《GPS原理与应用》PPT课件

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1、第十章GPS原理与应用全球定位系统（globalpositioningsystem，简称GPS）是20世纪70年代由美国国防部研制的新一代卫星导航定位系统。目前GPS已广泛应用于交通运输、军事和野外作业等各个领域。一、GPS发展历史全球定位系统（GPS）是美国从上世纪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。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），

2、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要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。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

3、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。二、GPS系统组成GPS系统包括三大部分：GPS卫星星座；地面监控系统；GPS信号接收机。1．GPS卫星星座GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道

4、平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。2．地面监控系统对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历-描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准-GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、

5、三个注入站和五个监测站：1个主控站:Coloradosprings(科罗拉多.斯平士)。3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、DiegoGarcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(卡瓦加兰)。5个监控站：以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。55ColoradospringsHawaiikwajaleinDiegoGarciaAscencion3．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G

6、PS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。三、GPS特点GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。当初设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。四、GPS原理GPS是由27颗美国国防部发射的导航卫星组成

7、的无线电导航系统，由卫星、地面站、接收机三部分组成。在地面上，只要用一部GPS接收机测出3-4颗卫星信号到达本接收机的时间，就可准确推算出接收机所在地（可以是地面或天上任何位置）的经纬度、海拔高度、时间、运动速度等数据。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。●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。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

8、据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。即卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。如图11-1所示，假设t时刻