GPS技術
時間：2023-07-14
點擊：136次
gps又稱為全球定位系統（global positioning systemgps）是美國從上世紀70年代開始研制歷時20年耗資200億美元于1994年3月完成其整體部署實現其全天候、高精度和全球的覆蓋能力現在gps于現代通信技術相結合使得測定地球表面三維坐標的方法叢靜態發展到動態叢數據后處理發展到實時的定位與導航極大地擴展了它地應用廣度和深度。
一、gps的概念
gps是美國從20世紀70年代開始研制，于1994年全面建成，具有海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。gps是由空間星座、地面控制和用戶設備等三部分構成的。gps測量技術能夠快速、高效、準確地提供點、線、面要素的精確三維坐標以及其他相關信息，具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，廣泛應用于軍事、民用交通(船舶、飛機、汽車等)導航、大地測量、攝影測量、野外考察探險、土地利用調查、精確農業以及日常生活(人員跟蹤、休閑娛樂)等不同領域。
二、gps系統的組成
gps系統包括三大部分：空間部分—gps衛星星座；地面控制部分—地面監控系統；用戶設備部分—gps信號接收機。
1， gps衛星星座：
由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成gps衛星星座記作（21+3）gps星座。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內軌道傾角為55度各個軌道平面之間相距60度即軌道的升交點赤經各相差60度。每個軌道平面內各顆衛星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。
在兩萬公里高空的gps衛星當地球對恒星來說自轉一周時它們繞地球運行二周即繞地球一周的時間為12恒星時。這樣對于地面觀測者來說每天將提前4分鐘見到同一顆gps衛星。位于地平線以上的衛星顆數隨著時間和地點的不同而不同最少可見到4顆最多可見到11顆。在用gps信號導航定位時為了結算測站的三維坐標必須觀測4顆gps[1]衛星稱為定位星座。這4顆衛星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時甚至不能測得精確的點位坐標這種時間段叫做“間隙段”。但這種時間間隙段是很短暫的并不影響全球絕大多數地方的全天候、高精度、連續實時的導航定位測量。gps工作衛星的編號和試驗衛星基本相同。
2， 地面監控系統：
對于導航定位來說gps衛星是一動態已知點。星的位置是依據衛星發射的星歷—描述衛星運動及其軌道的的參數算得的。每顆gps衛星所播發的星歷是由地面監控系統提供的。衛星上的各種設備是否正常工作以及衛星是否一直沿著預定軌道運行都要由地面設備進行監測和控制。地面監控系統另一重要作用是保持各顆衛星處于同一時間標準—gps時間系統。這就需要地面站監測各顆衛星的時間求出鐘差。然后由地面注入站發給衛星衛星再由導航電文發給用戶設備。gps工作衛星的地面監控系統包括一個主控站、三個注入站和五個監測站。
3，gps信號接收機：
gps信號接收機的任務是：能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號并跟蹤這些衛星的運行對所接收到的gps信號進行變換、放大和處理以便測量出gps信號從衛星到接收機天線的傳播時間解譯出gps衛星所發送的導航電文實時地計算出測站的三維位置位置甚至三維速度和時間。
gps衛星發送的導航定位信號是一種可供無數用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量gps信號的接收設備即gps信號接收機。可以在任何時候用gps信號進行導航定位測量。根據使用目的的不同用戶要求的gps信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產gps接收機產品也有幾百種。這些產品可以按照原理、用途、功能等來分類。
靜態定位中gps接收機在捕獲和跟蹤gps衛星的過程中固定不變接收機高精度地測量gps信號的傳播時間利用gps衛星在軌的已知位置解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態定位則是用gps接收機測定一個運動物體的運行軌跡。gps信號接收機所位于的運動物體叫做載體（如航行中的船艦空中的飛機行走的車輛等）。載體上的gps接收機天線在跟蹤gps衛星的過程中相對地球而運動接收機用gps信號實時地測得運動載體的狀態參數（瞬間三維位置和三維速度）。
接收機硬件和機內軟件以及gps數據的后處理軟件包構成完整的gps用戶設備。gps接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來說兩個單元一般分成兩個獨立的部件觀測時將天線單元安置在測站上接收單元置于測站附近的適當地方用電纜線將兩者連接成一個整機。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體觀測時將其安置在測站點上。
gps接收機一般用蓄電池做電源。同時采用機內機外兩種直流電源。設置機內電池的目的在于更換外電池時不中斷連續觀測。在用機外電池的過程中機內電池自動充電。關機后機內電池為ram存儲器供電以防止丟失數據。
近幾年國內引進了許多種類型的gps測地型接收機。各種類型的gps測地型接收機用于精密相對定位時其雙頻接收機精度可達5mm+1ppm.d單頻接收機在一定距離內精度可達10mm+2ppm.d。用于差分定位其精度可達亞米級至厘米級。
目前各種類型的gps[2]接收機體積越來越小重量越來越輕便于野外觀測。gps和glonass兼容的全球導航定位系統接收機已經問世。
三、gps的定位原理
gps的基本定位原理是：衛星不間斷地發送自身的星歷參數和時間信息用戶接收到這些信息后經過計算求出接收機的三維位置三維方向以及運動速度和時間信息。
四、gps系統的特點
gps系統具有以下主要特點：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等。
定位精度高應用實踐已經證明gps相對定位精度在50km以內可達10-6100-500km可達10-71000km可達10-9。在300-1500m工程精密定位中1小時以上觀測的解其平面其平面位置誤差小于1mm與me-5000電磁波測距儀測定得邊長比較其邊長較差最大為0.5mm校差中誤差為0.3mm。
一、gps的概念
gps是美國從20世紀70年代開始研制，于1994年全面建成，具有海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。gps是由空間星座、地面控制和用戶設備等三部分構成的。gps測量技術能夠快速、高效、準確地提供點、線、面要素的精確三維坐標以及其他相關信息，具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，廣泛應用于軍事、民用交通(船舶、飛機、汽車等)導航、大地測量、攝影測量、野外考察探險、土地利用調查、精確農業以及日常生活(人員跟蹤、休閑娛樂)等不同領域。
二、gps系統的組成
gps系統包括三大部分：空間部分—gps衛星星座；地面控制部分—地面監控系統；用戶設備部分—gps信號接收機。
1， gps衛星星座：
由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成gps衛星星座記作（21+3）gps星座。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面內軌道傾角為55度各個軌道平面之間相距60度即軌道的升交點赤經各相差60度。每個軌道平面內各顆衛星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。
在兩萬公里高空的gps衛星當地球對恒星來說自轉一周時它們繞地球運行二周即繞地球一周的時間為12恒星時。這樣對于地面觀測者來說每天將提前4分鐘見到同一顆gps衛星。位于地平線以上的衛星顆數隨著時間和地點的不同而不同最少可見到4顆最多可見到11顆。在用gps信號導航定位時為了結算測站的三維坐標必須觀測4顆gps[1]衛星稱為定位星座。這4顆衛星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時甚至不能測得精確的點位坐標這種時間段叫做“間隙段”。但這種時間間隙段是很短暫的并不影響全球絕大多數地方的全天候、高精度、連續實時的導航定位測量。gps工作衛星的編號和試驗衛星基本相同。
2， 地面監控系統：
對于導航定位來說gps衛星是一動態已知點。星的位置是依據衛星發射的星歷—描述衛星運動及其軌道的的參數算得的。每顆gps衛星所播發的星歷是由地面監控系統提供的。衛星上的各種設備是否正常工作以及衛星是否一直沿著預定軌道運行都要由地面設備進行監測和控制。地面監控系統另一重要作用是保持各顆衛星處于同一時間標準—gps時間系統。這就需要地面站監測各顆衛星的時間求出鐘差。然后由地面注入站發給衛星衛星再由導航電文發給用戶設備。gps工作衛星的地面監控系統包括一個主控站、三個注入站和五個監測站。
3，gps信號接收機：
gps信號接收機的任務是：能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號并跟蹤這些衛星的運行對所接收到的gps信號進行變換、放大和處理以便測量出gps信號從衛星到接收機天線的傳播時間解譯出gps衛星所發送的導航電文實時地計算出測站的三維位置位置甚至三維速度和時間。
gps衛星發送的導航定位信號是一種可供無數用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量gps信號的接收設備即gps信號接收機。可以在任何時候用gps信號進行導航定位測量。根據使用目的的不同用戶要求的gps信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產gps接收機產品也有幾百種。這些產品可以按照原理、用途、功能等來分類。
靜態定位中gps接收機在捕獲和跟蹤gps衛星的過程中固定不變接收機高精度地測量gps信號的傳播時間利用gps衛星在軌的已知位置解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態定位則是用gps接收機測定一個運動物體的運行軌跡。gps信號接收機所位于的運動物體叫做載體（如航行中的船艦空中的飛機行走的車輛等）。載體上的gps接收機天線在跟蹤gps衛星的過程中相對地球而運動接收機用gps信號實時地測得運動載體的狀態參數（瞬間三維位置和三維速度）。
接收機硬件和機內軟件以及gps數據的后處理軟件包構成完整的gps用戶設備。gps接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來說兩個單元一般分成兩個獨立的部件觀測時將天線單元安置在測站上接收單元置于測站附近的適當地方用電纜線將兩者連接成一個整機。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體觀測時將其安置在測站點上。
gps接收機一般用蓄電池做電源。同時采用機內機外兩種直流電源。設置機內電池的目的在于更換外電池時不中斷連續觀測。在用機外電池的過程中機內電池自動充電。關機后機內電池為ram存儲器供電以防止丟失數據。
近幾年國內引進了許多種類型的gps測地型接收機。各種類型的gps測地型接收機用于精密相對定位時其雙頻接收機精度可達5mm+1ppm.d單頻接收機在一定距離內精度可達10mm+2ppm.d。用于差分定位其精度可達亞米級至厘米級。
目前各種類型的gps[2]接收機體積越來越小重量越來越輕便于野外觀測。gps和glonass兼容的全球導航定位系統接收機已經問世。
三、gps的定位原理
gps的基本定位原理是：衛星不間斷地發送自身的星歷參數和時間信息用戶接收到這些信息后經過計算求出接收機的三維位置三維方向以及運動速度和時間信息。
四、gps系統的特點
gps系統具有以下主要特點：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等。
定位精度高應用實踐已經證明gps相對定位精度在50km以內可達10-6100-500km可達10-71000km可達10-9。在300-1500m工程精密定位中1小時以上觀測的解其平面其平面位置誤差小于1mm與me-5000電磁波測距儀測定得邊長比較其邊長較差最大為0.5mm校差中誤差為0.3mm。