GPS基础知识培训
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GPS基础知识培训
2020年5月22日星期五
目录
第一节 GPS系统的发展过程及系统组成 第二节 GPS的测距原理及实现 第三节 GPS的现代化
第一节 GPS系统的发展过程及 系统组成
什么是GPS
GPS: NAVSTAR GPS-----Navigation System
with Time and Ranging Global Positioning System 导航授时测距全球定位系统。
测量用户接收机到卫星的距离
卫星离地球的平均距离为 20200 公里； 如何实现精确、快速测距 ?
测量卫星信号到用户接收机的传输时间 生活中的测距实例： • 判断闪电离我们有多远 • 判断绽放的礼花离我们有多远
我们得到的启示：通过测量时间延迟来计算距离
我们举例说明如何测量两个人之间的距离 使用“同步技术”，利用声波来测量两个人之间的 距离。
差分定位
在测量上，由于导航方式的定位精度太低，因此，我们 主要利用差分定位的方式进行测量，引入差分的目的就是为 了消除GPS测量中的系统误差。
根据对误差的分析，我们可以知道，在一定距离范围内 的两个观测站同时进行单点定位时，系统误差对两个观测站 的影响大体上相同。因此，差分的基本原理是同时使用两台 或两台以上的GPS接收机进行测量，通常一台接收机固定不动， 架设在已知点上作为基准站（Base Station），另一台作为 游动站（Rover Station），以固定（静态）的方式或流动（ 动态）的方式放置在待测点上。
最终的卫星分布能保证在地球上任何一个 地方任何时间至少可以同时看到4颗卫星
。
控制部分：
包括一个主控站，三个注入站，五个监 测站组成。它们的作用在于：连续的监 测 与控制卫星系统；确定GPS系统时间；预报 卫星星历与卫星钟状态；周期性的更新每颗 卫星上的导航电文。
用户部分： 各种类型的用户接收机和相关设备等。
是一个基于卫星的无线电导航定位系统， 为有适当仪器的用户提供精密的三维坐标，导航 与时间信息。
1.1.GPS系统的发展过程
GPS系统由美国从1973年开始研制，起初完 全是一个军用导航系统，从1983年开始用于解决 大地测量问题。系统的最终构成在1993/1994年间 完成。
1.2.GPS系统的组成
同步声波特点：频率一样，结构一致
初始状态
通过1/8) 拍延时
红色信号部分是通过“等待”了 (1/4 + 1/8) 拍来得到和 绿色信号同步的，即二者的时延就是 (1/4 + 1/8) 拍。
聆 听 者
从聆听者的角度来说，当两首歌曲听起来感觉没有一 前一后的效果时，就可以认为两首歌曲已经达到同步 效果了，是同时到达聆听者的耳朵里。这个效果是由 红色信号部分人为地加上延时造成的。
基准站与游动站同时观测相同的卫星，基准站利用接收 到的卫星信号进行单点定位解算，然后用解算结果与已知点 坐标进行比较，从而获得误差的改正值，再利用无线数据链 路（或后处理软件）将改正值传给游动站，流动站将该数据 与本身观测到的数据进行差分解算，从而得到流动站与基准 站之间的具有较高精度的相对位置。
和导航信息, L2主要携带P码（Y码）。而导航信息 也被称为广播星历, 包含GPS卫星的轨道参数、卫星 钟改正数和其它系统参数。
1.4.GPS定位
定位基本原理： 以用户至4颗卫星的伪距的观测值，在适当
的参考坐标系中根据已知的卫星坐标确定用户天 线的坐标。
定位方程
GPS系统指标
卫星颗数： 24+7 轨道面数： 6 轨道倾角： 55° 轨道高度： 20,183公里 运行周期： 11小时58分 载波频率： L1:1575.42 Mhz,
其作用是捕获卫星信号，并对接收到的卫星信号 进行变换、放大和处理，测量出卫星信号从卫星 到接收机天线的传播时间，解译出卫星所发送的 导航电文，实时地解算出测量点的三维坐标、速 度和时间。
1.3.GPS信号
GPS信号： GPS信号卫星向广大用户发送的用于导航定
位的已调波，其载波处于L波段。 L1载波：1575.42MHZ , 波长为9.03cm L2载波：1227.60MHZ , 波长为24.42cm 其中L1载波携带伪码(C/A码)、P码（Y码）
L2:1224.60 Mhz 传输方式： 码分多址 调制码： C/A, P
第二节 GPS的测距原理及实现
2.1 GPS 定位步骤
• 要解算用户的三维坐标位置，必须有若干个已知参考点 • 要解算出用户到参考点的基线结果，必须解空间三角形 • 要解三角形，必须测量用户接收机到卫星的距离 • 要测量距离，必须测量卫星信号到用户接收机的传输时间 • 用测量卫星信号的传输时间，需要使用“码相位技术” • 要得到精确结果，还要消除信号在传输路径上的误差
通过测定红色信号的延时值，可以得到 两点间的距离。
距离 = Δt × 声速
2.2 误差来源：
单一伪距测量误差； 卫星几何图形结构。
单一伪距测量误差： 1、与GPS卫星有关的误差 卫星星历误差；卫星钟误差 2、与信号传播路径有关的误差 电离层衰减、畸变；对流层时移；多径 效应 3、与接收机有关的误差 接收机钟误差；模型算法误差。
卫星几何图形结构：
在GPS定位中，常采用几何误差放大因子来 表示几何图形强度。
RDOP：相对定位几何精度因子，取决于定 位星座的几何结构
GDOP：几何精度因子，描述空间位置误差 和时间误差综合影响的精度因子
GPS定位时的误差可以用总的等效距离误差 和几何误差放大因子GDOP的乘积来表示。
消除、削弱上述误差影响的方法有以下几种： 1、建立误差改正模型 2、求差法（差分） 3、选择较好的硬件和较好的观测条件 4、是设法增强几何强度，减小DOP值。
GPS系统由三部分组成： 空间部分----主动式工作卫星； 控制部分----一个主控站，三个注入
站，五个监 测站组成 用户部分----不同类型的接收机和相
关设备及软件等。
空间部分：
由24颗卫星加N颗主动式备用卫星组 成。卫星分布在轨道倾角为55度的六个近 似圆形的轨道面上。轨道运行的周期为精 确的11小时58分恒星时。
2020年5月22日星期五
目录
第一节 GPS系统的发展过程及系统组成 第二节 GPS的测距原理及实现 第三节 GPS的现代化
第一节 GPS系统的发展过程及 系统组成
什么是GPS
GPS: NAVSTAR GPS-----Navigation System
with Time and Ranging Global Positioning System 导航授时测距全球定位系统。
测量用户接收机到卫星的距离
卫星离地球的平均距离为 20200 公里； 如何实现精确、快速测距 ?
测量卫星信号到用户接收机的传输时间 生活中的测距实例： • 判断闪电离我们有多远 • 判断绽放的礼花离我们有多远
我们得到的启示：通过测量时间延迟来计算距离
我们举例说明如何测量两个人之间的距离 使用“同步技术”，利用声波来测量两个人之间的 距离。
差分定位
在测量上，由于导航方式的定位精度太低，因此，我们 主要利用差分定位的方式进行测量，引入差分的目的就是为 了消除GPS测量中的系统误差。
根据对误差的分析，我们可以知道，在一定距离范围内 的两个观测站同时进行单点定位时，系统误差对两个观测站 的影响大体上相同。因此，差分的基本原理是同时使用两台 或两台以上的GPS接收机进行测量，通常一台接收机固定不动， 架设在已知点上作为基准站（Base Station），另一台作为 游动站（Rover Station），以固定（静态）的方式或流动（ 动态）的方式放置在待测点上。
最终的卫星分布能保证在地球上任何一个 地方任何时间至少可以同时看到4颗卫星
。
控制部分：
包括一个主控站，三个注入站，五个监 测站组成。它们的作用在于：连续的监 测 与控制卫星系统；确定GPS系统时间；预报 卫星星历与卫星钟状态；周期性的更新每颗 卫星上的导航电文。
用户部分： 各种类型的用户接收机和相关设备等。
是一个基于卫星的无线电导航定位系统， 为有适当仪器的用户提供精密的三维坐标，导航 与时间信息。
1.1.GPS系统的发展过程
GPS系统由美国从1973年开始研制，起初完 全是一个军用导航系统，从1983年开始用于解决 大地测量问题。系统的最终构成在1993/1994年间 完成。
1.2.GPS系统的组成
同步声波特点：频率一样，结构一致
初始状态
通过1/8) 拍延时
红色信号部分是通过“等待”了 (1/4 + 1/8) 拍来得到和 绿色信号同步的，即二者的时延就是 (1/4 + 1/8) 拍。
聆 听 者
从聆听者的角度来说，当两首歌曲听起来感觉没有一 前一后的效果时，就可以认为两首歌曲已经达到同步 效果了，是同时到达聆听者的耳朵里。这个效果是由 红色信号部分人为地加上延时造成的。
基准站与游动站同时观测相同的卫星，基准站利用接收 到的卫星信号进行单点定位解算，然后用解算结果与已知点 坐标进行比较，从而获得误差的改正值，再利用无线数据链 路（或后处理软件）将改正值传给游动站，流动站将该数据 与本身观测到的数据进行差分解算，从而得到流动站与基准 站之间的具有较高精度的相对位置。
和导航信息, L2主要携带P码（Y码）。而导航信息 也被称为广播星历, 包含GPS卫星的轨道参数、卫星 钟改正数和其它系统参数。
1.4.GPS定位
定位基本原理： 以用户至4颗卫星的伪距的观测值，在适当
的参考坐标系中根据已知的卫星坐标确定用户天 线的坐标。
定位方程
GPS系统指标
卫星颗数： 24+7 轨道面数： 6 轨道倾角： 55° 轨道高度： 20,183公里 运行周期： 11小时58分 载波频率： L1:1575.42 Mhz,
其作用是捕获卫星信号，并对接收到的卫星信号 进行变换、放大和处理，测量出卫星信号从卫星 到接收机天线的传播时间，解译出卫星所发送的 导航电文，实时地解算出测量点的三维坐标、速 度和时间。
1.3.GPS信号
GPS信号： GPS信号卫星向广大用户发送的用于导航定
位的已调波，其载波处于L波段。 L1载波：1575.42MHZ , 波长为9.03cm L2载波：1227.60MHZ , 波长为24.42cm 其中L1载波携带伪码(C/A码)、P码（Y码）
L2:1224.60 Mhz 传输方式： 码分多址 调制码： C/A, P
第二节 GPS的测距原理及实现
2.1 GPS 定位步骤
• 要解算用户的三维坐标位置，必须有若干个已知参考点 • 要解算出用户到参考点的基线结果，必须解空间三角形 • 要解三角形，必须测量用户接收机到卫星的距离 • 要测量距离，必须测量卫星信号到用户接收机的传输时间 • 用测量卫星信号的传输时间，需要使用“码相位技术” • 要得到精确结果，还要消除信号在传输路径上的误差
通过测定红色信号的延时值，可以得到 两点间的距离。
距离 = Δt × 声速
2.2 误差来源：
单一伪距测量误差； 卫星几何图形结构。
单一伪距测量误差： 1、与GPS卫星有关的误差 卫星星历误差；卫星钟误差 2、与信号传播路径有关的误差 电离层衰减、畸变；对流层时移；多径 效应 3、与接收机有关的误差 接收机钟误差；模型算法误差。
卫星几何图形结构：
在GPS定位中，常采用几何误差放大因子来 表示几何图形强度。
RDOP：相对定位几何精度因子，取决于定 位星座的几何结构
GDOP：几何精度因子，描述空间位置误差 和时间误差综合影响的精度因子
GPS定位时的误差可以用总的等效距离误差 和几何误差放大因子GDOP的乘积来表示。
消除、削弱上述误差影响的方法有以下几种： 1、建立误差改正模型 2、求差法（差分） 3、选择较好的硬件和较好的观测条件 4、是设法增强几何强度，减小DOP值。
GPS系统由三部分组成： 空间部分----主动式工作卫星； 控制部分----一个主控站，三个注入
站，五个监 测站组成 用户部分----不同类型的接收机和相
关设备及软件等。
空间部分：
由24颗卫星加N颗主动式备用卫星组 成。卫星分布在轨道倾角为55度的六个近 似圆形的轨道面上。轨道运行的周期为精 确的11小时58分恒星时。