GPS基本知识

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【如何解决】:GPS原理,定位,系统,发展
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  GPS全球卫星定位导航系统(Global Positioning System-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。如图所示,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:  

上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数,其中di=c△ti (i=1、2、3、4)。

di (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。

△ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

c为GPS信号的传播速度(即光速)。

四个方程式中各个参数意义如下:
x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。
xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,
可由卫星导航电文求得。
Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供。
Vto为接收机的钟差。

由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。

  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(Real Time Kinematic)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名词解释:

  航点:用户自己在GPS设备上存储的位置

  航线:将数个航点组成一条航线,并依您想要行驶的顺序依次导航

  航迹:GPS每秒更新一次坐标信息,通过GPS设备可以记载自己的运动轨迹,此功能在野外非常实用,如果迷路可以依照原轨迹返航

  直线导航:从一航点到另一航点最直接且无任何转弯的航行。

  海拔高度:距离平均海平面的距离

  坐标显示格式:在GPS屏幕上显示GPS接收机定位位置的显示方法,一般仅以度及分来显示,也有度分秒、只显示度、或是其他方格坐标的显示方式选择。

  WGS-84 :1984年量测之大地坐标系,目前使用于大部分的GPS接收器中。

 

  GPS使用注意事项:

  1、 搜星:

   1)所有GPS在室内都收不到卫星或者信号非常弱,只有在室外才能收到信号

   2)GPS设备搜星应在开阔地进行,周围没有任何遮挡物

   3)固定地点等待搜索信号,通常搜索到4颗卫星方可导航,4颗以下不能进行导航,否是会出现提示“偏离航线:提示。

   4) 通常军事禁区有干扰信号,搜索不到信号

   5)汽车挡风玻璃上的隔热膜、隔热纸、金属成份遮蔽等,会降低讯号强度,但不影响定位

  2、先发动汽车,后插点烟器电源。导航结束拔掉点烟器,下次汽车发动后再插上,这样有利于保护机器电池。

  3、车载GPS设备不防水,注意使用环境

 

  影响GPS定位精度主要有哪几个因素?

  1、大气层(电离层和对流层对GPS信号的延迟)

  2、多径效应(经过其他表面反射到接收机天线中的GPS信号)。

  3、当前可见GPS卫星数量。

  4、当前可见GPS卫星的几何分布。

  5、GPS卫星钟差。

  6、GPS卫星轨道差。

  7、人为干扰,例如SA政策、微波发射装置等。

  GPS与GPRS的区别:GPS是卫星定位系统,是接收卫星信号来知道自己的位置信息。GPRS是中国移动通信的一种上网方式,是手机接收和发送数据的一种方式,接收的是中国移动的手机信号,用来上网或者发彩信等。

  什么是AGPS,和GPS有什么区别?

   A-GPS技术是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动台进行定位的技术,可以在GSM/GPRS、WCDMA和CDMA2000网络中使用。该技术需要在手机内增加GPS接收机模块,并改造手机天线,同时要在移动网络上加建位置服务器、差分GPS基准站等设备。如果要提高该方案在室内等GPS信号屏蔽地区的定位有效性,该方案还提出需要增添类似于EOTD方案中的位测量单元(LMU)。AGPS的具体工作原理如下所示:

 AGPS手机首先将本身的基站地址通过网络传输到位置服务器;
位置服务器根据该手机的大概位置传输与该位置相关的GPS辅助信息(包含GPS的星历和方位俯仰角等)到手机;
该手机的AGPS模块根据辅助信息(以提升GPS信号的第一锁定时间TTFF能力)接收GPS原始信号;
手机在接收到GPS原始信号后解调信号,计算手机到卫星的伪距(伪距为受各种GPS误差影响的距离),并将有关信息通过网络传输到位置服务器;
位置服务器根据传来的GPS伪距信息和来自其他定位设备(如差分GPS基准站等)的辅助信息完成对GPS信息的处理,并估算该手机的位置;
位置服务器将该手机的位置通过网络传输到定位网关或应用平台。

  AGPS解决方案的优势主要在其定位精度上。在室外等空旷地区,其精度在正常的GPS工作环境下,可达10米左右,堪称目前定位精度最高的一种定位技术。该技术的另一优点为:首次捕获GPS信号的时间一般仅需几秒,不像GPS的首次捕获时间可能要2~3分钟。

  什么叫做WAAS,EGNOS,MSAS:
WAAS全名为 Wide Area Augmentation System,即广域增强系统。WAAS是美国联邦航空局(FAA)及美国交通部为提升飞行精确度而发展出来的,因为目前单独使用 GPS 并无法达到联邦航空局针对精确飞行导航所设定的要求。WAAS 包含了约25个地面参考站台,位置散布于美国境内,负责监控 GPS 卫星的资料。其中两个分别位于美国东西岸的主站台搜集其它站台传来的资料,并据此计算出 GPS 卫星的轨道偏移量、电子钟误差,以及由大气层及电离层所造成的讯息延迟时间,汇整后经由两颗位在赤道上空之同步卫星的其中之一传播出去。此 WAAS 讯号的发送频率与 GPS 讯号的频率相同,因此任何具备 WAAS 功能的 GPS 机台都可接收此讯号,并藉此修正定位信息。WAAS 可以校正由电离层干扰、时序控制不正确以及卫星轨道错误等因素所造成的 GPS 讯号误差,也能提供各卫星是否正常运转之信息。虽然 WAAS 目前尚未正式通过美国航空局的飞行使用认证,但此系统已开放给一般民众使用,例如从事航海或其它休闲活动的人们。

  WAAS提供校正GPS讯号的功能,让您得到更精确的定位。到底能提升多少精确度呢?官方给出的数据是,可以平均提升最多五倍的精确度!目前无WAAS功能的普通GPS接收机的正常精确度是15米,而一台具备WAAS功能的GPS接收机能在95%的情况下提供您误差小于三公尺的精准定位,而且您不必为了使用WAAS功能而支付任何使用费。

  美国的WAAS这么强,欧洲人也没有闲着,欧洲正在一步步的部署计划中的“欧洲全球导航卫星系统”即GNSS。提到GNSS,就涉及到两个方面:一是美国的GPS体系;另一个就是俄罗斯的GLONASS体系。导航卫星系统除美国的GPS卫星系统外,能与其比拟的就是俄罗斯的GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统),即GLONASS卫星系统,也是24颗卫星组成的系统,由于经费困难,缺乏维护和补充,目前可能有19颗可用,但随着俄罗斯经济的复苏和军事上的需要,将会得到完善和健全。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。所以欧洲开发了同时对GPS和GLONASS广域星基增强系统。它的原理与美国的WAAS类似,包括相应的地面设施和空间卫星,以提高GPS和GLONASS系统的精度、完好性和可用性。欧洲GNSS的目标是分二步走,GNSS-1和GNSS-2,首先发展一个民间GNSS-1,其主要内容是对现有GPS和GLONASS的星基进行增强,即利用静止卫星,面向欧洲范围内的导航提供服务,即European Geostationary Navigation Overlay Service (欧洲静地星导航重叠服务),这就是我们上文提到的EGNOS。然后再进一步建成GNSS-2,也就是通常说的"伽利略"计划,从区域性渐进地扩展成全球系统。

  和WAAS一样,EGNOS通过利用静止卫星,达到了一个很高的定位精度,而且由于是开放式系统,使用EGNOS功能同样不用支付任何的使用费。那这么好的功能,美国的,欧洲的,到了中国能用吗?目前,WAAS 卫星讯号的适用范围只有北美洲。在其他地方并无任何地面参考站台,所以这些地区的 GPS 使用者就算能接收到 WAAS 讯号,也会因为讯号没经过适当的校正而无法提升其机台的精确度。即使在美国,由于卫星位于赤道上空的缘故,若所在位置之南方地平线有树林或山脉阻挡,也会不容易收到 WAAS 讯号。而EGNOS的地面设施和静止卫星也没有覆盖到亚、非、南美和远东等地区。所以,中国国内还无法使用WAAS/EGNOS的精确定位服务。

   虽然目前中国的GPS使用者暂时无法享受到 WAAS 带来的好处。但目前已有许多国家正在发展类似的卫星校正系统,例如日本的 Multi-Functional Satellite Augmentation System(MSAS)系统。而中国在2000年10月和12月发射的两颗导航定位卫星--“北斗一号”,和成功地将我国第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空,标志着我国已建立起完善的卫星定位导航系统。中国已开始表示对卫星增强系统的需求,可能也会在不久的将来,利用北斗和GPS共同提供的更高精度的定位服务,或是有地面/卫星基站的增强性服务就会问世。而在目前,对于GPS接收器的内建WAAS/EGNOS解调器,如果是不需要经常到欧美等地区去的普通老百姓,WAAS/EGNOS解调器就是个可有可无的东西。

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