《GPS原理及其运用》课件

原理及其运用GPS欢迎参加GPS原理及其运用的课程本课程将深入探讨全球定位系统的工作原理、组成部分和广泛应用我们将从基础知识开始，逐步深入到高级应用系统概述GPS全球定位系统小时服务广泛应用24GPS是美国开发的卫星导航系统，提GPS系统全天候运行，为军事和民用从个人导航到科学研究，GPS在现代供全球范围内的位置、速度和时间信用户提供精确的三维位置信息生活中扮演着越来越重要的角色息基本组成部分GPS空间部分控制部分由24颗以上的GPS卫星组成，围绕地包括地面监控站，负责卫星轨道跟踪球运行和系统维护用户部分包括各种GPS接收机，用于接收和处理卫星信号工作原理GPS卫星发射信号1GPS卫星持续广播包含时间和位置信息的无线电信号接收机捕获信号2地面GPS接收机接收来自多颗卫星的信号计算距离3接收机通过测量信号传播时间来计算与每颗卫星的距离三角定位4利用至少四颗卫星的距离信息，接收机可以计算出自身的精确位置定位方法GPS伪距定位载波相位定位多普勒定位利用卫星信号传播时间计算接收机到卫星通过测量载波相位差来获得更高精度的距利用多普勒效应测量接收机相对于卫星的的距离，至少需要四颗卫星主要用于单离测量常用于精密测量和科研应用速度，主要用于动态定位点定位信号特点GPS双频信号扩频技术GPS卫星发射L1（

1575.42MHz采用直接序列扩频技术，提高抗干）和L2（

1227.60MHz）两种频扰能力和测距精度率的信号导航电文高稳定度包含卫星轨道参数、时钟校正数据卫星搭载原子钟，保证信号频率的等重要信息极高稳定性坐标系统GPS坐标系WGS-841GPS系统采用的全球地心坐标系大地坐标2以经度、纬度和高度表示位置笛卡尔坐标3以X、Y、Z三维直角坐标表示位置投影坐标4将地球表面投影到平面上的坐标系统时间系统GPS时间起点GPS1980年1月6日0时0分0秒，与世界协调时（UTC）同步原子时标准GPS时间基于原子钟，保持连续性，不进行闰秒调整周数和周内秒GPS时间表示为周数（0-1023）和周内秒（0-604799）与的关系UTCGPS时间与UTC之间存在整数秒的偏差，称为闰秒卫星轨道GPS轨道高度轨道倾角12GPS卫星运行在距离地球表面轨道平面与赤道面的夹角为55约20200公里的中圆轨道上度，确保全球覆盖卫星周期星座构型34每颗卫星绕地球一周约需11小时卫星分布在6个轨道平面上，每58分钟个平面至少4颗卫星精度影响因素GPS卫星钟差大气延迟卫星原子钟的误差会直接影响测距精电离层和对流层会导致信号传播延迟度多径效应卫星几何构型信号反射会造成接收机接收到多个路卫星分布对定位精度有显著影响径的信号接收机组成GPS天线射频前端基带处理单元导航处理器接收GPS卫星信号，并将射频对接收到的信号进行放大、滤完成信号捕获、跟踪和解调等计算位置、速度和时间信息，信号转换为电信号波和下变频处理功能并进行数据输出接收机天线GPS微带天线螺旋天线体积小、重量轻，适用于手持设备具有较好的圆极化特性，适用于高，但增益较低精度测量振子天线测地天线结构简单，成本低，但易受多径效具有相位中心稳定性好的特点，适应影响用于精密测量接收机前端电路GPS低噪声放大器1放大微弱的GPS信号，同时尽量减小噪声带通滤波器2滤除GPS频带以外的干扰信号下变频电路3将射频信号转换为中频或基带信号模数转换器4将模拟信号转换为数字信号，供后续处理接收机通道结构GPS捕获通道搜索和获取可见卫星的信号跟踪通道持续跟踪已捕获的卫星信号解调通道提取卫星导航电文中的有用信息测量通道进行伪距和载波相位等测量接收机算法GPS信号捕获算法信号跟踪算法导航解算算法滤波算法快速搜索并锁定可见卫星信号维持对卫星信号的连续跟踪计算接收机的位置、速度和时间如卡尔曼滤波，提高定位精度和稳定性差分技术GPS基本原理实时差分后处理差分利用已知坐标的基准站来校正GPS观测值基准站实时广播校正数据，流动站即时获事后利用基准站数据对观测结果进行校正，提高定位精度得高精度定位，适用于高精度测量实时动态测量GPS基准站设置流动站观测12在已知坐标点设置基准接收机，连续观测并发送校正数据携带移动接收机在待测点进行短时间观测数据传输实时解算34通过无线电或网络将基准站数据传输到流动站流动站接收机利用基准站数据实时计算高精度位置在交通运输领域的应用GPS车辆导航公交调度为驾驶员提供实时路线指引和交通信优化公交车运行调度，提高运营效率息车队管理交通流量监测实时监控车辆位置，优化配送路线收集实时交通数据，辅助智能交通系统决策在测绘领域的应用GPS地形测量控制测量快速获取大面积地形数据，提高测建立高精度控制网，为工程测量提绘效率供基准变形监测摄影测量监测大型建筑物和地质体的微小变为航空摄影提供精确的位置和姿态形信息在农业领域的应用GPS精准农业农机导航产量监测根据土壤和作物状况进行精确施肥、灌溉和指导农业机械进行精确作业，提高效率和减结合GPS和传感器技术，实时监测和记录作播种少重复物产量在时间服务领域的应用GPS时间同步1为通信网络、电力系统等提供高精度时间同步金融交易2为高频交易提供精确的时间戳，确保交易公平性科学研究3为天文观测、地震监测等提供精确的时间基准法律取证4为电子证据提供可靠的时间证明在国防领域的应用GPS武器制导部队导航提高精确制导武器的打击精度为地面部队和舰船提供精确的位置和导航信息军事测绘搜救行动快速获取战场地形信息，支持作辅助定位遇险人员，提高搜救效战规划率在气象领域的应用GPS大气水汽监测气象气球跟踪台风监测利用GPS信号延迟估算大气中的水汽含量精确跟踪探空气球的轨迹，获取高空气象通过海面GPS浮标监测台风强度和移动路，提高天气预报精度数据径在航天领域的应用GPS卫星轨道确定火箭导航精确测量和预报低轨道卫星的位置为运载火箭提供精确的位置和速度信息空间站定位深空探测为国际空间站等大型航天器提供导航辅助火星车等深空探测器进行自主导支持航卫星导航的未来发展趋势GPS多系统融合GPS与其他卫星导航系统（如北斗、伽利略）协同使用高精度服务厘米级定位精度将在更多领域得到应用抗干扰能力提高系统抗干扰和抗欺骗能力，增强可靠性室内定位结合其他技术，实现无缝的室内外定位导航系统发展历程GPS年19731美国国防部开始研发GPS系统年19782第一颗GPS卫星发射升空年19953GPS系统达到初始运行能力年20004美国取消选择性可用性，民用精度大幅提高年20205GPS III卫星开始部署，提供更高精度和可靠性系统技术特点GPS全球覆盖全天候工作任何时间、地点都可获得定位服务不受天气条件影响，可全天候使用高精度定位被动式工作可提供米级甚至厘米级的定位精度用户设备只需接收信号，无需发射系统优势分析GPS全球标准1GPS已成为全球导航的事实标准成熟可靠2经过长期运行验证，系统稳定性高应用广泛3在众多领域得到广泛应用和验证持续升级4不断推出新一代卫星，性能持续提升开放性好5民用信号免费使用，促进产业发展系统存在的不足GPS室内定位弱易受干扰在室内和城市峡谷环境下信号较弱信号强度弱，容易受到人为干扰和欺骗军事控制功耗较高由美国军方控制，存在潜在安全隐患GPS接收机持续工作会导致设备耗电快系统改进方向GPS信号强度提升增强信号功率，提高抗干扰能力和室内穿透性新信号结构设计新的民用信号，提高定位精度和可靠性地基增强完善地基增强系统，提供厘米级定位服务智能终端集成与其他定位技术融合，实现全场景无缝定位总结技术革新广泛应用GPS系统持续创新，为全球用户从个人导航到科学研究，GPS已提供精确定位服务深入各行各业未来展望机遇挑战多系统融合、高精度服务将推动面临安全、隐私等挑战，但发展卫星导航新发展前景广阔。