GPS全球定位系统原理及应用
一、简介
GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范(Geometrical
Product Specifications)-简称GPS。
二、GPS发展历程
1. 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。
2.卫星导航的发展历史
1957年十月四日，第一课人造卫星Sputink I（苏联）发射。
1959年，从卫星上发回第一张地球照片。
1960年，从“泰罗斯”与“云雨”气象卫星上获得全球云图。
1971年，美国“阿波罗”对月球表面进行航天摄影测量，且“水手号”对水星进行测绘作业。
目前，空间在轨卫星约为3000颗。
三、定位原理
1.GPS构成：
①空间部分
GPS的空间部分是由21颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有3 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能在卫星中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。
1 目 录 第一章第一章 概述 ..................................................................................................... 2 一、GPS的发展历史 ................................................................................ 2 二、GPS系统构成系统构成 .................................................................................... 4 三、GPS的用途及使用现状 ..................................................................... 6 第二章第二章 GPS信号及定位原理信号及定位原理 ........................................................................... 7 一、GPS信号的基本结构信号的基本结构 ......................................................................... 7 二、GPS信号的合成 ................................................................................ 9 三、GPS的时间系统 .............................................................................. 10 四、GPS坐标系 ..................................................................................... 11 五、GPS定位原理定位原理 .................................................................................. 14 六、GPS定位方法分类定位方法分类 ........................................................................... 16 第三章第三章 GPS接收机 ....................................................................................... 18 一、GPS接收机的分类接收机的分类 ........................................................................... 18 二、GPS接收机的组成及工作原理接收机的组成及工作原理 ........................................................ 20 三、GPS导航接收机的重要指标 ............................................................ 27 第四章第四章 车载GPS ........................................................................................... 28 一、车载GPS 的基本功能 ..................................................................... 28 二、车载GPS定位导航系统模块组成 .................................................... 30 第五章第五章 GPS现代化计划与第三信号L5 ......................................................... 31
***三条主线*** 【题型】填空、名词解释、简答
一、如何实现定位
1、GPS定位基本原理
①利用瞬间GPS卫星的空间位置以及接收机观测获取站星之间的距离
②基于空间后方交会原理来实现定位
③GPS卫星发射测距信号和导航电文
④导航电文包含卫星轨道参数及相关时间参考信息，可以计算得到卫星的瞬间位置
⑤通过测距码可以测量站星之间的距离
⑥由于存在接收机钟差，无法采用有效手段加以改正与消除，因此通常需采用4颗及以上卫星，通过空间距离后方交会方法解算地面点位置。
2、系统组成 【第一章 1 】
3、信号结构组成 【第一章 3 】
4、前提条件如何实现
5、坐标系统、时间系统【第二章】
二、如何提高精度
误差源（性质、空间分布） 【第四章 2 】
三、如何使用及应用
1、定位方式：绝对（单点）定位、相对（差分）定位
2、使用：精度高，可靠性、可用性高，实时性→RTK、网络RTK、CORS
3、GPS高程（为大地高）【第八章】
第一章
1、GPS的构成：GPS卫星星座、地面监控部分、用户接受处理部分
2、GPS的特点：定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、可提供三维坐标、操作简单、全天候作业、功能多，应用广
【P14】3、GPS卫星的信号：载波（L1载波、L2载波）【可测距】、测距码（P码、C/A码）【PRN，伪随机噪声吗】、导航电文【计算卫星瞬间位置】
L1载波：频率=1575.42MHz 波长=19.03cm L2载波：频率=1227.60MHz 波长=24.42cm
C/A码的码元宽度293m，测距误差2.9m P码的码元宽度29.3m，测距误差0.29m
10.23MHz基本频率
第二章 GPS测量的坐标系统与时间系统
第一节 协议天球坐标系
天球的基本概念，天球坐标系，岁差与章动的影响，协议天球坐标系的定义与转换。
第二节 协议地球坐标系
地球坐标系，地极移动与协议地球坐标系，协议地球坐标系与协议天球坐标系的转换。
第三节 地球坐标系的其他表达形式
地球参心坐标系，天文坐标系，站心坐标系，高斯平面直角坐标系
第四节 大地测量基准及其转换
经典大地测量基准，卫星大地测量基准。
第五节 时间系统
世界时系统，原子时，力学时，协调世界时，GPS时间系统。
本章重点：协议地球坐标系与参心坐标系的关系。目的是使学生对GPS测量技术的轮廓有一个基本了解。
授
课 3 授课日期 3月3日
顺 序号 授课班级 测量041
课 题 一、坐标系统的类型、二、天球坐标系
教 学 1、掌握坐标系统的种类；
2、掌握环球坐标系和协议环球坐标系的概念、为卫星坐标计算打下基础。 目 的
教 重点 地球空间直角坐标系
学 难点 岁差与章动 课 型 课堂讲授 教 具 笔记本电脑
教 学 过 程 及 主 要 内 容
组织教学…………
复习旧课，引入新课：GPS定位的基本原理；
讲授新课：
一，坐标系统的类型；
1，地固坐标系与空固坐标系；
2，空间直角坐标系、球面坐标系、平面坐标系；
3，瞬时坐标系与协议坐标系；
二，天球坐标系；
1，天球坐标系的概念；
2，岁差与章动；
3、协议天球坐标系及其转换。
课堂小结：
！、天球的概念；
2、天球空间直角坐标系、天球球面坐标系及其转换；
3、岁差与章动的概念；
4、协议天球坐标系的建立。
课 外 作 业2.1
授
课 4 授课日期 3月8日
顺 序号 授课班级 测量041
课 题 地球坐标系
教 学
掌握地球坐标系和协议地球坐标系的概念
目 的
教 重点 协议地球坐标系 学 难点 极移
课 型 课堂讲授 教 具 笔记本电脑
