高中地理 全球定位系统(gps)的原理介绍

全球定位系统全球定位系统（GPS：Global Positioning System）是利用卫星星座（通信卫星）、地面控制部分和信号接收机对对象进行动态定位的系统。

GPS能对静态、动态对象进行动态空间信息的获取，快速、精度均匀、不受天气和时间的限制反馈空间信息。

全球定位系统（GlobalPositioningSystem-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。

全球定位系统(GlobalPositioningSystem，缩写GPS)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。

1 全球定位系统的基本原理GPS系统包括三大部分：空间部分?GPS卫星星座；地面控制部分?地面监控系统；用户设备部分?GPS信号接收机。

1）空间部分GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。

此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。

卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。

这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

GPS 卫星产生两组电码, 一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。

C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。

图2 GPS卫星分布图2）地面控制部分地面控制部分由一个主控站，5 个全球监测站和 3 个地面控制站组成。

监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。

监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。

主控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站。

地面控制站在每颗卫星运行至上空时，把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。

这种注入对每颗GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。

如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。

3）用户设备部分用户设备部分即GPS 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,并跟踪这些卫星的运行。

当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,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。

接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。

GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。

接收机一般采用机内和机外两种直流电源。

设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。

在用机外电源时机内电池自动充电。

关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。

目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。

2 全球定位系统的主要特点及基本功能GPS主要特点：(1)全天候；(2) 全球覆盖；(3)三维定速定时高精度；(4)快速省时高效率：(5)应用广泛多功能图3 全球定位系统GPS的基本功能包括：定位功能、遇劫报警功能、跟踪功能、遥控熄火功能、超速报警功能、授权监听功能、电子围栏功能、行使轨迹记录功能、手机查询车辆位置功能和断油功能等。

3 GPS 的发展1957 年由苏联发射的史波尼克 (Sputnik) 人造卫星，它是人类历史上的第一颗人造卫星，至第二次大战时，美国麻省理工学院无线电实验室成功的开发了精密导航系统，以利用陆地上的无线电基地台为架构，计算无线电波长及电波到达的时间并以三角定位法计算出自己所在的位置，以当时的技术来说，虽然误差到达一公里以上，但在当时的运用却是相当广泛。

当苏联成功的发射第一颗人造卫星时，美国约翰霍普金斯大学 (John Hopkims Univer--sity) 展示了可以由人造卫星的无线电讯号的杜卜勒移动现象来定出个别的卫星运行轨道参数，虽然这只是逻辑上的一点小进展，但假如我们能够得到卫星运行轨道参数，那么我们就能计算出在地球上的位置。

1960 ~ 1970 年之间，美国和苏联开始研究利用军事卫星来做导航用途，到了 1974 年，军方对 GPS 做了整合，即是我们现在所熟知的 Navstar 系统。

1980 年代后期开始，所有 Navstar 系统的商业运用均归美国海岸防卫队负责，现在 GPS 已和地面基地台为架构的 LORAN 和OMEGA 无线电导航系统结合，成为美国国家导航信息服务的一环。

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。

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。

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。

4 全球定位系统的应用范围(1) 陆地应用主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；(2) 海洋应用包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3) 航空航天应用包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

5 GPS的典型应用1）GPS在道路工程中的应用GPS在道路工程中的应用，目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。

随着高等级公路的迅速发展，对勘测技术提出了更高的要求，由于线路长，以知点少，因此，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。

目前，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，然后用常规方法布设导线加密。

实践证明，在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右，达到了常规方法难以实现的精度，同时也大大提前了工期。

GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。

由于无需通视，可构成较强的网形，提高点位精度，同时对检测常规测量的支点也非常有效。

GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的中间环节，因此，速度快、精度高，具有明显的经济和社会效益。

2）GPS在汽车导航和交通管理中的应用三维导航是GPS的首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航。

汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。

汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成。

GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。

图4 供应GPS汽车导航（1）车辆跟踪利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并可任意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。

利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。

（2）提供出行路线规划和导航提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要的辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。

自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线的计算。

人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立路线库。

线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计路线，并同时显示汽车运行路径和运行方法。

（3）信息查询为用户提供主要物标、如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够在电子地图上显示其位置。

同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。

（4）话务指挥指挥中心可以监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。

指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。

（5）紧急援助通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。

监控台的电子地图显示求助信息和报警目标，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。

3）GPS的其它应用GPS除了用于导航、定位、测量外，由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息，因此，以空间卫星上的精确时钟为基础，在地面监测站的监控下，传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用，应用该功能可进行精确时间或频率的控制，可为许多工程实验服务。

此外，还可利用GPS获得气象数据，为某些实验和工程应用。

全球卫星定位系统GPS是今年以来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天侯性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。

在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和交通工程。