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gps特点和原理
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。
1、定位精度高
应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。
2、观测时间短
随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。
3、测站间无须通视
GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。
4、可提供三维坐标
经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。
5、操作简便
随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。
6、全天候作业
目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。
7、功能多、应用广
GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。
什么是GPS技术
GPS（全球定位系统）技术是以人造卫星组网为基础的导航定位系统，利用人造卫星进行点位测量导航技术的一种。GPS定位系统的基本观测量是距离，可以提供实时的定位和测量应用。目前，GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。
1．全球定位系统的构成
（1）地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站和通讯辅助系统组成。
（2）空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道面上。
（3）用户装置部分，主要由GPS接收机和卫星天线组成。
2．全球定位系统的主要特点
具有全天候、全球覆盖、提供三维坐标、实时定位速度快、高精度、应用广泛多功能等特点。
3．全球定位系统的主要用途
（1）陆地应用：主要包括大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、车辆导航、应急反应等。
（2）海洋应用：包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等。
（3）航天应用：包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。
4.GPS的测量模式
一般来说，GPS测量模式可分为静态测量和动态测量两种模式，而静态测量模式又分常规静态测量模式和快速静态测量模式，动态测量模式分准动态测量模式和实时动态测量模式，实时动态测量模式分DGPS和RTK方式。
什么是GPS简述目前国内外主要GPS技术
1全球定位系统的原理及组成
1.1基本原理
GPS系统是由美国国防部的陆海空三军在70年代联合研制的新
型卫星导航系统它的英文名称是“NavigationSatelliteTimingAnd
Ranging/GlobalPositioningSystem”其意为“卫星测时测距导航全
球定位系统”简称GPS系统该系统是以卫星为基础的无线电导航
定位系统具有全能性(陆地海洋航空和航天)全球性全天候
连续性和实时性的导航定位和定时的功能能为各类用户提供精密
的三维坐标速度和时间
GPS的定位原理实质上就是测量学的空间测距定位利用在平均
20200km高空均匀分布在6个轨道上的24颗卫星发射测距信号码
和载波用户通过接收机接收这些信号测量卫星至接收机之距通过
一系列方程演算便可知地面点位坐标
1.2GPS的组成
GPS由三部分组成GPS空间部分地基监控站和GPS用户接
收机部分
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1.2.1GPS空间部分
GPS空间部分由24颗分布在6个等间隔轨道上的卫星组成卫
星分布可保证全球任何地区任何时刻都不少于4颗卫星供观测24
颗卫星中3颗做为备份每个轨道平面上有4颗卫星它们按与地球
成55的相同方向运行空间间隔约为90这些卫星工作在2种
频率下1575.42MHz和1227.6MHz通过测量这些卫星到达的时间
用户可以用4颗卫星确定4个导航参数纬度经度高度和时间
每个GPS卫星都对应一组编号它们有多种编号一般采用PRN
卫星所采用的伪随机噪声码编号GPS定位精度高低关键在于高
稳定度的频率标准为此每颗GPS卫星都设有两台铷原子钟和两
台铯原子钟
1.2.2地基监控站地基部分
地基监控站由一个主控站和四个监察院控站组成主控站设置在
美国大陆四个监控站分别设在大西洋太平洋和印度洋诉岛屿上
用户接收机部分
1.2.3GPS用户接收机
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用户接收机通过接收多颗卫星的信号来解算出自身的位置以实
现定位和导航GPS接收机按使用环境可分为中低动态接收机和高
动态接收机按所收信号可分为单频C/A码接收机和双频P码和Y
码接收机
GPS接收机可以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
2有关GPS工作的几个问题
2.1信号与多通道
为了获得位置坐标用户必须从4颗卫星获得信号这可以通过
几种不同的方法来实现
l单通道接收机接顺序接收4颗卫星的信号这种定序可以
以1/4-1秒的速率进行从而使用户大约每5秒钟就可以获得
一次定位信息这种定位系统成本最低
l多通道接收机以5通道为例5通道接收机可以通过4个
通道锁住4颗卫星的信号第5个通道用于获取低频导航数
据这种方法得到了最高的信噪比因为任一给定的卫星信
号都将被连续而不是在1/4个工作周期内被接收
2.2差分工作方式与独立工作方式
差分工作方式需要两台接收机第一台接收机即基准差分台
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的位置准确已知第二台通过第一台接收机的位置来修正自己的位
置通过计算测量距离与真实距离的误差基准差分台能够计算出卫
星数据中由电离层误差和星历表误差所产生的影响将此信息传送到
用户接收机时便能修正此误差从而得到更精确的定位
2.3载波相位与码相位
码接收机是通过码相位来测量用户和卫星的伪距的由于C/A
码片对应空间距离为293米相位检测精度能达到1%所以能得到
均方误差为3米的精度若测量波长为20厘米的载波相位同样1%
的测量精度却能够产生相当于1毫米的精度此时接收机更为复杂,
同时为解决整数波长的多值性问题校准时间也比较长
2.4操作码
普通操作码需要4颗卫星另外还有几种方式第一种方式叫做
视野最优操作码用这种码接收时能自动确定进入视野的卫星中
哪4颗卫星具有最好的导航定位几何分布第二种码是全视野码
用此码接收时从视野中所有卫星来的信号会被同时处理系统精度
会提高20%第三种码是高度—辅助码适于机载应用这些码应用
时可相互转换
2.5系统精度
GPS提供2种水平的导航服务—精密定位服务PPS和标准定位
服务SPSPPS主要供美国及其盟国的军用和特殊许可部门对一般
用户只能使用单频C/A码定位由于美国的GPS政策所定使用单
频C/A码还要受到SA的影响即为降低精度而人为加入的一些干
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扰因此一般单机定位精度为二维100米左右对要求高的场合则
需采用DGPS差分工作方式精度可提高到10米军用可到毫米级
3GPS信号结构
3.1GPS传输信号分类
被传输的信号包含四种不同的信息
l第一种是频率为10.23MHz的军用P码美国政府禁止把该码
提供给民用用户P码接收机价格昂贵但有三个优点1它能利
用另一个L波段通道1227.6MHz补偿电离层折射误差因为信
号通过电离层折射变慢且这种变化是大气环境及时间的函数若知
道两个频率的延迟时间就能对电离层折射引起的误差进行修正
2码速高将使精度提高2倍左右3在噪声环境中仍有良好
性能适于军用
l第二种是C/A码频率为1.023MHz用户用该码可以得到
基本的定位信息
l第三种信息是一种调制在同一载波上的50位/秒的低频数据信
号利用此信息用户可以计算出当卫星发射用于测量距离的信号时卫
星所在的位置每颗卫星约每小时必须对该信息更新一次获取此信
息需要30秒到40秒的时间
l最后是载波相位信息可以用来进行精确的大地测量和其它测
量应用利用载波频率还可以获得精确的速度信息
3.2GPS信号结构
GPS卫星向广大用户发送的导航电文是一种不归零的二进制数
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据码Dt码率fd=50HZ为了节省卫星的电能增强GPS信号的
抗干扰性保密性实现遥远的卫星通讯GPS卫星采用伪噪声码对
D码作二级调制即先将D码调制成伪噪声码P码和C/A码再
将上述两噪声码调制在L1L2两载波上形成向用户发射的GPS射
电信号因此GPS信号包括两种载波L1L2和两种伪噪声码
P码C/A码这四种GPS信号的频率皆源于10.23MHZ星载
原子钟的基频的基准频率基准频率与各信号频率之间存在一定的
比例其中P码为精确码美国为了自身的利益只供美国军方
政府机关以及得到美国政府批准的民用用户使用C/A码为粗码其
定位和时间精度均低于P码目前全世界的民用客户均可不受限制
地免费使用
GPS卫星信号包括三种信号分量载波测距码和数据码时钟
频率f010.23MHz利用频率综合器产生所需要的频率GPS信号
的产生过程如图2.1所示
GPS使用L波段配有两种载波
载波L1:fL1=154Xf0=1545.42MHz波长为19.03cm载波L2:
fL1=120Xf0=1545.60MHz波长为24.42cm两载波之间频率差为
347.82MHz等于L2的28.3%选择这两个载波目的在于测量出或
消除由于电离层效应而引起的延迟误差
数据流和两种伪随机码分别以同相和正交方式调制在L1载波上
其完整的信号结构为
()()()cos()()sin()11111St=APtDtwt+j+ACtwt+jLpiiLciL
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在L2载波上只用P码进行双相调制其信号结构为
()()()cos()222St=BPtDtwt+jLpiiL
式中ppcA,B,A分别为P码和C/A码的振幅Pi(t),Ci(t)分别为精
测距码P码和粗测距码C/A码Di(t)为卫星电文的数据流11,LLww
分别为载波L1和L2的角频率12j,j分别为信号的起始相位
根据这一原理GPS工作所需的信号按图2.2的方案进行合成
然后向全球发射形成现在随时随地都能接收到的信号对用户而言
最感兴趣的是测距码的数据流导航电文下面分别介绍测距码和
特征和结构
3.3C/A码
C/A码是用于跟踪锁定和测量的伪随机码它是由m序列优
选对组合码形成的Gold码G码G码是由两个长度相等而互相关
极大值最小的m序列码逐位进行模2相加构成的改变产生它的两
个m序列的相对相位就可以得到不同的码对于长度为N=2n-1的
m序列每两个码可以产生N个G码G码最主要的优点在于广泛
用于多址通信这是GPS采用G码作为C/A码的主要原因
C/A码是两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的两个移
位寄存器于每星期日子夜零时在置1脉冲作用下全处于1状态
同时在码率1.023MHz驱动下两个移位寄存器分别产生码长为
N=210-1=1023周期为1ms的两个m序列然后与G1(t)和G2(t)其
中G2(t)序列经过相位选择器输入一个与G2(t)平移等价的m序列
然后与G1(t)模2相加便得到C/A码即
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C/A(t)=G1(t)⊕G2(tit0)
采用不同的it0值可以产生1023个G2(t)再加上G1(t)和G2(t)
本身一共可以产生1025个结构不同的C/A码提供选用这些C/A
码具有相同的码长Nu=210-1=1023bit相同的码元宽tu1/f10.98
s相当于293.1m以及相同的周期Tu=Ntu=1ms
从这些G(t)码中选择32个码以PRN1,…,PRN32命名各个GPS
卫星由于C/A码长很短可在1s时间内搜索1000次所以C/A
码除了用于捕获卫星信号外还可以过渡到捕获P码
C/A码的码元宽度较大若两个序列的码元测量误差为码宽的
1/101/20…1/100此时相应的测距误差为29.3-2.93m现在导
航接收机的伪距测量分辩率可达到0.1m
3.4P码
P码是GPS的精测码码率为10.23MHz它是由两个伪随机码
PN1(t)和PN2(t)相乘而成
PN1(t)是由两级12位移位寄存器构成的两个移位寄存器分别采
用反馈点八进制编码14501和17147形成周期为1.5s的m序列PN1(t)
一周期的码位数为N1=10.23X106X1.5=15.345X106位
PN2(t)是由另两级12位移位寄存器构成的两个移位寄存器分别
采用反馈点八进制编码17673和11435形成两个m序列码率与PN1(t)
相同但码位比PN1(t)多37个码元即码长N215.345X10637
因此P码为P(t)=PN1(t)PN2(t+ni)0ni36
相应的码元数为:N=N1N2=2.35X1014,
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相应的周期数为:Tp=N/fp=267天,(若38周)
在P(t)中,ni可取0,1,2,…,36这样可得到37种P码在实际应
用中P码采用7天的周期即规定码P(t)PN1(t)PN2(t+ni)在每星
期六午夜零时置全1状态作为起始点然后从中截取一段周期为
7天的码作为P码一共取得37个P码32个供GPS卫星使用
5个供地面监测站使用这样保证GPS正常工作的唯一性
因为P码的码长为6.19X1012所以在不知道P码结构的情况下
是无法捕获P码由于在试验期间某些厂家已经掌握捕获P码的技
术生产出P码接收机因此美国国防部又实行了AS政策即在
P码上又增加了极度保密的W码且绝对禁止非特许用户使用
P码的码元宽度为0.098s相当于29.3m若两个序列的码元
测量误差为码宽的1/101/20…1/100此时相应的测距误差为
2.930.293m为C/A码测距误差的1/10故称C/A码为粗测码P
码为精测码
4GPS在陆地自主车和半自主遥控靶车定位上的应用
GPS系统具有定位精度高全天候实时性测站无须通视使
用方便等优点并且所有成果均通过数据来实现便于数字化管理
所以GPS已被广泛用于社会生活的各个领域如工程交通气象
国防水利环报安全保卫定时等我国从80年代起开始引进
GPS接收机极其技术目前GPS也在我国得到了全面广泛地应用
下面简要介绍GPS定位系统在陆地自主车和半自主遥控靶车项目中
应用
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4.1GPS在陆地自主车项目中的应用
移动式机器人是一种能够在各种环境中自主或半自主移动的智
能机器人在路径跟踪控制过程中路径点的获取就是由GPS定位
系统提供的由于跟踪精度较高采用差分GPS接收方法精度可
达到0.5m在实验期间体会最深的是我国在定位技术上受制于人
由于当时正值我军在北京附近进行大型军事演习情报部门告知GPS
信号被故意干扰结果我们实验无法正常进行
4.2GPS在制导导弹遥控靶车上的应用
遥控靶车是半自主机器人GPS定位系统的作用是在遥控状态或
遥控示教再现状态下保证靶车不超过预定的边界因此其精度可以很
低采用单接收机
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