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标题: GPS测量原理及应用简介 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2014-9-30 07:05
标题: GPS测量原理及应用简介

GPS测量原理及应用简介
吴朝阳许志华
(中国矿业大学环境与测绘学院江苏·徐州 221008)
中图分类号：P228．4 文献标识码：A 文章编号：1672-7894(2009)16—262--02
摘要主要介绍了GPS技术的基本构成。GPS的基本原理和
GPS技术应用的优点，并简单分析了GPS技术的应用前景。
关键词GPS定位GPS原理GPS特点应用前景
1引言
全球定位系统(GPS)的英文名字为GlobalPositioningSystem，是
“卫星测时测距导航，全球定位系统”的简称。它是由美国国防部批准开
发的—套以卫星为基础的具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时
性的导航定位和定时功能的无线电导航定位系统，它具有良好的抗干
扰和保密性，能为用户提供精密的三维坐标，速度和时间。GPs技术在
大地测量、工程测量、导航定位等方面得到了广泛的应用。
2 GPS系统组成
GPS系统主要包括三大部分：空间部分，地面控制部分和用户
设备部分。
2．1 空间部分——GPS卫星星座
GPS卫星星座由2l颗工作卫星和3颗备用卫星组成。它们均
匀分布在6个倾角为55度的平面轨道上，各轨道面之间的夹角为
60度，卫星高度为20200kin，卫星运行周期约为l2个小时。无论在
地球表面的任何地点、任何时刻，在高度角为l5度以上，平均都可
同时观测到6颗卫星，最多时可达l1颗。
2．2 地面控制部分——地面监控系统
GPS卫星的地面控制系统由分布在全球的一个主控站、三个注
入站和五个监测站组成。
主控站位于美国本土科罗拉多，能够收集各监测站送来的跟踪
数据，计算卫星轨道和钟差参数，并发送至注入站，由注入站转发至
各卫星。主控站还起监控站的作用．并能够诊断卫星的工作状态，
进行必要的调度。
监测站跟踪视野内所有的GPS卫星，收集卫星测距信息，采集
气象要素等数据，并将收集到的信息传送到主控站。
注入站的主要作用是将主控站发来的导航电文注入到相应卫
星的存储器。
2．3用户设备部分一GPS信号接收机等
GPS信号接收机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
进行交换，放大和处理，再通过计算机和相应的数据处理软件，经过
基线解算，网平差等，求出测站点的三维坐标。
3 GPS定位测量原理
3．1 GPS信号介绍
GPS卫星使用L波段的两种载波：来发射卫星信号。
Ll载波：f1=154×10．23=1575．42MHz，波长为 1=19．032cm
L2载波：t2=120×10．23=1227．6MHz，波长为)L 2=24．42era
(式中：10．23MHz为时钟基本频率)
在载波L1和L2上分别调制着测距码和数据码及其他导航定
位信息，主要有：
(1)粗码C，A码
C／A码的码长为1023位，周期为lms，是用于粗测距和捕获
GPS卫星信号的伪随机码。它被调制在L1载波上，是由两个1O级
262 叶敏≈ ‘
反馈移位寄存器构成的G码产生的。由于每颗卫星的E／A码都不
相同，因此，可用它们的PRN号来区分。由于C／A码的码长很短，易
于捕获，所以C／A码除了作为粗测码外，还作为GPS卫星信号的捕
获码，并由此过渡到捕获P码，它是普通用户来测定测站点到卫星
间距离的一种主要信号。其测距精度最高达0．1m。
(2)精码Pfv)码
P码是GPs卫星的精测码，码率为10．23MHz。它同时被调制在
L1和L2载波上，是由两个伪随机码的乘积得到的，其周期为7天。
因美国实施限制政策，在P码上增加了一个极度保密的w码，形成
新的Y码，绝对禁止一般用户使用。
(3)广播星历
广播星历被调制在L1载波上，信号频率为50Hz。其主要包括：
相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参
数，这些参数共有16个，其中包括：1个参考时刻，6个对应参考时
刻的开普勒轨道参数和9个反映摄动力影响的参数。这些参数由
GPS卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，用户可以利
用所接收到的导航电文来计算出某一时刻GPs卫星在地球轨道上
的位置。
3．2 GPS定位测量原理及方程
GPS卫星定位测量的基本原理是：利用GP$接收机在某一时
卫
测站点 (坐标系)
图(1) 对4颗卫星进行观测
刻同时接收3颗(或3颗以上)的GPS卫星信号，用户利用这些信
息测量出测站点至3颗(或3颗以上)GPS卫星的距离，并计算出该
时刻GPS卫星的三维坐标，根据距离交会原理解算出测站点的三
维坐标。然而，由于卫星和接收机的时钟误差，因此，GPS卫星定位
测量应至少对4颗卫星进行观测来进行定位计算。如图(1)所示可
确定四个距离观测方程。
÷
／Orf—X +fYfIY +(z,-zy] +cx(1一tj=p~
式中：i=1、2、3、4；
C为GPS信号的传播速度；
( Y )为卫星的轨道坐标；
‘．为各个卫星的时钟差；
为各个卫星到测站点接收机天线的距离；
待测点坐标(x。Ytz)和接收机时钟差t为未知数。
4 GPS技术应用的优点
4．1覆盖全球地面．可全天候观测
GPS卫星数目多，且均匀分布，可保证在地球表面任何地点任
何时间都可同步观测到至少4颗卫星，保证了全天候的实时导航与
定位。
4．2定位精度高。功能齐全
GPs定位系统不仅可以用于导航，测量，还可用于测速测时，在
小于50kin的基线上，相对定位精度可达lO ，在1000kin的基线
上，相对定位精度达l ，随着观测技术及数据处理方法的不断发
展，其观测精度还将进一步提高。
4．3 观测速度快
采用快速定位软件及性能优良的GPS接收机，20kin以内的相
对定位仅需5-20rain，快速动态相对定位测量也仅需1—2分钟。
4．4测站之间不要求通视
GPS测量不需要测站间楣互通视，可依据实际需要选点，使选
点工作变得灵活方便。
4．5操作简便
随着GPS接收机的自动化程度不断提高，测量人员只需进行
对中、整平等基本操作，接收机就可以自动观测和记录数据。将来
还会发展到观测、解算一体化的“傻瓜”级别。
4．6能够提供精确的三维坐标
GPS系统可精确测定测站点的平面坐标，同时也可精确测定观
测点的大地高程，这在航空摄影等学科的发展中起到了重要作用。
5 GPS系统的应用前景
GPS定位技术的高度自动化和所达到的定位精度，以及与之相
关的应用基础的不断深入研究，应用领域的进一步开拓、硬件和软
理工科研叠
件开发等方面的蓬勃发展，为GPS精密定位技术展现了广阔的应
用前景。
利用GPS定位系统可以进行海洋、空间和陆地的导航、大地测
量和工程测量的精密定位及测时、测速等，还被用来测定航空摄影
测量过程中确定相机的位置，可以达到快速成图的目的，促进了地
理信息系统、遥感等技术的巨大发展。
随着我国城市化的不断推进，城市规模的不断扩大，能够提供方
便、快捷交通线路的智能交通信息综合服务系统，必将成为未来的发
展趋势；另外，车载导航定位系统以及基于手机的移动定位服务，必
将成为人们追求的潮流。今后，所有会动的东西，都将依赖于GPS。
GPS将会像手机、互联网那样，对我们的生活产生极大的影响。因此，
GPS必将形成巨大的产业价值链，产生重大的社会经济效益。
6结语
GPS测量技术具有精度高，速度快，不受气候条件及通视条件
限制等优点，而且工作效率和实时性都比较高，是测绘领域的一个
里程碑，使测绘技术产生了革命性的变革。随着GPS技术的不断发
展，GPS技术必将进人人们日常生活，其应用前景将更加广阔。
参考文献
l1】徐绍铨，张华海，杨志强，王泽民．GPS测量原理及应用：第二版l武汉：武汉大
学m版社，2008．
【2】刘基余．GPS卫星导航定位原理与方法[MI．北京：科学H{版社，2003．
131 3刘大杰，施一民，过静．全球定位系统(cPs)的原理与数据处理．上海：同济大
学出版社，1996．
【4】邹小强．GPS定位技术在智能交通系统中的应用研究ID1．西安：西安交通大
学出版社，2003
责任编辑黄修军
(上接第253页)
2)XIntemet(由FarresterResearch于2000年lO月提出)；
3)富(网页)客户端；
4)富网络应用。
我们可以从下面这张图清楚地的了解RIA下的网页包含什么
样的内容。
这种设计下设计出来的网页具有很强的功能性，他们都能很
好地体现一种或2种功能，表现上，也有很强的操作性，直观、简易、
方便拖拽，这些都是RIA下设计出来的网页具有的特性。并且。Ilia
设计出来的网页，信息的更新是非常快速的。但是这种设计也有它
的风险：信息浏览与查找是否需要用户更多的注意力和鼠标操作。
如：点击、拖拽、滚动，一个页面是否弄得太乱了?是否在界面上滥
用了丰富的交互形式?组件与整体页面是否协调?视觉上是否体现
出了层次关系?新的交互模式是否改变了用户使用传统网络的习
惯?用户可能看不出IliA和传统网站的不同— —坦其实没有后退
按钮了，没有弹出提示窗口了，这些都是RIA设计存在的风险问
题，所以我在使用RIA来设计网页的时候需要将这些问题避免。
我们在设计时要注意建立一些原则尽量规避风险：
1)将控件及其功能可视化，使用户对控件的位置及其作用容易
理解。保持操作一致性及与其他类似网站／桌面应用程序的一致性。
2)提供明显的返回途径或确保后退按钮可用。后退按钮通常
被视为锚点，一种大众用户的取消方法。
3)变化适当。界面中有更新或微型状态变化时。确保人们注意
到这些变化：
选择适当的动态效果和颜色变化吸引注意。
变化应该发生在人们在看的区域及附近。
不要同时更新多处，用户的注意力跨度过大以至于感觉混乱。
4)当界面上的变化不及时时，提供及时的信息反馈；善用提示
更新的方式。
5)不要在一个页面塞满内容，腾出空间给新内容。
6)在(概念)设计阶段不要做太多混合应用，做好可复用的设计。
7)提前规划无障碍设计。IliA中的可用性往往比较困难，比如
使用移动设备访问可能无法正常显示(即使使用iPhone)，因此可能
需要准备其他版本。
这3种网页设计都是这几年比较流行的网页设计。这些网页设
计的理念都是源于同～思想的指导下诞生的。在2006年，美国的一
位设计师史蒂夫·克鲁克写了一本书(

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