培訓(xùn)教材-gps基礎(chǔ)

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1、GPS測量基礎(chǔ)160-160-一、什么是GPS？GPS有什么作用？GPS是NAVSTARGPS（NAVigationSystemwithTimeAndRangingGlobalPositioningSystem）的簡稱，即授時與測距全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)?！拔椰F(xiàn)在地球什么位置？”是長期困擾人們的問題，GPS的出現(xiàn)使得這一問題得以完美的解決。對于這一問題，一個很容易的想到解決辦法，就是通過觀察自己周圍的物體，將其作為參照物，從而確定自己的相對位置。但是，當(dāng)周圍沒有任何參照物時，例如在沙漠或海洋中，怎么辦？幾百年來，人們

2、通過觀察太陽和恒星，來解決定位和導(dǎo)航問題，在陸地上測量員和探險家也利用類似的參考點，進行測量工作和指示方向。然而，這種方法具有相當(dāng)?shù)膱D1GPS的作用局限性，如當(dāng)有云層出現(xiàn)時，太陽和恒星無法看見，另外，即使使用很高精度的觀測，定位的精度也不是很高。第二次世界大戰(zhàn)后，美國國防部對提高絕對定位精度的重要性的認(rèn)識，提高到新的高度，在隨后的25年中，相繼啟動了多項研究和試驗，包括傳輸、定時…等，所有這些項目均可實現(xiàn)定位，但在精度和性能方面，仍不盡人意。從70年代起，GPS作為一個新的項目提出，項目設(shè)想可以滿足美國政府各部

3、門的需求，聲稱在任何時間、任何地點、任何氣象條件下，均可自己精確確定自己的位置。GPS是基于衛(wèi)星的定位系統(tǒng)，它利用24顆衛(wèi)星協(xié)同工作，為用戶提供高精度的定位信息?！熬_”的概念對于不同的場合有著不同的意義，對于旅行和士兵來說，15米即可滿足需要，對于海洋中的船只，5米的精度即可視為精確，而對于陸地測量員來說，“精確”是指要有1cm甚至更高的精度。GPS可滿足上述不同的應(yīng)用場合的要求，其差別在于所使用的設(shè)備和技術(shù)不同。GPS的設(shè)計初衷是應(yīng)用于軍事上目的，在地球上任何時間、任何地點快速定位。隨著這一設(shè)計目標(biāo)的實現(xiàn)，

4、人們發(fā)現(xiàn)除在軍事中應(yīng)用外，GPS在民用行業(yè)中也可以得到廣泛的應(yīng)用，最先應(yīng)用GPS的民用行業(yè)是航海和測量，如今其應(yīng)用的領(lǐng)域已經(jīng)從汽車營運的管理到工業(yè)自動化等諸多領(lǐng)域。二、GPS的系統(tǒng)概述GPS的系統(tǒng)構(gòu)成可以概括為三個部分：（1）空間部分―――人造地球衛(wèi)星；（2）監(jiān)制部分―――分布在地球赤道上的若干個衛(wèi)星監(jiān)控站；（3）用戶部分―――用于接收衛(wèi)星信號的設(shè)備。圖2GPS衛(wèi)星分布2.1空間部分空間部分設(shè)計有24顆衛(wèi)星組成，其運行軌道的高度約為20200km，環(huán)繞地球運行的周期約為12小時。當(dāng)前實際投入使用的衛(wèi)星為26顆。

5、空間部分這樣的設(shè)計，可以使得在地球上任何時間、任何地點均可觀測到高度角在15°160-160-以上的衛(wèi)星數(shù)，不少于4顆。4顆衛(wèi)星可見是大多數(shù)應(yīng)用場合要求的最少衛(wèi)星數(shù)。實踐表明，絕大多數(shù)情況下，最少有5顆衛(wèi)星在15°高度角以上，可見衛(wèi)星數(shù)通常為6－7顆。在每一個衛(wèi)星上都安裝有高精度的原子鐘，在原子鐘的控制下，產(chǎn)生出10.23MHz的基準(zhǔn)頻率，該基準(zhǔn)頻率用于產(chǎn)生衛(wèi)星對地發(fā)送的各種信號。衛(wèi)星信號通常有兩個不同頻率的載波信號組成，它們位于L波段（該波段用于收音機），以光速向地球傳播，載波信號是由受控于高精度原子鐘的基準(zhǔn)

6、頻率產(chǎn)生的：圖3衛(wèi)星信號的組成L1載波信號的頻率為1575.42MHz（由基準(zhǔn)頻率經(jīng)154倍頻得到，即10.23*154=1575.42）；L2載波信號的頻率為1227.60MHz（由基準(zhǔn)頻率經(jīng)120倍頻得到，即（10.23*120=1227.60）；在L1載波信號上調(diào)制有C/A碼，也稱粗碼/捕捉碼，碼的頻率為1.023MHz，由基準(zhǔn)頻率經(jīng)10倍分頻得到（即10.23÷10=1.023）。2.2監(jiān)控部分控制空間部分由5個監(jiān)控站組成，其中一個為主控站、另外4個安裝有地面天線，分布在接近赤道的5個不同位置。圖4地面

7、監(jiān)控站控制部分的功能為監(jiān)控衛(wèi)星的軌道位置，修正和同步衛(wèi)星原子鐘。另外一個很重要的功能是確定每顆衛(wèi)星的軌道，并對其進行24小時預(yù)報，這些信息上載到衛(wèi)星，再由衛(wèi)星對地廣播，這樣地面用戶接收機知道每顆的可見時間。衛(wèi)星信號由設(shè)在阿森松島、第哥島、加西亞和夸賈林環(huán)礁的監(jiān)控站測量，測量數(shù)據(jù)傳送到設(shè)在科羅拉多州的主控站，通過計算處理確定每顆衛(wèi)星的誤差大小，再發(fā)送回4個監(jiān)控站，由監(jiān)控站天線發(fā)送到衛(wèi)星。2.3用戶部分用戶部分由任何接收GPS信號，從而確定位置和時間的設(shè)備組成。典型的應(yīng)用如旅游、交通導(dǎo)航、測量、航海、航空和機械控制

8、等。圖5GPS應(yīng)用160-160-三、GPS定位的基本原理應(yīng)用GPS定位可由幾種不同的方法實現(xiàn)，主要依據(jù)需要的精度和使用的設(shè)備類型而定。大體來說，這些技術(shù)可以分為三類：（1）單機定位：使用一臺GPS接收機，主要用于旅行、航海和軍事。定位精度對于民用目的精度優(yōu)于100米，而對于軍隊用戶精度可達(dá)20米。圖6GPS單機定位（2）修正差分定位：也常稱為DGPS，其定位精度可達(dá)0.5—5米，多用