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GPS系统原理介绍

阅读次数:1687 发表于：2011-01-27

GPS全球卫星定位导航系统(Global Positioning System-GPS)是美国从本世纪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。经近20年我国各个部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，并在民用领域最早成功地应用于船舶航海导航。
　　随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。

GPS系统的特点:
1、全球，全天候工作：
　能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。
2、定位精度高：
　单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。
3、功能多，应用广：
　随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在导航、测量、测速、测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。

GPS发展
在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统。
1、无线电导航系统
　·罗兰--C：工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM，一般精度200-300M。
　·Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。
　·多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。
　　缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。
2、卫星定位系统
　　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迫切要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。
3、GPS发展历程
　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。

GPS原理
1、GPS系统的组成
　　GPS由三个独立的部分组成：
　　● 空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星。
　　● 地面支撑系统：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。
　　GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。
2、GPS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。如图所示，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以下四个方程式：

　　上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。
　　　　di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。
　　　　△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。
　　　　c为GPS信号的传播速度（即光速）。

　　四个方程式中各个参数意义如下：
　　　　x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。
　　　　xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，
　　可由卫星导航电文求得。
　　　　 Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。
　　　　 Vto为接收机的钟差。

　　由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。

DGPS原理
　　目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。
　差分GPS分为两大类：伪距差分和载波相位差分。
　1．伪距差分原理 ---- 主要应用于高精度航海领域
这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。
这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”
　2．载波相位差分原理 ----- 主要应用于高精度测量领域
载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。
载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。