GPS跟踪器原理图

我国自行研发，具有自主知识产权、自主 控制的区域性卫星定位与导航系统。空间系统 由两颗工作卫星和一颗备用星组成。它覆盖我 国全境及周边地区，将定位导航与卫星通信集 成一体，不具备全球定位与导航功能。
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北斗导航系统
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北斗导航系统
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北斗系统主要有三大功能：
1.快速定位，为服务 区域内的用户提供全天 候、实时定位服务，定 位精度与GPS相当；
3.特别适合于集团用户大范围监控管理和数 据采集用户数据传输应用。
4.融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两 大资源，因此也可利用GPS使之应用更加丰富。
5.自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强， 适合关键部门应用。
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三、GPS系统的特点
（1）全球，全天候工作 （2）实时性,能提供连续、实时的三
测地接收机 用于精密大地测量 授时接收机 用于天文台及无线电通讯
定位精度高，仪器结构复杂，价 格较贵
利用GPS卫星提供的高精度时 间进行授时
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应用领域
性能
优点
功能
手持 型 GPS 接受 机多 为导 航使 用
液晶显示，不需要地面 能够计算当地的国际标
导航画面 设备，只要 准时间，处于运动状态
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全球定位 系统
（GPS）
课堂小结
全新的定位工具
空间系统
GPS系统组成
地面监控系统 用户系统
GPS定位原理
二维定位原理 三球定位原理
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GPS定位原理
1．GPS由空间系统、地面监测系统、用 户系统三部分组成。
2．GPS定位原理类似于三球定位原理。由 若干已知空间位置的卫星发射信号，在地面（或 空中）的GPS接收机跟踪接收GPS卫星发出的信 号，测量卫星到接收机天线的传播时间，计算出 卫星到接收机的距离。如果接收到三颗卫星的信 号，GPS接收机即以各种卫星为圆心，以其到接 收机的距离为半径画三个球面，并确定球面与地 面的交点为接收机的位置。

GPS定位系统
李含伦 lihanlun@
目录
一、GPS的发展背景
二、GPS的组成及工作原理
三、GPS定位系统的应用
四、其它的卫星定位系统
一、GPS的发展背景
1、 GPS的定义 全球定位系统GPS（Global Positioning System）,是一种可以授时和测距的 空间交会定点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三 维速度和时间信息。 2、GPS发展过程 1958年，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星 系统，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System—— NNSS）。由于该系统卫星都通过地极，也称“子午(Transit)卫星系统”。 1964年该系统建成，并在美国军方启用。 1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。 美国从1973年开始筹建全球定位系统，1994年投入使用。 经历20年，耗资300亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三 项庞大空间计划。
4 测速功能 通过GPS对卫星信号的接收计算,可以测算出行驶的具体速度,比一般的里程 表准确很多。
三、GPS定位系统的应用
汽车卫星导航系统的缺点 由于汽车卫星导航系统的自身工作特点决定了它要精确工作需要的两个 条件： 1）精确的坐标；2）准确的地图。
精确的坐标 这个只有依靠全球定位系统才能解决的，目前也就四个系统，美国的GPS， 俄罗斯“格格纳斯”，中国“北斗”，欧盟“伽利略“，民用方面所能够达到的 精度有限，在一些特殊时期精度将会人为降低。 准确的地图 处于国家安全的考虑，各国公布的地图精度有限，某些特殊地区（政府 机关所在地等）可能会发生一定的偏移。而在一些急需导航的偏远地区地 图的准确度更低，经济发达地区的地图精度要好。

成。
• 主控站作用： 搜集各个监测站所测观察值、环境要素等数据
，计算每颗GPS卫星旳星历、时钟改正量、状态数据、以及信号 旳大气层传播改正，并按一定旳形式编制成导航电文，传送到 主控站：另外还控制和监视其他站旳工作情况并管理调度GPS卫 星。
• 注入站作用： 将主控站传来旳导航电文，分别注入到相应旳
一、空间部分(GPS卫星星座)
• 共有24颗GPS工作 卫星构成GPS卫星星 座。
• 地球上任何地方、 高度角在15以上旳 空间，可同步观察到 4～12颗卫星,卫星分 布在6个面相对于地 球赤道面倾斜角为 55旳近圆形轨道面 上，高度距地面约 2.02万km。
GPS星座示Βιβλιοθήκη 图GPS卫星基本功能 ： ——接受和储存由地面监控站发来旳跟踪监测信息； ——受地面监控站旳指令，调整卫星姿态和启用备用卫星； ——进行必要旳数据处理工作； ——经过星载旳高精度原子钟提供精密旳原则时间； ——向用户广播GPS信号。
码信号到达GPS接受机旳传播时间乘以光速所得旳距离。
• 因为伪距观察量所拟定旳卫星到测站旳距离，都不可防止地会 具有大气传播延迟、卫星钟和接受机同步误差等旳影响。
• 为了与卫星和接受机之间旳真实几何距离相区别，这种具有误
差影响项旳距离观察，一般称为“伪距 ”，并把它视为GPS定位
旳基本观察量。
• 伪距法单点定位：就是利用GPS接受机在某一时刻，同步测定
三、顾客设备部分
顾客要实现利用GPS进行导航和定位旳目旳，还需要GPS接 受机，即顾客设备部分。
• 顾客设备部分作用：接受GPS卫星发射旳信号，取得必要旳
导航和定位信息及观察量，经数据处理后取得观察时刻接受机 旳位置坐标。
顾客设备部分主要由GPS接受机硬件和数据处理软件构成。

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3）.三差法： 原理：利用连续跟踪的所有载波相位测量观测值中均含 有相同的整周未知数N0，所以将相邻两个观测历元的载 波相位相减，就可将该未知参数消去，从而直接解出坐 标参数。 4). FARA 法--fast ambiguity resolution approach
原理：利用初始平差的解向量（接收机点的坐标及整周 未知数的实数解）及其精度信息（单位权中误差和方差协 方差阵），以数理统计理论的参数估计和统计假设检验为 基础，确定在某一置信区间整周未知数可能的整数解的组 合，然后依次将整周未知数的每一组合作为已知值，重复 地进行平差计算。其中使估值的验后方差或方差和为最小 的一组整周未知数即为整周未知数的最佳估值。
1
（X、Y、Z）
X、Y 、Z —— 测点点位坐标
Xi、Yi、Zi——卫星星历（坐标） 1、 1、 1 ——观测所得伪距（在 方程中是已知量）
2
GPS定位的基本原理
需解决的两个关键问题: --如何确定卫星的位置 --如何测量出站星距离
3
测距方法
双程测距
用于电磁波测距仪
单程测距
用于GPS
4
二.GPS定位方法分类
j (GPS)] cti
ct
j
c
j i
c ti
c t
j
ij
c ti
c t
j
上式当所卫确星定钟的与伪接距收即机为钟站严星格几同何步距时离(。 ti t j )，
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通常GPS卫星的钟差可从卫星发播的导航电文中获得，
经钟差改正后，各卫星之间的时间同步差可保持在109 s
以内。如果忽略卫星钟差影响，并考虑电离层、对流层折
所以⑦式可写为：
顾及载波相位整周数，观测方程可写为：

周跳修复的必要性
➢相位观测值中存在周跳，相当于观测值中存在粗 差，将会严重影响GPS基线解算过程中的最小二 乘估计，使基线解算失败或严重歪曲基线解算的 结果。在GPS动态定位中，如数值为1周的周跳不 修复，将会导致数十厘米的误差。这对于高精度 的GPS测量是无法接受的。
➢周跳的探测与修复是GPS载波相位数据处理中不
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5.1 概述
空 间 距 离 交 会 原 理 图
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5.1 概述
GPS卫星定位的基本原理
观测方程
P点的三维坐标（X，Y，Z）
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5.1 概述
GPS卫星定位方法分类
❖ 依据测距的原理划分： 1）伪距法定位 2）载波相位测量定位 3）差分GPS定位
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• 动态解算整周未知数的方法，其应用尚有一定的局限
5.5 GPS绝对定位与相对定位
GPS绝对定位的精度
▪ 受卫星轨道误差、钟差以及信号传 播误差等影响，定位精度较低
- 静态绝对定位精度约为米级 - 动态绝对定位精度为10-40m
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5.5 GPS绝对定位与相对定位
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5.1 概述
GPS卫星定位方法分类（续）
❖ 根据待定点的运动状态划分：
1）静态定位：对于固定不动的待定点，将
GPS接收机安置于其上，观测数分钟乃至更长的时 间，以确定该点的三维坐标，又叫绝对定位。
2）动态定位：若以两台GPS接收机分别置于
两个待定点上，则通过一定时间的观测，可以确定 两个待定点之间的相对位置，又叫相对定位。
为单位)后即可得到λN0 。 •将整周未知数当作平差中的待定参数——经典方法

来适应车队管理的需要。
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最近，越来越多普通消费者买得起的GPS接收器出 现了。随着技术的进步，这些设备的功能越来越完 善，几乎每月都有新的功能出现，但价格在下跌， 尺寸也越来越小了。
消费类GPS手持机的价格从几百元到几千元不等， 它们基本上都有12个并行通道和数据功能。有些甚 至能与便携电脑相连，可以上传/下载GPS信息，并 且使用精确到街道级的地图软件，可以在PC的屏幕 上实时跟踪你的位置或自动导航。
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6．信号干扰
要给予你一个很好的定位，GPS接收器需要至少 3～5颗卫星是可见的。如果你在峡谷中或者两边高 楼林立的街道上，或者在茂密的丛林里，你可能不 能与足够的卫星联系，从而无法定位或者只能得到 二维坐标。同样，如果你在一个建筑里面，你可能 无法更新你的位置，一些GPS接收器有单独的天线可 以贴在挡风玻璃上，或者一个外置天线可以放在车 顶上，这有助于你的接收器得到更多的卫星信号。
Colorado springs
5 5
Hawaii
Ascencion
Diego Garcia
kwajalein
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3．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，甚至三维速度和时间。
在商业领域，消费类GPS主要用在勘测制图， 航空、航海导航，车辆追踪系统，移动计算机 和蜂窝电话平台等方面。
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勘测制图由一系列的定位系统组成，一般都要求 特殊的GPS设备。
在勘测方面的应用 有：结构和工程勘测、道路测 量和地质研究。收集到的数据可以以后再估算， 也可以在 野外实时使用。制图过程中使用大量的 GIS数据库的数据，还有纸质地图的数据。 许多 商业和政府机构使用GPS设备来跟踪他们的车辆 位置，这一般需要借助无线通信技术。一 些GPS 接收器集成了收音机、无线电话和移动数据终端

GPS原理及其应用
主讲 陈志高
第1部分 原理
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GPS测量的特点 GPS的历史和背景 GPS系统的组成 GPS卫星 GPS地面控制站 GPS用户设备 GPS系统现状 GPS定位原理 GPS测量
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GPS定义
GPS的英文全称是：Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 测量用户的 PVT：
154 120 50比特/S
卫星信息电文(D码)
每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率ƒ)
两种载波(L1和L2) 两种码信号(C/A码和P码) 一组导航电文(信息码，D码)
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GPS卫星信号的组成
卫星信号
载波信号(L1，L2) 测距码(P码,C/A码) 数据码(导航电文或D码)
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伪距差分
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”
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2 GPS的历史和背景
GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统
(1)全球覆盖 (2)24小时可以定位，测速和授时 (3)用户设备成本低廉 (4)确保美国军事安全，服务于全球战略 (5)导航精度可达10-20m (6)取代现存各种导航系统 这种设备可以用来武装战车，舰船和飞机，提高其作战 能力，并可广泛用于地面部队，其作用已经在海湾战争中得 到充分展示。

阿松森ascencion迭哥?伽西亚diegogarcia卡瓦加兰kwajalein五个监测站1个主控站3个注入站夏威夷hawaii55夏威夷地面主控站的作用主控站的作用收集数据数据处理监测与协调控制卫星2地面监控部分地面监控站的作用2地面监控部分监控站导航数据气象数据卫星状态数据主控站传送注入站的作用注入站的主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中供卫星向用户发3用户接收部分天线天线前置放大器前置放大器gps信号接收机射电部分射电部分微处理器微处理器电源部分电源部分数据存器数据存器显示控制器显示控制器供电信号信息命令数据供电控制供电数据控制3用户接收部分按用途按携带形式按工作原理按载波频率导航型测地型和授时型码接收机和无码接收机单频接收机和双频接收机袖珍式背负式车载式第二节gps卫星信号gps卫星信号由载波测距码和导航电文三部分组成一gps卫星信号的内容第二节gps卫星信号gps载波信号载波gps的测距码导航电文卫星的星历卫星工作状态时间系统卫星钟运行状态轨道摄动改正大气折射改正载波gps第二节gps卫星信号下图为gps卫星信号的构成示意图
第二节、GPS卫星信号
第一数据块 第一数据块位于第1子帧的第3～10字码，它的主要内
容包括： a、时延差改正Tgd——信号在卫星内部的时延差。
b 、数据龄期AODC——时钟改正数的外推时间间隔，它指 明卫星时钟改正数的置信度。
C、 星期序号WN——表示从1980年1月6日子夜零点 （UTC）起算的星期数，即GPS星期数。
五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)
2、地面监控部分 地面主控站的作用
主控站的作用
收集数据 数据处理 监测与协调
控制卫星
2、地面监控部分

静态定位与动态定位的不同点
静态定位
动态定位
可靠性强，定位精度 高，在大地测量、工 程测量中得到了广泛 的应用，是精密定位 中的基本模式。
可测定一个动点 的实时位置、运 动载体的状态参 数。如速度、时 间和方位等。
二、单点定位与相对定位
1. 单点定位(绝对定位) 独立确定待定点在坐标系中的绝对位置的方法称为单点定位或绝对定位。由
均为已知值。待定点P即为需要确定的船舶位置。用户用专用的无线电接收机按被
动式测距方式测定了至A点的距离RA和至B点的距离RB。于是我们就能根据以A为 圆心，以RA为半径的定位圆和以B为圆心以RB为半径的定位圆交出待定点P的位置.
A （圆心）
B（圆心）
当然两圆相交一般有两个交点，但根据待定点的概略位置通常是不难加以判断 和取舍的。而且为了提高解的精度和可靠性，实际上使用的已知信号发射台也往 往不止两个。也就是说实际上我们往往是从三个或三个以上已知点来交会P点的。 在这种情况下便不再存在多值性问题。
后到达接收机，接收机在自己的时钟控制下产生一组结构完全相同的测距码（复制 码），并通过时延器使其延迟时间 。将这两组测距码进行相关处理，若自相关系
数已和接收，到则的继来续自调卫整星延的迟测时距间码对，齐直，到复自制相t码关的系延数迟时间或趋就近等于于1卫为星止信。号此的时传复播制时码
间 。 将 乘 上光速c后即可求得卫星至接收机的伪距。
播时间 ，它还包含了两台钟不同步的影响在内。此外，由于信号并不是完全在真
空中传播的，因而观测值 中也包含了大气传播延迟误差。在伪距测量中，一般把
在
的条件下求得的时延 和真空中的光速c的乘积 当作观测值，下面我
们将建立卫星与接收机之间R(的t) 几 m何a距x 离 与观测值 之间的关系式。