GPS的原理及应用.docx
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GPS的原理及应用
GPS的原理及应用
云南新坐标科技有限公司
2010-1-1
GPS的原理及应用
三、GPS原理
GPS简介
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。
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。
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（RealTimeKinematic）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。
GPS卫星发射的电波
GPS最早是为军事而开发的,高度保密,在2万公里的上空从多个卫星发出各自固有的信息。
为能接收、分离和解析这些信号,所以从卫星发射处理的电波信号结构是非常复杂的。
实际上,GPS卫星发出的定位电波是可以穿过电离层的L1和L2两个频率的电波。
这两种电波都用伪噪声进行相位调制,如果不经过特殊的电子信号处理是难以区别噪声的。
在这种伪噪声中有C/A编码和P编码两类。
C/A编码和P编码都是0和1的组合,各个卫星的编码图形是不同的,即使24颗卫星以相同频率发送电波也能识别是从哪个卫星发出的。
C/A编码的长度是1023位（是1023个0或1）,比特率（1秒钟发送多少个0或1信号）为1023MBPS,因此0.001秒（1MS）周期发送一个编码。
一个P编码的周期为266天9小时45分55.5秒,是非常长的,不知道编码图形是不可能解读的。
这个P编码的一个长度（相当于光的波长）是C/A编码的1/10,所以能进行高精度定位,定位用L1频带的C/A编码,其中的导航电文包括每个卫星的轨道信息、卫星计时修正值、电离层修正参数、卫星的仪器状态。
在定位计算时用到这些信息
GPS接收机如何分类
GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。
对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机。
可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。
根据使用目的的不同，用户要求的GPS信号接收机也各有差异。
目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机，产品也有几百种。
这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。
按接收机的用途分类
导航型接收机
此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。
这类接收机一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为±25m，有SA影响时为±100m。
这类接收机价格便宜，应用广泛。
根据应用领域的不同，此类接收机还可以进一步分为：
车载型--用于车辆导航定位；航海型--用于船舶导航定位；航空型--用于飞机导航定位。
由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机要求能适应高速运动。
星载型--用于卫星的导航定位。
由于卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。
测地型接收机
测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。
定位精度高。
仪器结构复杂，价格较贵。
授时型接收机
这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步
按接收机的载波频率分类
单频接收机
单频接收机只能接收L1载波信号，测定载波相位观测值进行定位。
由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（<15km）的精密定位。
双频接收机
双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。
利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。
按接收机通道数分类
GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。
根据接收机所具有的通道种类可分为：
多通道接收机序贯通道接收机多路多用通道接收机
按接收机工作原理分类
码相关型接收机
码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。
平方型接收机
平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号,来恢复完整的载波信号通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差，测定伪距观测值。
混合型接收机
这种仪器是综合上述两种接收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得到载波相位观测值。
干涉型接收机
这种接收机是将GPS卫星作为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间距离。
GPS的常用术语
坐标
描述你的位置的一组数值，一般有纬度（北或南）和经度（东或西）。
UTM坐标系以米为单位测量你离赤道（北或南）和本初子午线（东或西）的距离。
另外一个坐标系MGPS（MilitaryGridReferenceSystem）也基于UTM，但是把UTM坐标分隔得更细了，它只用在军用的GPS接收器上。
2、2维和3维坐标
你的平面位置，例如经度和纬度，称做2维坐标，至少需要3颗GPS卫星的数据来定位2维坐标。
如果因为树木、山峰或建筑物挡住了卫星，你可能只能得到2维坐标。
纬度、经度和速度称为3维坐标，确定它需要至少4颗卫星。
几乎所有GPS接收器都以提供3维坐标做为标准。
3、路旁标记和航路点
你可以把一个位置存储为一个路旁标记（landmark）或航路点（waypoint）。
它可以是你途中定位的一个位置，也可能是你输入的一个坐标或其他位置，例如目的地。
GPS设备会给它一个名称，例如LMKOZ，你也可以用一个容易记住的名称重新命名。
4、位置
当你的接收器根据GPS卫星的信息标出了你的坐标后，它会确定你的位置。
许多GPS设备允许你选择标记或存储你的现在位置做为路旁标记或航路点。
一些甚至允许你为位置命名或添加一个图标。
5、路线
路线包括开始位置和目的地，同时也有途径的地点。
一条路线上的两点之间称为航段。
一条路线可由一个或若干个航段组成。
如果你徒步旅行，你可以输入一条路线，其中包括方向、计划休息的地点或宿营地，还有你的目的地。
有一些GPS设备允许你反向跟踪路线或设置逆向路线。
路线主要有两种用途：
1）如果你去探险或旅行，你可以从高速路地图或一些地图软件中获取地点的坐标。
这在以后的旅行中很有用。
一些GPS接收器允许在计算机上设计你的旅线，然后把它载入你的GPS接收器；
2）如果你拿着GPS接收器旅行时记录下你走过的地点，回家后可以复制或者下载你的路线并且找出最有价值的景点的位置，或者最适合钓鱼的地点，或者你看见一只珍稀小鸟的地点，或者你在恶劣天气藏身的岩洞位置。
如果有队员受伤了，救援队就可以根据确切的坐标找到伤员所在的地方。
搜索救援人员可以下载完整的路线来知道探险队所在的位置。
6、高度
如果有足够的GPS卫星可见，一些GPS设备可提供高度信息（海拔）。
由于GPS系统本身的特点，高度不如平面坐标那么精确。
7、航向
这是反映沿水平方向GPS接收器移动的方向，并不需要你把GPS接收器确切地指向这个方向。
在你移动时可以看到这个值，航向的值是按0～359度顺时针方向分布的，和指南针的值相对应。
8、方位角
如果你选定了一个路旁标志或航路点，想知道从你现在所处位置到它的方向，你就需要知道方位角的值。
它是从北方向算起沿顺时针分布的值。
如果到你的目的地的方位角是270度，而你的移动方向是240度，你的航线就和目的地有30度的偏差。
如果你是在坐火车，这可能没关系，但如果这个偏差值很大，你需要查看一下地图，说不定你的路线错了。
四、GPS测量误差
在GPS测量中，影响观测精度的主要误差可分为以下三类：
一、与GPS卫星有关的误差
与GPS卫星有关的误差主要包括卫星的轨道误差和卫星钟的误差
1卫星钟差
由于卫星的位置是时间的函数，因此，GPS的观测量均发精密测时为依据，而与卫星位置相对应的信息，是通过卫星信号的编码信息传送给接收机的。
在GPS定位中，无论是码相位观测或是载波相位观测，均要求卫星钟与接收机时钟保持严格的同步。
实际上，以尽管GPS卫星均设有高精度的原子钟（铷钟和铯钟），但是它们与理想的GPS时之间，仍存在着难以避免的偏差和漂移。
这种偏差的总量约在1ms以内。
对于卫星钟的这种偏差，一般可由卫星的主控站，通过对卫星钟运行状态的连续监测确定，并通过卫星的导航电文提供给接收机。
经钟差改正后，各卫星之间的同步差，即可保持在20ns以内。
在相对定位中，卫星钟差可通过观测量求差（或差分）的方法消除。
2卫星轨道偏差
估计与处理卫星的轨道偏差较为困难，其主要原因是，卫星在运行中要受到多种摄动力的复杂影响，而通过地面监测站，以难以充分可靠的测定这作用力，并掌握它们的作用规律，目前，卫星轨道信息是通过导航电文等到的。
应该说，卫星轨道误差是当前GPS测量的主要误差来源之一。
测量的基线长度越长，此项误差的影响就越大。
在GPS定位测量中，处理卫星轨道误差有以下直种方法:
1）忽略轨道误差
这种方法以从导航电文中所获得的卫星轨道信息为准，不再考虑卫星轨道实际存在的误差，所以广泛的用于精度较低的实时单点定位工作中。
2）采用轨道改进法处理观测数据
这种方法是在数据处理中，引入表征卫星轨道偏差的改正参数，并假设在短时间内这些参数为常量，将其与其它求知数一并求解。
3）同步观测值求差
这一方法是利用在两个或多个观测站一同，对同一卫星的同步观测值求差。
以减弱卫星轨道误差的影响。
由于同一卫星的位置误差对不同观测站同步观测量的影响，具有系统误差性质，所以通过上述求差的方法，可以明显的减弱卫星轨道误差的影响，尤其当基线较短时，其效用更不明显。
这种方法对于精度相对定位，具有极其重要的意义。
二与卫星信号传播有关的误差
与卫星信号有关的误差主要包括大气折射误差和多路径效应
1电离层折射的影响
GPS卫星信号的其它电磁波信号一样，当其通过电离层时，将受到这一介质弥散特性的影响，便其信号的传播路径发生变化。
当GPS卫星处于天顶方向时，电离层折射对信号传播路径的影响最小，而当卫星接近地平线时，则影响最大。
为了减弱电离层的影响，在GPS定位中通常采用下面措施
（1）利用双频观测
由于电离层的影响是信号频率的函数，所以利用不同频率的电磁波信号进行观测。
便能多确定其影响，而对观测量加以修正。
因此，具有双频的GPS接收机，在精密定位中测量中得到广泛的应用。
不过应当明确指出，在太阳辐射的正午或在太阳黑子活动的异常期，应尽量避免观测。
在尤其是精密定位测量。
（2）利用电离层模型加以修正
对于单频GPS接收机，为了减弱电记屋的影响，一般是采用导航电文提供的电离层模型，或其它适合的电离层模型对观测量加以修正，但是这种模型至今仍在完善之中，目前模型改正的有效率约为75％。
（3）利用同步观测值求差
这一方法是利用两台或多台接收机，对同一卫星的同步观测的求差，以减弱电离层折射的影响，尤其当观测站间的距离较近时（<20km），由于卫星信号到达各观测站的路径相近，所经过的介质状况相似，因此通过各观测站对相同卫星信号的同步观测值求差，便可显著的减弱电离层折射影响，其残差将不会超过0.000001。
对于单频GPS接收机而言，这种方法的重要意义尤为明显。
2对流层折射的影响
对流层折射对观测值的影响，可分为干分量与湿分量。
干分量主要与大气的湿度与压力有关，而湿分量主要与信号传播路径上的大气湿度有关。
对于干分量的影响，可通过地面的大气资料计算；湿分量目前尚无法准确测定。
对于输送短的基线（<50km），湿分量的影响较小。
关于对流层折射的影响，一般有以下几种处理方法：
（1）定位精度要求不高时，可不考虑其影响。
（2）采用对流层模型进行改正；
（3）采用观测量求差的方法。
与电离层的影响相类似，当观测站间相距不远（<20km）时，由于信号通过对流层的路径相近，对流层的物理特性相近，所以对同一卫星的同步观测值求差，可以明显的减弱对流层折射的影响。
3多路径效应影响
多路径效应亦称多路径误差，是指接收机天线除直接收到卫星发射的信号外，还可能收到经天线周围地物一次或多次反射的卫星信号，信号叠加将会引起测量参考点（相位中心点）位置的变化，从而便观测量产生误差，而且这种误差随天线周围反射面的性质而异，难以控制。
根据实验资料表明，在一般反射环境下，多路径效应对测码伪距的影响可达到米级，对测相伪距的影响可达到厘米级。
而在高反射环境下，不仅其影响将显著增大，而且常常导致接收的卫星信号失锁和使载波相位观测量产生周跳。
因此，在精密GPS导航和测量中，多路径效应的影响是不可忽视的。
目前减弱多路径效应影响的措施有：
（1）安置接收机天线的环境，应避开较强的反射面，如水面=平坦光滑的地面以及平整的建筑物表面等。
（2）选择造型适宜且屏蔽良好的天线等。
（3）适当延长观测时间，削弱多路径效应的周期性影响。
（4）改善GPS接收机的电路设计，了减弱多路径效应的影响。
三、接收设备有关的误差
与GPS接收机设备有关的误差主要包括观测误差，接收机钟差，天线相位中心误差和载波相位观测的整周不定性影响。
1观测误差
观测误差包括观测的分辨误差及接收机天线相对于测站点的安置误差等。
根据经验，一般认为观测的分辨误差约为信号波长的1%。
故知道载波相位的分辨误差比码相位不小，由于此项误差属于偶然误差，可适当地增加观测量，将会明显地减弱其影响。
接收机天线相对于观测站中心的安置误差，主要是天线的置不与对中误差以及量取天线高的误差，在精密定位工作中，必须认真，仔细操作，以尽量减小这种误差的影响。
2接收机的钟差
尽管GPS接收机高有高精度的石英钟，其日频率稳定度可以达到10的-11方，但对载波相位观测的影响仍是不可忽视的。
处理接收机钟差较为有效的方法是将各观测时刻的接收机钟差间看成是相关的，由此建立一个钟差模型，并表示为一个时间多项式的形式，然后在观测量的平差计算中统一求解，得到多项式的系数，因而也得到接收机的钟差改正。
3载波相位观测的整周未知数
载波相位观测上当前普遍采用的最精密的观测方法，由于接收机只能测定载波相位非整周的小数部份，而无法直接测定开波相位整周数，因而存在整周不定性问题。
此外，在观测过程中，由于卫星信号失锁而发生的周跳现象。
从卫星信号失锁到信号重新锁定，对载波相位非整周的小数部分并无影响，仍和失锁前保持一致，但整周数却发生中断而不再连续，所以周跳对观测的影响与整周未知数的影响相似，在精密定位的数据处理中，整周未知数和周跳都是关键性的问题。
4天线的相位中心位置偏差
在GPS定位中，观测值是以接收机天线相位中心位置为准的，因而天线的相位中心与其几何中心理论上保持一致。
可是，实际上天线的相位中心位置随着信号输入的强度和方向不同而有所变化，即观测时相位中心的瞬时位置（称为视相位中心）与理论上的本单位中心位置将有所不同，天线相位中心的偏差对相对定位结果的影响，根据天线性能的优劣，可达数毫米至数厘米。
所以对于精密相对定位，这种影响是不容忽视的。
在实际工作中，如果使用同一类型的天线，在相距不远的两个或多个观测站上，同步观测同一组卫星，那么便可通过观测值求差，以削弱相位中心偏移的影响。
需要提及的是，安置各观测站的天线时，均奕按天线附有的方位标进行定向，使之根据罗盘指向磁北极。
五、GPS目前应用状况
GPS系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足不同用户的需要。
用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。
对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段；用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。
总之，GPS技术已发展成多领域（陆地、海洋、航空航天），多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS等），多用途（在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等），多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等）高新技术国际性产业。
GPS的应用领域，上至航空航天器，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，正如人们所说的"今后GPS的应用，将只受人类想象力的制约"。
GPS发展趋势与创新思路
1991年的海湾战争中，装在上衣口袋里的GPS接收机为无地图沙漠作战发挥了巨大作用。
在"盟军行动"中，把惯导/GPS集成系统装入导弹和制导导弹，使命中精度达到9m，而且使机载炸弹具备了在夜间和恶劣天气条件下的精确打击能力。
由此可见，GPS早已成为高技术武器平台不可缺少的关键组成部分。
在新世纪以及未来军事战争中GPS将发挥更加巨大的作用。
在这样的形势下，GPS技术不得不有新的突破。
经过不懈的努力钻研，如今已经取得些成绩而呈现出以下的技术发展趋势：
1．采用创新轨道设计
欧洲多年来从未中断对导航定位卫星的研究、论证。
在第一代中，有"全球导航卫星系统"（GNSS）以及"欧洲静止轨道导航重叠业务系统"（EGNOS）等，它们都是结合利用GPS和静止轨道通信卫星的方案。
在第二代中，目前采用创新轨道设计的"伽利略"方案被认为是能够实现最少投入而达到理想应用目的的最佳方案。
它既是独立系统，又有开放性特点，可与GPS兼容。
这种系统还将在民航选择最佳航线、飞机安全进场着陆等领域有新的应用突破。
2．大力开发抗干扰和干扰技术
GPS集成到高技术武器平台，使GPS应用概念发生全新变化。
为防止地方干扰，美国将在2005年发射的第7颗GPS-2F卫星上开始使用新型信号结构。
这样，除更加保密外，还可实现6dB的信号/干扰比的改善。
为此，正在研制不受干扰和欺骗的GPS接收机应用模块（GRAM）和选择利用抗欺骗模块（SAASM），同时装有这两种模块的接收机被称为"国防部高级GPS接收机"（DARG）。
美国还在开发抗干扰的军事伪系统（MillitaryPseudolites），它可为地域发射GPS差分信号，以改进信号捕获并提高质量。
为保护军用飞机使用GPS，美国还在开发微带自适应天线阵。
为使敌方不能使用GPS，美国已开发出GPS干扰机，只有可口可乐瓶大小的干扰机可使敌方无法接收GPS信号。
3．提高GPS导航信号性能的技术措施
目前使用的模拟铯钟，其性能预测困难，而且输出频率会随着卫星运行过程温度和磁场变化而变化，因此正在开发计算机控制的数字化铯钟，通过调整内部参数和补偿环境影响使铯钟性能达到最佳化。
六、GPS卫星现代化
走向新世纪的GPS
1994年GPS就全面进入正式运行，该系统由21颗卫星组成，分别沿6个轨道平面运行，还有3颗卫星一直处于热备份状态，总计24颗。
但在轨道上运行的GPS卫星总数实际上是变动的，1998年就有27颗GPS卫星在轨道上运
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