球定位系统gps数据采集与处理

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1、全球定位系统GPS数据采集与处理第一节GPS的原理概述一、全球定位系统GPS图9-1-1全球定位系统卫星分布GPS(NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositionSystem)，授时与测距导航系统/全球定位系统，简称GPS全球定位系统，是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代卫星导航和精密定位系统。GPS全球定位系统是由美国国防部于1973年开始组织三军共同研制，并于1993年基本完成。该系统由空间星座、地面控制和用户接收机三部分组成。（一）全球定位系统组成1.1.       空间

2、星座部分GPS空间星座部分由24颗工作卫星和3颗备用卫星组成。工作卫星分布在6个轨道面内。每个轨道面内分布有3～4颗卫星，卫星轨道相对于地球赤道面的倾角为55°，轨道平均高度为20200公里。卫星运行周期为11小时58分钟。因此，在同一测站每天出现的卫星布局大致相同，只是每天提前4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少4颗，最多11颗。这样布局可以保证地球上任何时间、任何地点至少可以同时观测到四颗以上的卫星。加之卫星信号的传播和接收不受天气的影响，因此GPS是一个全球性、全天候的连续实时

3、的导航和定位系统。全球定位系统建成后，其工作卫星在空间的分布如图7-4-1所示。GPS卫星上安装有轻便的原子钟、微处理器、电文存储和信号发射设备，由太阳能电池提供电源，卫星上备有少量燃料，用来调节卫星轨道和姿态，并可在地面监控站的指令下，启动备用卫星。2.2.       地面监控系统GPS地面监控系统由分布在全球的五个地面站组成。其中1个主控站，3个注入站。五个监控站均为数据自动采集中心，配有双频GPS接收机、高精度原子钟、环境数据传感器和计算设备，并为主控站提供各种观测数据。主控站（位于美国科罗拉多）为系统管理和数据处理中心，其主要内容是

4、利用本站和其它监控站的观测数据推算各卫星的星历、卫星钟差和大气延迟修正参数，提供全球定位系统的时间基准，并将这些参数传入注入站，调整偏离轨道的卫星至预定轨道，启用备用卫星代替失效卫星等。注入站将主控站推算和编制的卫星星历、卫星钟差、导航电文和其它控制指令等注入相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。除了主控站外，整个GPS地面监控系统无人值守，各项工作高度自动化和标准化。3.3.       用户设备部分用户设备包括GPS接收机主机、天线、电源和数据处理软件所组成。主机的核心为微电脑、石英振荡器，还有相应的输入、输出接口和设备。在专用软件

5、控制下，主机进行作业卫星选择、数据采集、处理和存储，对整个设备的系统状态进行检查、报警和部分非致命故障的排除，承担整个接收系统的自动管理。天线通常采用全方位型的，以便采集来自各个方位的，任意非负高度角的卫星信号。由于卫星信号微弱，在天线基座中有一个前置放大器，将信号放大后，再用同轴电缆输入主机。电源部分为主机和天线供电，可使用经过整流、稳压后的市电，也可以使用蓄电池。(二)GPS全球定位系统信号GPS卫星发射的是一对相干波，波长和频率分别为作为载波载有两种调制信号，一类为导航信号，另一类为电文信号。导航信号又分为码率为，频率为的粗码（C/A码

6、）和码率为，频率为的精码（P码）。粗码（C/A码）信号编码每重复一次，可以快速捕捉信号，按设计用于粗略定位；精码（P码）码信号编码每七天重复一次，且各颗卫星不同，结构十分复杂，不易捕捉，但可以用于精确定位。电文信号同时以的速率调制在载波上，内容包括卫星星历表、各项改正数和卫星工作状态。通过电文信号，接收机可以选择图形最佳的一组信号进行观测，以利于定位数据处理。第二节GPS定位方法一、一、           GPS定位方法分类（一)、（一)、    静态定位和动态定位按GPS定位方式可分为静态定位和动态定位。1、1、  静态定位如果待定点相对

7、于周围的固定点没有可以察觉的运动，或者运动十分缓慢以至于需要几个月或几年才能反映出来，即认为待定点相对于地球坐标系中是固定不动的，这种待定点的坐标确定方法称为静态定位。在静态定位的数学模型中，待定点的位置是作常数来处理的。由于GPS的“快速解算整周期未知数”技术的出现，静态作业的时间已缩短至几分钟，因此，除了原先的大地测量及地球动力监测方面的应用外，快速的静态定位已广泛地应用到普通测量和工程测量中。2、2、  动态定位车、船、飞机和航天器运动中，人们往往需要知道它们的实时位置。在这些运动载体上安装GPS接收机，实时测得GPS接收信号天线所在的

8、位置，称为GPS动态定位。如果不仅测得运动载体的实时位置，还测定其运动速度、时间和方位等状态参数，从而引导该物体向预定方位运动，称为导航。GPS导航实质上也是动态定