋运输海洋运输建筑建筑采矿采矿农业农业电力系统电力系统民用航空民用航空通信通信医疗应用医疗应用测绘测绘科研科研家电家电主要民用范围主要民用范围 纸质地图纸质地图Say GoodbyeSay Goodbye 20062006年廉价年廉价PNDPND方案发布，各大硬件厂商的生产成本得到了更好的控制，方案发布，各大硬件厂商的生产成本得到了

4、更好的控制，PNDPND的价格由原来的天价慢慢走下神坛，给了普通消费者选择的机会，增加的价格由原来的天价慢慢走下神坛，给了普通消费者选择的机会，增加了了GPSGPS的普及速度。的普及速度。 全覆盖地图的发布从根本上解决了全覆盖地图的发布从根本上解决了GPSGPS行业发展的一大瓶颈，解决了行业发展的一大瓶颈，解决了GPSGPS普及上的难题。普及上的难题。国内国内GPSGPS民用方面发展民用方面发展 2/62/6 20072007年年GPSGPS井喷式发展，移动导航在非智能手机上的应用使产业的发展井喷式发展，移动导航在非智能手机上的应用使产业的发展速度成几何级增长。速度成几何级增长。 截止至截止至

5、0707年底，市场上出现的年底，市场上出现的GPSGPS品牌多达千余，除了诺基亚、摩托罗品牌多达千余，除了诺基亚、摩托罗拉这样的手机巨头和专注与此产业的拉这样的手机巨头和专注与此产业的GARMINGARMIN任我游、新科等知名品牌外，其任我游、新科等知名品牌外，其他小作坊品牌更是多如牛毛。他小作坊品牌更是多如牛毛。国内国内GPSGPS民用方面发展民用方面发展 3/63/6GPSGPS市场品牌、产品鱼龙混杂市场品牌、产品鱼龙混杂 国内国内GPSGPS民用方面发展民用方面发展 4/64/6 20082008年年GPSGPS市场的复合增长率达到市场的复合增长率达到34.334.3，其中，其中GPSG

6、PS手机成为增长手机成为增长速度最速度最 快的部分消费人群也由高端车主逐渐延伸到中低端，这主要得快的部分消费人群也由高端车主逐渐延伸到中低端，这主要得益于消费者对于益于消费者对于GPSGPS带来方便的认知度越来越高，同时一些大品牌主流带来方便的认知度越来越高，同时一些大品牌主流机型的价格下调也成为销量增长的主要推动力。机型的价格下调也成为销量增长的主要推动力。 TD-SCDMA-3GTD-SCDMA-3G标准试运行标准试运行 GPSGPS产品定位不再局限于导航功能，除了具备卫星同步精确定位、最佳产品定位不再局限于导航功能，除了具备卫星同步精确定位、最佳路径搜索、同步语音导航、生活资讯查询等功能

7、和城市地图精准导航之外，路径搜索、同步语音导航、生活资讯查询等功能和城市地图精准导航之外，还会集移动电视、视频播放和电子相册等娱乐功能，并融入了蓝牙免提、还会集移动电视、视频播放和电子相册等娱乐功能，并融入了蓝牙免提、倒车后视、倒车后视、TMCTMC、电子狗、电子狗、WIFIWIFI等实用功能于一身。等实用功能于一身。国内国内GPSGPS民用方面发展民用方面发展 5/65/6功能更加多样，产品更加实用功能更加多样，产品更加实用 挑战与机遇并存。挑战与机遇并存。 2009 2009年年GPSGPS市场来说，一直处在一种市场来说，一直处在一种“半沉睡半沉睡”的状态，与前两年所出的状态，与前两年所出

8、现的现的“井喷井喷”现象擦肩而过。低价扰市和盗版地图横行成为阻碍现象擦肩而过。低价扰市和盗版地图横行成为阻碍GPSGPS市场正市场正常发展的隐患。常发展的隐患。 2009 2009年，包括燃油税改革，汽车产业调整和振兴规划、购置税减半、年，包括燃油税改革，汽车产业调整和振兴规划、购置税减半、汽车下乡、汽车报废补贴、汽车以旧换新等一系列鼓励汽车消费利好政策汽车下乡、汽车报废补贴、汽车以旧换新等一系列鼓励汽车消费利好政策的密集出台，带动上半年汽车销量增长。的密集出台，带动上半年汽车销量增长。 GPS GPS地图数据发展迅猛，硬件逐步提高，扩展功能更加多元化地图数据发展迅猛，硬件逐步提高，扩展功能更

9、加多元化 。国内国内GPSGPS民用方面发展民用方面发展 6/66/6 GPSGPS基础概念基础概念 坐标系统坐标系统 时间系统时间系统 GPSGPS卫星星历卫星星历 导航电文和卫星信号导航电文和卫星信号 GPSGPS接收机的类型与工作原理接收机的类型与工作原理 GPSGPS坐标系统坐标系统坐标系统坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的义的. .在在GPSGPS定位中，通常采用两类坐标系统：一类是在空定位中，通常采用两类坐标系统：一类是在空间固定的坐标系，另一类是与地球体相固联的坐标系统间固定的坐标系，另一类是与地球体相固联的坐标系统. .坐标

10、系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一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标系称为协议坐标系协议坐标系. .为了确定用户接收机的位置，为了确定用户接收机的位置，GPSGPS卫星的瞬时位置通卫星的瞬时位置通常应化算到统一的地球坐标系统常应化算到统一的地球坐标系统. . GPSGPS时间系统时间系统在天文学和空间科学技术中，在天文学和空间科学技术中，时间系统时间系统是精确描述天是

11、精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。星进行定位的重要基准。为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由时间系统，由GPSGPS主控站的原子钟控制。主控站的原子钟控制。GPSGPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即际原子时的原点不同，即GPSTGPST与与IATIAT在任一瞬间均有一常在任一瞬间均有一常量偏差。量偏差。IAT-GPST = 19sIAT-GPST = 19

12、s，GPSGPS时与协调时的时刻，规定时与协调时的时刻，规定在在19801980年年1 1月月6 6日日0 0时一致，随着时间的积累，两者的差异时一致，随着时间的积累，两者的差异将表现为秒的整数倍将表现为秒的整数倍 GPSGPS时间系统时间系统在在GPSGPS卫星定位中，卫星定位中，时间系统时间系统的重要性表现在：的重要性表现在： GPSGPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求GPSGPS卫星的位置误差小于卫星的位置误差小于1 1cmcm，则

13、相应的时刻误差应小于则相应的时刻误差应小于2.6 2.6 10-610-6s s。 准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于传播时间。若要距离误差小于1 1cmcm，则信号传播时间的测则信号传播时间的测定误差应小于定误差应小于3 3 10-1110-11s s GPSGPS卫星轨道卫星轨道卫星轨道卫星轨道在在GPSGPS定位中的意义定位中的意义: :卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。和状态的参数称为轨道参数。1.1.卫星作为位

14、置已知的高空观测目标，在进行绝对定卫星作为位置已知的高空观测目标，在进行绝对定位时，卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；位时，卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；2.2.在相对定位时，当基线较长或精度要求较高时，轨在相对定位时，当基线较长或精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。道误差影响不可忽略。3.3.为了制订为了制订GPSGPS测量的观测计划和便于捕获卫星发射测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫星的轨道参数。的信号，也需要知道卫星的轨道参数。 GPSGPS卫星星历卫星星历卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某是描述卫星运动轨道的信息，是一组对

15、应某一时刻的轨道根数及其变率。一时刻的轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，度，GPSGPS卫星星历分为卫星星历分为预报星历预报星历和和后处理星历后处理星历。外推的星历实时提供精度不高计算后所得星历事后提供精度较高，达分米 GPSGPS卫星信号卫星信号关于关于GPSGPS卫星信号卫星信号GPSGPS卫星所发射信号包括载波信号、卫星所发射信号包括载波信号、P P码（或码（或Y Y码）、码）、C/AC/A码和数据码（或码和数据码（或D D码）等多种信号分量，而其中码）等多种信号分量，而其中P P码和码和C/AC/A码统称为

16、测距码。码统称为测距码。GPSGPS卫星信号的产生、构成和复制等，都涉及到现代卫星信号的产生、构成和复制等，都涉及到现代数字通信理论和技术方面的复杂问题。数字通信理论和技术方面的复杂问题。 GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码码码的概念的概念在现代数字通信中，广泛使用二进制数（在现代数字通信中，广泛使用二进制数（0 0和和1 1）及其）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为合，称为码。一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。码和信息量的度量单位。如果将

17、各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。过程称为编码。在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/sbit/s。 GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码随机噪声码随机噪声码既然码是用以表达各种信息的二进制数的组合，是一既然码是用以表达各种信息的二进制数的组合，是一组二进制的数码序列，则这一序列

18、就可以表达成以组二进制的数码序列，则这一序列就可以表达成以0 0和和1 1为为幅度的时间函数。幅度的时间函数。假设一组码序列假设一组码序列u(t)u(t)，对某一时刻来说，码元是对某一时刻来说，码元是0 0或或1 1完全是随机的，但出现的概率均为完全是随机的，但出现的概率均为1/21/2。这种码元幅度的。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为取值完全无规律的码序列，称为随机码序列（或随机噪声随机码序列（或随机噪声码序列）码序列）。它是一种非周期性序列，无法复制，但其自相。它是一种非周期性序列，无法复制，但其自相关性好。而相关性的好坏，对提高利用关性好。而相关性的好坏，对提高利用GPSGPS

19、卫星码信号测卫星码信号测距精度，极其重要。距精度，极其重要。 GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码伪随机噪声码伪随机噪声码尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用。序列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用。GPSGPS采用了一种伪随机噪声码（采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random Pseudo Random NoiceNoicePRNPRN）简称伪随机码或伪码。它的特点是：具有简称伪随机码或伪码。它的特点是：具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是随机码的良

20、好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。周期性的，容易复制。 GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码C/AC/A码码C/AC/A码：用于粗测距和捕获码：用于粗测距和捕获GPSGPS卫星信号的伪随机码。卫星信号的伪随机码。它是由两个它是由两个1010级反馈移位寄存器组合而产生。级反馈移位寄存器组合而产生。C/AC/A码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的为码元宽度的1/101/10 1/1001/100，则相应的测距误差为，则相应的测距误差为29.329.3 2.932.93m m。由于精度低，又称由于精度低，又

21、称粗码粗码。 GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码 P P码码 P P码是卫星的精测码，码率为码是卫星的精测码，码率为10.2310.23MHZMHZ，产生的原理产生的原理与与C/AC/A码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由1212级反馈移位寄存器构成。级反馈移位寄存器构成。P P码的周期长，码的周期长，267267天重复一次天重复一次。P P码的捕获一般是先码的捕获一般是先捕获捕获C/AC/A码，再根据导航电文信息，捕获码，再根据导航电文信息，捕获P P码。由于码。由于P P码的码的码元宽度为码元宽度为C/AC/A码的码的1/101/1

22、0，若取码元对齐精度仍为码元宽，若取码元对齐精度仍为码元宽度的度的1/1001/100，则相应的距离误差为，则相应的距离误差为0.290.29m m，仅为仅为C/AC/A码的码的1/101/10，故，故P P码称为码称为精码精码。P P码是专为码是专为军用军用！ GPSGPS卫星导航电文卫星导航电文GPSGPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和

23、由由C/AC/A码捕获码捕获P P码等导航信息。导航电文又称为码等导航信息。导航电文又称为数据码（或数据码（或D D码）码）。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有播送。每帧电文含有15001500比特，播送速度比特，播送速度5050bit/sbit/s，每帧每帧播送时间播送时间3030s s。 GPSGPS卫星导航电文卫星导航电文导航电文的格式：导航电文的格式：123451234567891030s6s0.02s0.6s子帧子帧4 4、5 5各含各含2525页页一个子帧一个子帧一个字码一个字码一个主帧一个主帧一个页面一个

24、页面 GPSGPS卫星导航电文卫星导航电文一帧导航电文的内容一帧导航电文的内容TLTLW WHOWHOW数据块数据块1 1时钟修正参数时钟修正参数TLTLW WHOWHOW数据块数据块2 2星历表星历表TLTLW WHOWHOW数据块数据块2 2星历表继续星历表继续TLTLW WHOWHOW数据块数据块3 3卫星历书等卫星历书等TLTLW WHOWHOW数据块数据块3 3卫星历书等卫星历书等子帧子帧 1 1一个子帧一个子帧6 6s s长，长，1010个字，每字个字，每字3030比特比特1 1帧帧3030s s15001500比特比特子帧子帧 3 3子帧子帧 4 4子帧子帧 5 5子帧子帧 2

25、2 GPSGPS卫星信号的载波和调制卫星信号的载波和调制GPSGPS卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数卫星信号包含三种信号分量：载波、测距码和数据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率据码。信号分量的产生都是在同一个基本频率f0=10.23MHzf0=10.23MHz的控制下产生，的控制下产生，GPSGPS卫星信号卫星信号示意图示意图如下如下基本频率基本频率10.2310.23MHzMHzL L1 1载波载波1575.421575.42MHzMHzL L2 2载波载波1227.601227.60MHzMHzC/AC/A码码1.0231.023MHzMHzP P码码10.2310.23M

26、HzMHzP P码码10.2310.23MHzMHz数据码数据码5050BPSBPS数据码数据码5050BPSBPS 154154 120120 1010 204600 204600 GPSGPS卫星信号的载波和调制卫星信号的载波和调制卫星取卫星取L L波段的两种不同电磁波频率为载波波段的两种不同电磁波频率为载波: :L1L1载波载波频率为频率为1575.421575.42MHzMHz，波长为波长为19.0319.03cmcm；L2L2载波载波频率为频率为1227.601227.60MHzMHz，波长为波长为24.4224.42cmcm。L1L1载波上，调制有载波上，调制有C/AC/A码、码、

27、P P码（或码（或Y Y码）和数据码；码）和数据码； L2L2载波上，只调制有载波上，只调制有P P码（或码（或Y Y码）和数据码。码）和数据码。GPSGPS卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载卫星的测距码和数据码是采用调相技术调制到载波上，且调制码的幅值只取波上，且调制码的幅值只取0 0或或1 1。如果码值取。如果码值取0 0，则对应，则对应的码状态取的码状态取+1+1；而码值取；而码值取1 1时，对应码状态为时，对应码状态为-1-1，载波和，载波和相应的码状态相乘后，即实现了载波的调制。相应的码状态相乘后，即实现了载波的调制。 GPSGPS卫星信号的解调卫星信号的解调为进行载波相位测

28、量，当用户接收到卫星发播的信号为进行载波相位测量，当用户接收到卫星发播的信号后，可通过以下两种解调技术来恢复载波相位。后，可通过以下两种解调技术来恢复载波相位。（1 1）复制码与卫星信号相乘复制码与卫星信号相乘：由于调制码的码值是：由于调制码的码值是用用 1 1的码状态来表示的，当把接收的卫星码信号与用户接的码状态来表示的，当把接收的卫星码信号与用户接收机产生的复制码，在两码同步的条件下相乘，即可去掉收机产生的复制码，在两码同步的条件下相乘，即可去掉卫星信号中的测距码而恢复原来的载波。卫星信号中的测距码而恢复原来的载波。（2 2）平方解调技术平方解调技术：将接收的卫星信号进行平方，：将接收的卫

29、星信号进行平方，由于处于由于处于+1+1状态的调制码经过平方后均为状态的调制码经过平方后均为+1+1，而，而+1+1对载波对载波相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。相位不产生影响。故卫星信号平方后，可达到解调目的。 GPSGPS接收机接收机天线前置放天线前置放大器大器信号处理信号处理器器微处理器微处理器导航计算机导航计算机震荡器震荡器用户信息用户信息传输传输数据存储器数据存储器外部传输外部传输电源电源 GPS GPS用户设备主要包括用户设备主要包括GPSGPS接收机及其天接收机及其天线、微处理机及其终端设备和电源等。接收线、微处理机及其终端设备和电源等。接收机和天线是核心部分，习

30、惯上统称为机和天线是核心部分，习惯上统称为GPSGPS接接收机。主要功能是接收收机。主要功能是接收GPSGPS卫星发射信号，卫星发射信号，并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。并进行处理，获取导航电文和必要的观测量。 GPSGPS接收机工作原理接收机工作原理当当GPSGPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的卫星的运行；对所接收到的GPSGPS信号，具有变换、放大和信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出处理的功能，以便测

31、量出GPSGPS信号从卫星到接收天线的传信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出播时间，解译出GPSGPS卫星所发送的导航电文，实时地计算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。出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPSGPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的需要一个多功能的GPSGPS数据测后处理软件包。接收机加处数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的理软件包，才是完整的GPSGPS信号用户设备。信号用户设备。 GPS GPS 内涵内涵 GPSGPS简史简史 GPSGPS的主要目的的主

32、要目的 GPSGPS构成构成 GPSGPS原理原理 GPSGPS简史简史 GPS GPS 是是Global Positioning Global Positioning SystemSystem（全球定位系统）的简（全球定位系统）的简称，中文简称为称，中文简称为“球位系球位系”。 GPSGPS是是2020世纪世纪7070年代由美国陆年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统间卫星导航定位系统 。 经过经过2020余年的研究实验，耗资余年的研究实验，耗资300300亿美元，到亿美元，到19941994年年3 3月，全月，全球覆盖率高达球覆盖率高达98%98

33、%的的2424颗颗GPSGPS卫卫星星座己布设完成星星座己布设完成 GPSGPS的主要目的的主要目的为陆、海、空三大领域提供实时、为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一的导航服务，并用于情报收集、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。些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。 GPSGPS构成构成 （1/31/3）1.1.空间部分空间部分 GPSGPS的空间部分是由的空间部分是由2424颗工作卫星组颗工作卫星组成成, ,它位于距地表它位于距地表2020200km200km的上空的上空, ,均匀均匀

34、分布在分布在6 6 个轨道面上个轨道面上( (每个轨道面每个轨道面4 4 颗颗) ,) ,轨道倾角为轨道倾角为5555。此外。此外, ,还有还有3 3 颗有源备颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到任何地方、任何时间都可观测到4 4 颗以上颗以上的卫星的卫星, ,并能在卫星中预存的导航信息。并能在卫星中预存的导航信息。GPSGPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。间的推移，导航精度会逐渐降低。 GPSGPS构成构成 （2/32/3）2. 2. 地面控制系统地面控制系

35、统 地面控制系统由监测站地面控制系统由监测站(Monitor Station)(Monitor Station)、主控制、主控制站站(Master Monitor Station)(Master Monitor Station)、地面天线、地面天线(Ground (Ground Antenna)Antenna)所组成所组成, ,主控制站位于美国科罗拉多州春田市主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息讯息, ,并计算卫星星历、相对距离并计算卫星星历、相对距离, ,大气校

36、正等数据。大气校正等数据。 GPSGPS构成构成 （3/33/3）3.3.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 GPS 信号接收机。其主要功能是能信号接收机。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，并跟踪这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信号后，就可些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率, ,解调出解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计

37、算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所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、高度、速度、时间等信息。接收机在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及硬件和机内软件以及GPS 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 GPS 用户设备。用户设备。GPS GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。元两部分。 GPSGPS原理原理 1/31/3GPSGPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到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

38、综合多颗卫星的数据就可知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。要达到这一目的，卫星的位置可以道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到再将其乘以光速得到( (由于大气层电离层的干扰，这一距由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PRPR）：）：当当GPSGPS

39、卫星正常工作时，会不断地用卫星正常工作时，会不断地用1 1和和0 0二进制码元组成二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。 GPSGPS原理原理 2/32/3 可见可见GPSGPS导航系统卫星部分的作导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维坐标除了用户的三维坐标x x、y y、z z外，还外，还要引进一个要引进一个tt即卫星与接收机之间即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后

40、用的时间差作为未知数，然后用4 4个方个方程将这程将这4 4个未知数解出来。所以如果个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要想知道接收机所处的位置，至少要能接收到能接收到4 4个卫星的信号。个卫星的信号。 GPSGPS原理原理 3/33/3 GPS GPS 种类种类 按接受机用途分按接受机用途分1/41/41. 1. 导航型接收机导航型接收机 此类型主要用于运动载体的导航，它可以实时给此类型主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。一般采用出载体的位置和速度。一般采用C/AC/A码伪距测量，单点实码伪距测量，单点实时定位精度较低时定位精度较低( (10m)10m)，

41、有，有SASA影响时为影响时为100m100m。 价格便价格便宜，应用广泛。根据应用领域不同，还可以进一步分为：宜，应用广泛。根据应用领域不同，还可以进一步分为： 车载型车载型用于车辆导航定位；用于车辆导航定位； 航海型航海型用于船舶导航定位；用于船舶导航定位； 航空型航空型用于飞机导航定位。要求适应高速运动用于飞机导航定位。要求适应高速运动 星载型星载型用于卫星的导航定位。要求更高。用于卫星的导航定位。要求更高。 GPS GPS 种类种类 按接受机用途分按接受机用途分2/42/42.2. 测地型接收机测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测量和工程测量。这测地型接收机主要用于精密大地测量

42、和工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。高。仪器结构复杂，价格较贵。 GPS GPS 种类种类 按接受机用途分按接受机用途分3/43/43.3.授时型接收机授时型接收机 这类接收机主要利用这类接收机主要利用GPSGPS卫星提供的高精度时间标准卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步。 GPS GPS 种类种类 按接受机用途分按接受机用途分4/44/44.4.车载车载GPSGPS当通过硬件和软件做成当通过硬件和软件做成GP

43、SGPS定位终端用于车辆定位的定位终端用于车辆定位的时候，称为车载时候，称为车载GPS,GPS,但光有定位还不行，还要把这个定位但光有定位还不行，还要把这个定位信息传到报警中心或者车载信息传到报警中心或者车载GPSGPS持有人那里，我们称为第持有人那里，我们称为第三方。所以三方。所以GPSGPS定位系统中还包含了定位系统中还包含了GSMGSM网络通讯（手机通网络通讯（手机通讯），通过讯），通过GSMGSM网络用短信的方式把卫星定位信息发送到网络用短信的方式把卫星定位信息发送到第三方。通过微机解读短信电文，在电子地图上显示车辆第三方。通过微机解读短信电文，在电子地图上显示车辆位置。这样就实现了车

44、载位置。这样就实现了车载GPSGPS定位。定位。 GPS GPS 种类种类 按接收机的载波频率分类按接收机的载波频率分类 单频接收机单频接收机 单频接收机只能接收单频接收机只能接收L1L1载波信号，测定载波相位观测进载波信号，测定载波相位观测进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（只适用于短基线（15km 双频接收机双频接收机 双频接收机可以同时接收双频接收机可以同时接收L1L1，L2L2载波信号。利用双频对载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁

45、波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。位。 GPS GPS 种类种类 按接收机通道数分类按接收机通道数分类GPSGPS接收机能同时接收多颗接收机能同时接收多颗GPSGPS卫星的信号，为了分离卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：接收机所具有的通道种类可分为： 多通道接收机多通道接收机 序贯通道接收机序贯通道接收

46、机 多路多用通道接收机多路多用通道接收机 GPS GPS 种类种类 按接收机工作原理分类按接收机工作原理分类 1/21/2 码相关型接收机码相关型接收机 码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。 平方型接收机平方型接收机 平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号号, ,来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产来恢复完整的载波信号，通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。距观测值。 GPS G

47、PS 种类种类 按接收机工作原理分类按接收机工作原理分类 2/22/2 混合型接收机混合型接收机 这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。相位伪距，也可以得到载波相位观测值。 干涉型接收机干涉型接收机这种接收机是将这种接收机是将GPSGPS卫星作为射电源，采用干涉测量方卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。法，测定两个测站间距离。 GPSGPS全球定位系统原理全球定位系统原理GPSGPS定位原理定位原理差分差分GPSGPS测量原理测量原理 GPSGPS定位原理定位原理 GPSGPS绝对定

48、位原理绝对定位原理 利用利用GPSGPS进行绝对定位的基本原理，是以进行绝对定位的基本原理，是以GPSGPS卫星和用户接收机天线卫星和用户接收机天线之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收之间的距离观测量为基准，根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机天线所在的位置。机天线所在的位置。实质是空间距离后方交会实质是空间距离后方交会。又称。又称伪距离测量伪距离测量。1 1、动态绝对定位动态绝对定位：当用户接收设备安置：当用户接收设备安置在运动的载体上，确定载体瞬时绝对位置在运动的载体上，确定载体瞬时绝对位置的定位方法；的定位方法；2 2、静态绝对定位静态绝对定位：当接收机天线

49、处于静：当接收机天线处于静止状态时，来确定观测站绝对坐标的方法。止状态时，来确定观测站绝对坐标的方法。 由于伪距有测码伪距和测相伪距之分，由于伪距有测码伪距和测相伪距之分，所以，绝对定位又可分为测码伪距绝对定所以，绝对定位又可分为测码伪距绝对定位和测相伪距绝对定位。位和测相伪距绝对定位。 GPSGPS相对定位原理（差分相对定位原理（差分GPSGPS定位）定位）1/21/2静态相对定位静态相对定位：用两台接收机分别安置在基线的两端点，其位置静止：用两台接收机分别安置在基线的两端点，其位置静止不动，同步观测相同的不动，同步观测相同的4 4颗以上颗以上GPSGPS卫星，确定基线两端点在协议地球卫星，

50、确定基线两端点在协议地球坐标系中的相对位置。采用载波相位观测量为基本观测量。坐标系中的相对位置。采用载波相位观测量为基本观测量。优点优点：精度高。：精度高。缺点缺点：观测时间长。：观测时间长。 动态相对定位动态相对定位：用两台用两台GPSGPS接收机，将一台接收机安设在基准站上固接收机，将一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位精度。而运动点位置是通过确定该点相对基准