GPS定位导航系统

什么是GPS定位导航系统
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10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，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，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

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不仅在测量，导航，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
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
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。

什么叫GPS、GPS的原理
GPS即全球定位系统（Global Positioning System）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10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、
高效益等显著特点，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、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形
监测、资源勘察、动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术
革命。

全球定位系统（Global Positioning System）是美国第二代卫星导航系统。

是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。

和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。

按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。

21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。

卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。

这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。

监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。

监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。

主控站设在范登堡空军基地。

它对地面监控部实行全面控制。

主控站主要任务是收集各监控站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。

上行注入站也设在范登堡空军基地。

它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。

这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。

全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。

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的基本定位原理是：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。

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 。

GLONASS全球导航卫星系统
GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)
的字头缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫
星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。

现在
由俄罗斯空间局管理。

GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的
轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小
时15分，轨道倾角64.8°。

与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（GPS 是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。

每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为
L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=1～24为每颗卫星的频率编号。

所有GPS卫星的载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。

GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。

俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。

GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。

GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量1400kg，设计轨道寿命5年。

所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。

第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。

到目前为止，共发射了80余颗GLONASS卫星，最近一次是2000年10月13日发射了三颗卫星。

截止2001年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行。

为进一步提高Glonass系统的定位能力，开拓广大的民用市场，俄政府计划用4年时间将其更新为Glonass-M 系统。

内容有：改进一些地面测控站设施；延长卫星的在轨寿命到8年；
实现系统高的定位精度：位置精度提高到10～15m，定时精度提高到20～30ns，速度精度达到0.01m／s。

另外，俄计划将系统发播频率改为GPS的频率，并得到美罗克威尔公司的技术支援。

GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的测量应用、GIS应用和时频应用等。

GLONASS系统和GPS系统的比较
GPS+GLONASS系统对纯GPS系统的改进
1) 可见卫星数增加一倍：GLONASS卫星星座组网完成后，可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。

在地平线以上的可见卫星数纯GPS系统时，一般为7-11颗；GPS+GLONASS系统则可达到14-20颗。

在山区或城市中，有时因障碍物遮挡，纯GPS可能无法工作，GPS+GLONASS则可以工作。

2) 提高生产效率：在测量应用中，GPS测量所需要的观测时间取决于求解载波相位整周模糊度所需要的时间。

观测时间越长或可观测到的卫星数越多，则用于求解载波相位整周模糊度的数据也就越多，求解结果的可靠性越好。

为了提高生产效率，常使用快速定位、实时动态测量（RTK）或后处理动态测量。

但要满足一定的精度要求，必须
正确求解载波相位整周模糊度，可观测到的卫星数增加得越多，则求解载波相位整周模糊度所需要的观测时间就可缩短得越多，因此GPS+GLONASS可以提高生产效率。

3) 提高观测结果的可靠性：用卫星系统进行测量定位的观测结果的可靠性主要决定于用于定位计算的卫星颗数。

因此GPS+GLONASS将大大提高观测结果的可靠性。

4) 提高观测结果的精度：观测卫星相对于测站的几何分布(DOP值)直接影响观测结果的精度。

可观测到的卫星越多，则可以大大改善观测卫星相对于测站的几何分布，从而提高观测结果的精度。

小常识：
GLONASS系统从理论上有24颗卫星，但由于卫星使用寿命和资金紧张等问题，实际上目前只有8颗。

“伽利略”卫星定位系统(GNSS系统) 什么是“伽利略”计划
说起卫星定位导航系统，人们就会想到GPS，但是现在，伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星定位导航系统有了一个全新的称呼：GNSS。

当前，在这一领域最吸引人眼球的除了GPS外，就是欧盟和我国合作的“伽利略”导航卫星系统。

“伽利略”计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案。

“伽利略”卫星导航定位系统的建立将于2007年底之前完成，2008年投入使用，总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。

卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。

该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。

“伽利略”系统将为欧盟成员国和中国的公路、铁路、空中和海洋运输甚至徒步旅行者有保障地提供精度为1米的定位导航服务，从而也将打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。

按计划，首批两枚实验卫星将于2005年末和2006年发射升空。

“伽利略”定位系统的优势
“伽利略”系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，在2008年投入运行后，全球的用户将使用多制式的接收机，获得更多的导航定位卫星的信号，将无形中极大地提高导航定位的精度，这是“伽利略”计划给用户带来的直接好处。

另外，由于全球将出现多套全球导航定位系统，从市场的发展来看，将会出现GPS系统与“伽利略”系统竞争的局面，竞争会使用户得到更稳定的信号、更优质的服务。

世界上多套全球导航定位系统并存，相互之间的制约和互补将是各国大力发展全球导航定位产业的根本保证。

“伽利略”计划是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位功能。

“伽利略”系统还能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS 系统实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用一个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。

“伽利略”系统可以发送实时的高精度定位信息，这是现有的卫星导航系统所没有的，同时“伽利略”系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能在几秒钟内通知客户。

与美国的GPS相比，“伽利略”系统更先进，也更可靠。

美国GPS向別国提供的卫星信号，只能发现地面大约10米长的物体，而“伽利略”的卫星则能发现1米长的目标。

一位军事专家形象地比喻说，GPS系统，只能找到街道，而“伽利略”则可找到家门。

我国参与“伽利略”计划
目前全世界使用的导航定位系统主要是美国的GPS系统，欧洲人认为这并不安全。

为了建立欧洲自己控制的
民用全球导航定位系统，欧洲人决定实施“伽利略”计划。

2003年9月18日，欧盟和中国草签了中国参与“伽利略”计划的协议。

2004年10月9日，双方又签署了此项目的技术合作协议；因而引发美国媒体发出美国可能击毁“伽利略”卫星的报道。

可见，此项目不但具有极高经济价值，也深具政治和军事战略意义。

参与“伽利略”计划是迄今为止我国与欧洲最大的合作计划。

全球导航定位系统的应用十分广泛，从经济建设、国防建设等各方面来考虑，我国都应该建立自己的全球导航定位系统。

比如，将来我们建立起全国的车辆定位系统后，如果我们没有其他导航定位系统而只依靠GPS系统，那么一旦出现意外情况，将使整个交通系统瘫痪。

“伽利略”计划总值36亿欧元，2004年10月9日，中欧伽利略计划技术合作协议在北京正式签署，中国将投入2亿欧元参与“伽利略计划”，约5％。

据悉，中国是正式加入“伽利略计划”的第一个非欧盟国家，这标志着我国航天事业在国际合作领域迈出走向欧洲化的第一大步。

北斗卫星导航定位系统
什么是北斗导航系统？
北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有
源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄
罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。

系统构成与工作原理
北斗卫星定位系统由两颗地球静止卫星(800E和1400E)、
一颗在轨备份卫星(110.50E)、中心控制系统、标校系统和各
类用户机等部分组成。

系统的工作过程是：首先由中心控制系
统向卫星Ⅰ和卫星Ⅱ同时发送询问信号，径卫星转发器项服
务区内的用户广播。

用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同
时向两颗卫星发送响应信号，径卫星转发回中心控制系统。

中
心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用的申请服
务内容进行相应的数据处理。

对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。

由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。

另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。

从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。

北斗卫星定位系统覆盖范围是北纬5°～55°，东经70°～140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。

其定位精度为水平精度100m(1 σ)，设立标校站之后为20 m(类似差分状态)。

工作频率：2 491.75 MHz。

系统能容纳的用户数为每小时540 000户。

由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户位置，所以被称为“有源定位”。

北斗系统三大功能
快速定位：北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务，定位精度20—100m；
短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息；
精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。

系统的优势与劣势
优势：
∙和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS相比，增加了通讯功能。

∙全天候快速定位，与GPS精度相当。

∙安全可靠，保密性强。

劣势：
∙北斗系统属于有源定位系统，系统容量有限，定位终端比较复杂。

∙北斗系统属于区域定位系统，目前只能为中国以及周边地区提供定位服务。

北斗系统的应用
2000年，北斗导航定位系统两颗卫星成功发射，标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航定位系统，这对于满足我国国民经济、国防建设的需要，促进我国卫星导航定位事业的发展，具有重大的经济和社会意义。

北斗导航定位系统由北斗导航定位卫星、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部分组成。

北斗导航定位系统服务区域为中国及周边国家和地区，它可以在服务区域内任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度信息，并提供双向短报文通信和精密授时服务。

北斗系统可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业，以及军队、公安、海关等其他有特殊指挥调度要求的单位。

北斗应用五大优势
∙同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持；
∙覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区；
∙特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；
∙独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪”和“你在哪”；
∙自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。

GIS数据采集系统
GIS系统即地理信息系统(GIS, Geographic Information System) 是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。

GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。

这种能力使GIS与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。

地理信息系统是随着地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一个学科。

在计算机发展史上，在计算机发展史上，计算机辅助设计技术（CAD）的出现使人们可以用计算机处理象图形这样的数据，图形数据的标志之一就是图形元素有明确的位置坐标，不同图形之间有各种各样的拓扑关系。

简单地说，拓扑关系指图形元素之间的空间位置和连接关系。

简单的图形元素如点、线、多边形等；点有坐标（x, y）；线可以看成由无数点组成，线的位置就可以表示为一系列坐标对（x1, y1），（x2, y2），……（xn, yn）；平面上的多边形可以认为是由闭合曲线形成范围。

图形元素之间有多种多样的相互关系，如一个点在一条线上或在一个多边形内，一条线穿过一个多边形等等。

在实际应用中，一个地理信息系统要管理非常多、非常复杂的数据，可能有几万个多边形，几万条线，上万个点，还要计算和管理它们之间的各种复杂的空间关系……。

地理信息系统是将计算机硬件、软件、地理数据以及系统管理人员组织而成的对任一形式的地理信息进行高效获取、存储、更新、操作、分析及显示的集成。

地理信息系统技术广泛应用于农业、林业、国土资源、地矿、军事、交通、测绘、水利、广播电视、通讯、电力、公安、社区管理、教育、能源等几乎所有的行业，并正在走进人们日常的工作、学习和生活中。

地理信息系统的主要计算机硬件是工作站和微机。

地理信息系统的主要计算机操作系统软件是UNIX、Windows9X、Windows NT、Windows2000、Macintosh等。

地理信息系统的主要计算机应用软件是ARC/INFO、MGE、GeoMedia、GenaMap、MapInfo、AutoDesk Map、ArcView、MapObjects、MapX、Maptitude、MapGIS、GeoStar、MapEngine等。

地理信息系统的主要基础地理数据比例尺为1:400万、1:100万、1:25万、1:5万、1:1万、1:2000、1:1000
和1:500等；基础地理数据种类为数字线划图（DLG）、数字栅格图（DRG）、数字正射影象图（DOQ）和数字高程模型（DEM）等。

GIS 地理信息系统相关技术
GIS与其他几种信息系统密切相关，但由于其处理和分析地理数据的能力使其与它们相区别。

尽管没有什么硬性的和快速的规则来给这些信息系统分类，但下面的讨论可以帮助区分GIS和桌面制图、计算机辅助设计CAD、遥感、DBMS、以及GPS技术。

桌面制图。