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第十章 GPS原理与应用
1
全球定位系统（global positioning system，简称 GPS）是20世纪70年代由美国国防部研制的新一 代卫星导航定位系统。
目前GPS已广泛应用于交通运输、军事和野外作 业等各个领域。
2
Байду номын сангаас
一、GPS发展历史
全球定位系统（GPS）是美国从上世纪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。
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。
●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。
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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。即卫星不间断地发送 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。
3
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 航的要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。
前30度。
7
2．地面监控系统
对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。 卫星的位置是依据卫星发射的星历-描述卫星运动及 其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历， 是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否 正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行， 都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另 一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准-GPS 时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间， 求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由 导航电文发给用户设备。
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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。
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如图11-1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，进而求得未知数（x，y，z，t）（定位、定时）。
图11-1 GPS定位原理
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五、GPS的应用
GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的， 至今它仍然由美国军方控制。军用GPS 产品主 要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备 的坐标，给海中的军舰导航，为军 用飞机提供 位置和导航信息等。
在商业领域，消费类GPS主要用在勘测制图， 航空、航海导航，车辆追踪系统，移动计算机 和蜂窝电话平台等方面。
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勘测制图由一系列的定位系统组成，一般都要求 特殊的GPS设备。
在勘测方面的应用 有：结构和工程勘测、道路测 量和地质研究。收集到的数据可以以后再估算， 也可以在 野外实时使用。制图过程中使用大量的 GIS数据库的数据，还有纸质地图的数据。 许多 商业和政府机构使用GPS设备来跟踪他们的车辆 位置，这一般需要借助无线通信技术。一 些GPS 接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端
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四、GPS原理
GPS是由27颗美国国防部发射的导航卫星组成 的无线电导航系统，由卫星、地面站、接收机 三部分组成。
在地面上，只要用一部GPS接收机测出3-4颗卫 星信号到达本接收机的时间，就可准确推算出 接收机所在地（可以是地面或天上任何位置） 的经纬度、海拔高度、时间、运动速度等数据。
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GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、 三个注入站和五个监测站：
1个主控站:Colorado springs(科罗拉多.斯平士)。
3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、 Diego Garcia(迭哥 伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。
5个监控站： 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。
GPS工作卫星及其星座由 21颗工作卫星和3颗在轨备用 卫星组成GPS卫星星座，记作 （21+3）GPS星座。24颗卫 星均匀分布在6个轨道平面内， 轨道倾角为55度，各个轨道 平面之间相距60度，即轨道 的升交点赤经各相差60度。 每个轨道平面内各颗卫星之 间的升交角距相差90度，一 轨道平面上的卫星比西边相 邻轨道平面上的相应卫星超
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。
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二、GPS系统组成
GPS系统包括三大部分：GPS卫星星座； 地面监控系统；GPS信号接收机。
6
1．GPS卫星星座
10
三、GPS特点
GPS系统的特点：高精度、全天候、高效 率、多功能、操作简便、应用广泛等。
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当初设计GPS系统的主要目的是用于导航，收 集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表 明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用 GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级 甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米 级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速 度测量和毫微秒级精度的时间测量。
Colorado springs
5 5
Hawaii
Ascencion
Diego Garcia
kwajalein
9
3．GPS信号接收机 GPS 信号接收机的任务是：能够捕获到按
一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号， 并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号 进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从 卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星 所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位 置，甚至三维速度和时间。
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全球定位系统（global positioning system，简称 GPS）是20世纪70年代由美国国防部研制的新一 代卫星导航定位系统。
目前GPS已广泛应用于交通运输、军事和野外作 业等各个领域。
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Байду номын сангаас
一、GPS发展历史
全球定位系统（GPS）是美国从上世纪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。
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。
●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。
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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。即卫星不间断地发送 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。
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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 航的要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。
前30度。
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2．地面监控系统
对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。 卫星的位置是依据卫星发射的星历-描述卫星运动及 其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历， 是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否 正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行， 都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另 一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准-GPS 时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间， 求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由 导航电文发给用户设备。
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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。
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如图11-1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，进而求得未知数（x，y，z，t）（定位、定时）。
图11-1 GPS定位原理
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五、GPS的应用
GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的， 至今它仍然由美国军方控制。军用GPS 产品主 要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备 的坐标，给海中的军舰导航，为军 用飞机提供 位置和导航信息等。
在商业领域，消费类GPS主要用在勘测制图， 航空、航海导航，车辆追踪系统，移动计算机 和蜂窝电话平台等方面。
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勘测制图由一系列的定位系统组成，一般都要求 特殊的GPS设备。
在勘测方面的应用 有：结构和工程勘测、道路测 量和地质研究。收集到的数据可以以后再估算， 也可以在 野外实时使用。制图过程中使用大量的 GIS数据库的数据，还有纸质地图的数据。 许多 商业和政府机构使用GPS设备来跟踪他们的车辆 位置，这一般需要借助无线通信技术。一 些GPS 接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端
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四、GPS原理
GPS是由27颗美国国防部发射的导航卫星组成 的无线电导航系统，由卫星、地面站、接收机 三部分组成。
在地面上，只要用一部GPS接收机测出3-4颗卫 星信号到达本接收机的时间，就可准确推算出 接收机所在地（可以是地面或天上任何位置） 的经纬度、海拔高度、时间、运动速度等数据。
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GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、 三个注入站和五个监测站：
1个主控站:Colorado springs(科罗拉多.斯平士)。
3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、 Diego Garcia(迭哥 伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。
5个监控站： 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。
GPS工作卫星及其星座由 21颗工作卫星和3颗在轨备用 卫星组成GPS卫星星座，记作 （21+3）GPS星座。24颗卫 星均匀分布在6个轨道平面内， 轨道倾角为55度，各个轨道 平面之间相距60度，即轨道 的升交点赤经各相差60度。 每个轨道平面内各颗卫星之 间的升交角距相差90度，一 轨道平面上的卫星比西边相 邻轨道平面上的相应卫星超
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。
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二、GPS系统组成
GPS系统包括三大部分：GPS卫星星座； 地面监控系统；GPS信号接收机。
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1．GPS卫星星座
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三、GPS特点
GPS系统的特点：高精度、全天候、高效 率、多功能、操作简便、应用广泛等。
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当初设计GPS系统的主要目的是用于导航，收 集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表 明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用 GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级 甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米 级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速 度测量和毫微秒级精度的时间测量。
Colorado springs
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Hawaii
Ascencion
Diego Garcia
kwajalein
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3．GPS信号接收机 GPS 信号接收机的任务是：能够捕获到按
一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号， 并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号 进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从 卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星 所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位 置，甚至三维速度和时间。