全球定位系统概述.docx

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全球定位系统概述

1.什么是全球定位系统（GPS）

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。

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间、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。

2.GPS如何定位

　　GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。

　　GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。

对0A码测得的伪距称为UA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。

　　GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。

严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。

一般在接收机钟确定的历元时刻量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。

相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。

　　按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。

单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量，可用于车船等的概略导航定位。

相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量，大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

　　在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。

　　在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等概略导航定位的精度为30一100米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级的相位差分定位（RTK），实时差分定位需要数据链将两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。

在定位观测时，若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位，在进行控制网观测时，一般均采用这种方式由几台接收机同时观测，它能最太限度地发挥GPS的定位精度，专用于这种目的的接收机被称为大地型接收机，是接收机中性能最好的一类。

目前，GPS已经能够达到地壳形变观测的精度要求，IGS的常年观测台站已经能构成毫米级的全球坐标框架。

3.GPS系统如何组成

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。

GPS卫星星座

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前30度。

在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。

这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。

位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。

在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。

这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。

对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。

但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时牡己蕉ㄎ徊饬俊?

GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。

地面监控系统

对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。

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。

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。

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，位置，甚至三维速度和时间。

静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。

而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。

GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。

载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

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大部分。

对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。

也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

GPS接收机一般用蓄电池做电源。

同时采用机内机外两种直流电源。

设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。

在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。

关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。

近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。

各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D。

用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。

目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。

GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。

4.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±25mm，有SA影响时为±100mm。

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。

5.如何使用GPS接收机

（一）

　　GPS作为野外定位的最佳工具，在户外运动中有广泛的应用，在国内也可以越来越经常地看见有人使用了。

GPS不象电视或收音机，打开就能用，它更象一架相机，你需要有一定的技巧。

现在介绍一些GPS使用办法和经验。

　　首先大家要弄清使用GPS时常碰到的一些术语：

　　1.坐标（coordinate）　　

有2维、3维两种坐标表示，当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3微坐标：

经度、纬度、高度，若只能收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：

精度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。

大部分GPS不仅能以经/纬度（Lat/Long）的方式，显示坐标，而且还可以用UTM（UniversalTransverseMercator）等坐标系统显示坐标但我们一般还是使用LAT/LONG系统，这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。

坐标的精度在SelectiveAvailability（美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施）打开时，GPS的水平精度在100-50米之间，视接受到卫星信号的多少和强弱而定，若根据GPS的指示，说你已经到达，那么四周看看，应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。

　　在SA关闭时（目前是很少见的，但美政府计划将来取消SA），精度能达到15米左右（GPS性能介绍上说的精度都给的是noSA值，唬人的）。

高度的精确性由于系统结构的原因，更差些。

经纬度的显示方式一般都可以根据自己的爱好选择，一般有"hddd.ddddd","hddd*mm.mmm""，"hddd*mm"ss.s"""（其中的“*”代表“度”，以下同）地球子午线长是39940.67公里，纬度改变一度合110.94公里，一分合1.849公里，一秒合30.8米，赤道圈是40075.36公里，北京地区纬在北纬40度左右，纬度圈长为40075*sin（90-40）,此地经度一度合276公里，一分合1.42公里一秒合23.69米，你可以选定某个显示方式，并把各位数字改变一对应地面移动多少米记住，这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。

大部分GPS都有计算两点距离的功能，可给出两个坐标间的精确距离。

高度的显示会有英制和公制两种方式，进GPS的SETUP页面，设置成公制，这样在其他象速度、距离等的显示也都会成公制的了。

　　2.路标（LandmarkorWaypoint）

　　GPS内存中保存的一个点的坐标值。

在有GPS信号时，按一下"MARK"键，就会把当前点记成一个路标，它有个默认的一般是象"LMK04"之类的名字，你可以修改成一个易认的名字（字母用上下箭头输入），还可以给它选定一个图标。

路标是GPS数据核心，它是构成“路线”（见3）的基础。

标记路标是GPS主要功能之一，但是你也可以从地图上读出一个地点的坐标，手工或通过计算机接口输入GPS，成为一个路标。

一个路标可以将来用于GOTO功能（见5）的目标，也可以选进一条路线Route，见3.）作为一个支点。

一般GPS能记录500个或以上的路标。

　　3.路线（ROUTE）

　　路线是GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中间点的坐标，每两个坐标点之间的线段叫一条"腿"（leg）。

常见GPS能存储20条线路，每条线路30条"腿"。

各坐标点可以从现有路标中选择，或是手工/计算机输入数值，输入的路点同时做为一个路标（Waypoint/Landmark）保存。

实际上一条路线的所有点都是对某个路标的引用，比如你在路标菜单下改变一个路标的名字或坐标，如果某条路线使用了它，你会发现这条线路也发生了同样的变化。

可以有一条路线是"活跃"（Activity）的。

“活跃”路线的路点是导向（见5）功能的目标

。

　　4.前进方向（Heading）

　　GPS没有指北针的功能，静止不动时它是不知道方向的。

但是一旦动了起来，它就能知道自己的运动方向。

GPS每隔一秒更新一次当前地点信息，每一点的坐标和上一点的坐标一比较，就可以知道前进的方向，请注意这并不是GPS头指的方向，它老人家是不知道自己的脑袋和运动路线是成多少度角的。

不同GPS关于前进方向的算法是不同的，基本上是最近若干秒的前进方向，所以除非你已经走了一段并仍然在走直线，否则前进方向是不准确的，尤其是在拐弯的时候你会看到数值在变个不停。

方向的是以多少度显示的，这个度数是手表表盘朝上，12点指向北方，顺时针转的角度。

有很多GPS还可以用指向罗盘和标尺的方式来显示这个角度。

一般同时还显示前进平均速度，也是根据最近一段的位移和时间计算的。

　　5.导向（Bearing）

　　导向功能在以下条件下起作用：

　　1.）以设定"走向"（GOTO）目标。

"走向"目标的设定可以按"GOTO"键，然后从列表中选择一个路标。

以后"导向"功能将导向此路标

。

　　2.）目前有活跃路线（Activityroute）。

活跃路线一般在设置->路线菜单下设定。

如果目前有活动路线，那么"导向"的点是路线中第一个路点，每到达一个路点后，自动指到下一个路点。

　　在"导向"页面上部都会标有当前导向路点名称（"ROUTE"里的点也是有名称的）。

它是根据当前位置，计算出导向目标对你的方向角，以与"前进方向"相同的角度值显示。

同时显示离目标的距离等信息。

读出导向方向，按此方向前进即可走到目的地。

有些GPS把前进方向和导向功能结合起来，只要用GPS的头指向前进方向，就会有一个指针箭头指向前进方向和目标方向的偏角，跟着这个箭头就能找到目标。

　　6.日出日落时间（Sunset/raisetime）

　　大多数GPS能够显示当地的日出、日落时间，这在计划出发/宿营时间时是有用的。

这个时间是GPS根据当地经度和日期计算得到的，是指平原地区的日出、日落时间，在山区因为有山脊遮挡，日照时间根据情况要早晚各少半个小时以上。

GPS的时间是从卫星信号得到的格林尼制时间，在设置（setup）菜单里可以设置本地的时间偏移，对中国来说，应设+8小时，此值只与时间的显示有关。

　　7.足迹线（Plottrail）

　　GPS每秒更新一次坐标信息，所以可以记载自己的运动轨迹。

一般GPS能记录1024个以上足迹点，在一个专用页面上，以可调比例尺显示移动轨迹。

足迹点的采样有自动和定时两种方式自动采样由GPS自动决定足迹点的采样方式，一般是只记录方向转折点，长距离直线行走时不记点；定时采样可以规定采样时间间隔，比如30秒、一分钟、5分钟或其他时间，每隔这么长时间记一个足迹点。

在足迹线页面上可以清楚地看到自己足迹的水平投影。

你可以开始记录、停止记录、设置方式或清空足迹线。

“足迹”线上的点都没有名字，不能单独引用，查看其坐标，主要用来画路线图（计算机下载路线?

）和“回溯”功能。

很多GPS有一种叫做“回溯”（Traceback）的功能，使用此功能时，它会把足迹线转化为一条“路线”（ROUTE），路点的选择是由GPS内部程序完成的一般是选用足迹线上大的转折点。

　　同时，把此路线激活为活动路线，用户即可按导向功能原路返回。

要注意的是回溯功能一般会把回溯路线放进某一默认路线（比如route0）中，看你GPS的说明书，使用前要先检查此线路是否已有数据，若有，要先用拷贝功能复制到另一条空线路中去，以免覆盖。

回溯路线上的各路点用系统默认的临时名字如"T001"之类，有的GPS定第二条回溯路线时会重用这些名字，这时即使你已经把旧的路线做了拷贝，由于路点引用的名字被重用了，所以路线也会改变，不是原来那条回溯路线了。

请查看你GPS的使用说明书，并试用以明确你的情况。

有必要的话，对于需要长期保存的TraceBack路线，要拷贝到空闲路线，并重命名所有路点名字。

6.如何使用GPS接收机

（二）

　　GPS比较费电池，多数GPS使用四节碱性电池一直开机可用20-30小时，说明书上的时间并不是很准确的，长时间使用时要注意携带备用电池。

大部分GPS有永久的备用电池，它可以在没有电池时保证内存中的各种数据不会丢失。

由于GPS在静止时没有方向指示功能，所以同时带上一个小巧的指北针是有用的。

标记路标时，GPS提供一个默认的路标名，比如LMK001之类，难于记忆，虽可改成一个比较好记一些的名字，但一是输入不便，用上下箭头选字母很费劲，二是一般只能起很短的英文名字，比如6或9个字母，仍然不好记，同时再带上一个小的录音机/采访机随时记录，是个不错的主意。

　　1.有地图使用

　　GPS与详细地图配合使用时有最好的效果，但是国内大比例尺地图十分难得，GPS使用效果受到一定限制。

“万一”你有目的地附近的精确地图，则可以预先规划线路，先做地图上规划，制定行程计划，可以按照线路的复杂情况和里程，建立一条或多条线路（ROUTE），读出路线特征点的坐标，输入GPS建立线路的各条“腿”（legs）,并把一些单独的标志点作为路标（Landmark/Waypoint）输入GPS。

GPS手工输入数据，是一项相当烦琐的事情，请想一下，每个路标就要输入名字、坐标等20多个字母数字，每个字母数字要按最多到十几次箭头才能出来，哈哈，这就是有人舍得花很多钱来买接线和软件，用计算机来上载/下载数据的原因。

带上地图！

行进时用一是利用GPS确定自己在地图上的位置，二是按照导向功能指示的目标方向，配合地图找路向目标前进。

同时一定要记录各规划点的实际坐标，最好再针对每条规划线路建立另一条实际线路，即可作为原路返回时使用，又可回来后作为实际路线资料保存，供后人使用。

　　2.无图使用这是更为常见的使用方式。

　　1.）使用路点定点：

常用于确定岩壁坐标、探洞时确定洞口坐标或其他象线路起点、转折、宿营点的坐标。

用法简单，MARK一个坐标就行了。

找点：

所要找的地点坐标必须已经以路标（landmark/waypoint）的形式存在于GPS的内存中，可以是你以前MARK的点或者是从以前去过的朋友那里得到的数据，手工/计算机上载成的路标数据。

按GOTO键，从列表中选择你的目的路标，然后转到“导向”页面，上面会显示你离目标的距离、速度、目标方向角等数据，按方向角即可。

　　2.）使用路线输入路线：

若能找到以前去过的朋友记录的路线信息，把它们输入GPS形成线路，或者（常见于原路返回）把以前记录的路标编辑成一条线路。

路线导向：

把某条路线激活，按照和“找点”相同的方式，“导向”页会引导你走向路线的第一个点，一旦到达，目标点会自动更换为下一路点，“导向”页引导你走向路线的第二个点...若你偏离了路线，越过了某些中间点，一旦你再回到路线上来，“导向目标”会跳过你所绕过的那些点，定为线路上你当前位置对应的下一个点。

　　3.）回溯回溯功能实际是输入线路（route）的一种特殊方法，它在原路返回时十分好使。

但有些注意事项，

由于国内大比例尺不宜得到，所以朋友们每次出去玩希望都能带一组正确数据回来，有地图时整理一套地图+实测路线坐标，没地图时整理一套线路描述+实测坐标，发到网上，逐渐积攒起来，形成咱们自己的地理数据库，以后再有朋友走这条线路就可以免除雇向导和迷路之苦了！

7.什么是RTK技术

常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获得厘米级的精度，而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精度的测量方法，它采用了载波相位动态实时差