信息技术在城市规划中的应用第三篇 GPS

**** 信息技术在城市规划中的应用 ****

第三篇 GPS

全球定位系统概论


第一节 GPS 概念、定位原理

GPS 的基本概念 GPS 的系统组成 GPS 的定位原理 GPS 误差和纠正其他卫星定位导航系统



一、 GPS 的基本概念

全球定位系统（ GPS ）是利用卫星进行点位测量和导航的一种技术，其全称是导航卫星测时和测距 / 全球定位系统（ Navigation Satellite Timing and Ranging/ Global Po

sitioninging System ）。该系统利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行全方位、实时三维导航与定位能力。 GPS 是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程，如今，它已成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。

美国研制 GPS 主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过 20 余年的研究实验，耗资 300 亿美元，到 1994

年 3 月，全球覆盖率高达 98% 的 24 颗 GPS 卫星星座己布设完成。





二、 GPS 的系统组成

GPS 系统包括三大部分：

空间部分—— GPS 卫星；地面控制部分——地面监控系统；用户设备部分—— GPS 信号接收机。



21 颗工作卫星， 3 颗备用卫星；

每 4 颗卫星工作在同一轨道平面内， 24 颗卫星均匀分布在 6 个轨

道平面，彼此夹角为 60 ；

轨道平面相对于赤道的倾角为 55 ；

卫星离地面高度 20200km ；

12 恒星时 (11hr58min2.05s) 绕地球一周；

地球上任何地方任何时刻同时可收到 4 颗以上 GPS 卫星的信号。

（一）空间部分

1 、卫星分布



GPS卫星分布图



每颗卫星连续发射两种频率的电磁波

– L1 载波： f1=1575.42 MHZ; 1=19.0cm

– L2 载波： f2=1227.60MHZ; 2=24.4cm

每种载波有 2 类调制信号

– 导航信号

– 电文信号

2 、卫星运行



空间部分：卫星运行——导航信号

粗码（ C/A 码）：面向民间用户

– 1s 重复一次，容易用来捕获导航信号；

– 仅调制在 L1 载波上；精度为 3m;

精码（ P 码）：面向美国军方及其他特许部门

– 7 天重复一次，不易捕获；

– 可用于精密定位；精度 0.3m;



向用户发播的电文信息包括：

– 卫星运行情况；

– 确定 C/A 码过渡到 P 码时间同步用的交接码；

– 卫星钟修正和星历参数；

– 修正电离层传播延迟用的参数；

– 系统中所有其它卫星的星历表和历书信息。

空间部分：卫星运行——电文信号



负责卫星控制、时间同步、卫星的跟踪和监测。 – 卫星轨道控制 – 向卫星发送星历

地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的 5 个监测站、一个主控站和三个注入站构成。

（二）地面控制部分



1 、主控站

位于美国克罗拉多的空军基地。作用是： 1、根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数， 2、通过注入站将改正参数注入到卫星中去； 3、同时，还对卫星进行控制、发布指令、调度备用卫星等。



2 、注入站

注入站有三个，它们分别位于阿松森群岛（ Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia ）、卡瓦加兰（ Kwajalein ）作用：将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。

监测站：监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（ Hawaii ）、阿松森群岛（ Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia ）、卡瓦加兰（ Kwajalein ）。监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态；

通讯辅助系统：连接主控站、注入站和监测站。



3 、监测站和辅助系统



天线接受机

– 对天线接收的信号进行处理，获取观测值。

（三）用户部分

用户接收系统主要由以无线电传感和计算机技术支撑的 GPS 卫星接收机和 GPS 数据处理软件构成。



微处理机 – 选择合适的卫星进行观测，以获得最佳几何图形； – 对观测值进行对流层、电离层进行折射改正及其它改正； – 根据观测值及卫星星历所需的三维坐标和速度等； – 对整个用户设备进行控制、自检核，并通过输入输出设备和操作人员保持联系。

输入输出设备

（三）用户部分



用户设备

手持导航型手持导航型测量型测量型



GPS 定位服务

GPS 提供两种级别的服务：

标准定位服务： SPS(Standard Positioninginging Service) 用于普通公共用户。

编码精确定位服务： PPS(Precise Positioninginging Service) 用于美国国防部用户 /军事用途。 SPS 的信号精度被有意识的降低级别，用于保护美国国家安全利益，这种处理就称为选择性服务政策 ( Selective Availability --SA), 即 SA政策，主要用于限制系统的最大能力。自 2000 年 5 月 1日， SA干扰已被取消。



三、 GPS 的定位原理

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据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置

D1

D2

D3

准确位置

一台接收机同时获得与三个以上的 GPS 卫星之间的距离。若多于四个，则可优选出四个进行计算。

　　首先 GPS 接收器逐个搜寻卫星，接收由 GPS 卫星发放的数据，以接受时间信息和位置信息，经过运算过程 GPS 接收器接收卫星发送的信号，得知卫星的距离。与两颗以上卫星重复此过程， GPS 接收器就能够确知空间内的唯一位置。与三颗卫星连接的情况下， GPS 接收器就能计算出 2D 空间内的位置，仅包括水平位置。为了进一步计算其高度， GPS 接收器需要 4 颗卫星的支持，即可获得 3D 空间的位置。

GPS 的定位过程





四、 GPS 误差和纠正

GPS 接收机进行测距时，一般都采取被动式测距，即发射站（卫星）精确地按规定瞬间发出信号， GPS 接收机根据自己的时钟记录接收信号的时间，依据两者之间的时间差，求出单程距离，由于包含时钟误差及大气层延迟误差，也称伪距法。若不考虑时钟误差及大气层延迟误差，则 GPS 接收机与卫星的距离为： R = C*t ，此时定位精度太差；若考虑，则计算复杂，改正也有限。

只用一个 GPS 接收机进行定位，称为绝对 GPS 定位，其优点是全球性、实时性，但精度有限，误差难以消除。



GPS 误差和纠正

除了存在测距误差之外，美国国防部为了防止未经许可的用户将GPS 用于军事目的，还实施了各种技术对定位精度进行限制。首先就是用反电子欺骗技术（ Anti-spoofing ， AS ）将 P 码（精码）进行加密，禁止一般用户获得；其次就是采取选择可用性技术（ Select

ive Availability ， SA ），将 C/A 码的定位精度从 20m降低到 100m 。 1996 年 3 月底，美国副总统戈尔宣告美国政府将对 GPS政策进行重大改变，并同时宣布将继续免收用户直接费用而向用户提供标准定位服务（ Standard Positioninging Service ， SPS ）和其他用于商业及和平目的定位服务。根据这一政策，预计将在 2006 年左右最终停止执行 SA政策，但事实上白宫已于 2000 年 5 月 1日取消了 SA政策。



GPS 误差和纠正

虽然测距误差和认为误差给 GPS 的民用带来了很大的障碍，但是可以通过差分技术来纠正。差分技术的原理就是通过 2台或多台 G

PS 接收机，在一个或多个已知位置安置一台或多台 GPS 接收机作为基准站接收卫星信号，其他一台 GPS 接收机作为未知位置的定位设备，通过它们的同步观测值之差便可以消除常数的系统误差。这种定位方式称为相对 GPS 定位。

静态差分：利用基准站和定位设备之间的同步观测值进行误差消除的过程是在测量后进行的。动态差分：误差消除的过程是利用通信设备在测量的同时进行的。



其他的卫星定位导航系统还有：俄罗斯的全球轨道导航卫星系统（ GLONASS ），与 GPS极为相似，也由 24 颗卫星组成（ 21 颗工作， 3 颗在轨备用）。我国的“北斗双星”导航定位系统，又称无线电测向卫星业务（ RD

SS ）系统。这是一个导航和个人通信技术结合的卫星定位系统，由两颗太空卫星（“北斗 1 号”和“北斗 2 号”）、控制站和接收机组成组成，是一个区域性的定位和通信系统，原理与 GPS 一样，但精度比较差。欧洲空间局的 NAVSAT 。国际移动卫星组织的 INMARSAT 。

五、其他卫星定位导航系统


一、 GPS 的分类：卫星接收机种类很多，根据型号分为：测地型、全站型、定时型、手持型、集成型；根据用途分为：车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。



第二节 GPS 的分类、特点及应用

GPS 的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。与其他导航系统相比， GPS 的主要特点有如下六个方面： 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 。此外， GPS 可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。



二、 GPS 的特点

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 GPS 接收机的一次定位和测速工作在一秒甚至更小的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。3．执行操作简便随着 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，极大地减轻了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。




4．全球全天候作业由于 GPS 卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同时观测到至少 4 颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。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。5．功能多、多用途 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。其应用领域不断扩大。6．抗干扰性能好、保密性强由于 GPS 系统采用了伪码扩频技术，因而 GPS 卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。






三、 GPS 目前应用状况

(1) 陆地应用：主要包括车辆导航、应急反应、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、市政规划控制等；(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) 航空航天应用，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。

总之， GPS 技术已发展成多领域（陆地、海洋、航空航天），多模式（ GPS 、 DGPS 、 LADGPS 、 WADGPS 等），多用途（在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等），多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等）高新技术国际性产业。 GPS 的应用领域，上至航空航天器，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，正如人们所说的 " 今后 GPS 的应用，将只受人类想象力的制约 " 。



1991 年的海湾战争中，装在上衣口袋里的 GPS 接收机为无地图沙漠作战发挥了巨大作用。在 "盟军行动 " 中，把 GPS 集成系统装入导弹和制导导弹，使命中精度达到 9m ，而且使机载炸弹具备了在夜间和恶劣天气条件下的精确打击能力。由此可见， GPS早已成为高技术武器平台不可缺少的关键组成部分。在新世纪以及未来军事战争中 GPS将发挥更加巨大的作用。经过不懈的努力钻研，如今已经取得些成绩而呈现出以下的技术发展趋势：1 、采用创新轨道设计欧洲第二代卫星导航系统的研制中，目前采用创新轨道设计的 "伽利略 " 方案被认为是能够实现最少投入而达到理想应用目的的最佳方案。它既是独立系统，又有开放性特点，可与 GPS兼容。这种系统还将在民航选择最佳航线、飞机安全进场着陆等领域有新的应用突破。



四、 GPS 发展趋势与创新思路

为防止地方干扰，美国将在 2005 年发射的第 7 颗 GPS-2F 卫星上开始使用新型信号结构。这样，除更加保密外，还可实现 6dB 的信号 /干扰比的改善。为此，正在研制不受干扰和欺骗的 GPS 接收机应用模块和选择利用抗欺骗模块，同时装有这两种模块的接收机被称为 " 国防部高级 GPS 接收机 " （ DARG ）。美国还在开发抗干扰的军事伪系统（ MP ），它可为地域发射 GPS 差分信号，以改进信号捕获并提高质量。为保护军用飞机使用 GPS ，美国还在开发微型自适应天线阵。为使敌方不能使用 GPS ，美国已开发出 GPS干扰机，只有可口可乐瓶大小的干扰机可使敌方无法接收 GPS 信号。



2 ．大力开发抗干扰和干扰技术

进入 21 世纪， GPS 在各方面的应用都将加强和发展。

1 ． GPS 在综合服务系统中的应用在全球 GPS 连续运行站（约 200 个）的基础上所组成的 IGS （ In

ternational GPS ），是 GPS 连续运行站网和综合服务系统的范例。它无偿向全球用户提供 GPS各种信息，如 GPS 精密星历、快速星历、预报星历、 IGS站坐标及其运动速率、 IGS站所接收的 GPS 信号的相位和伪距数据、地球自转速率等。这些信息在大地测量和地球动力学方面支持了无数的科学项目，包括电离层、气象、参考框架、精密时间传递、高分辨的推算地球自转速率及其变化、地壳运动等。



五、 GPS 应用前景广阔

GPS 监测电离层是 GPS 空间气象学的开端。太空中充满了等离子体、宇宙射线粒子、各种波段的电磁辐射，由于太阳常在 1秒钟内抛出百万吨量级的带电物，电离层由此而受到强烈的干扰，这是空间气象学研究的一个对象。通过测定电离层对 GPS 信号的延迟来确定在单位体积内总自由电子含量（ TEC ），以建立全球的电离层数字模型。



2 ． GPS 在电离层监测中的应用

直到近期由于 GPS 轨道精度大大提高后，当对流层折射已经成为限制 GPS 定位精度提高的一个重要障碍时，才开始认真的对对流层的监测研究。



3 ． GPS 在对流层监测中的应用

过去几年来利用大气对 GPS 信号延迟的噪声发展了 GPS 大气学，目前也正在利用 GPS 定位中的多路径效应发展 GPS 测高技术，即利用空载 GPS 作为测高仪进行测高。它是通过利用海面或冰面所反射的 GPS 信号，求定海面或冰面地形，测定波浪形态，洋流速度和方向。



4 ． GPS 在卫星测高仪中的应用

卫星对卫星的追踪（ SST ）技术的实质是以高分辨率测定两颗卫星间的距离变化。一般分为两类，即高低卫星追踪和低低卫星追踪。前一类是高轨卫星（如对地静止卫星， GPS 卫星等）追踪低轨（ LE

O ）卫星或空间飞行器；后一类是处于大体为同一低轨道上的两颗卫星之间的追踪，两颗卫星间可以相距数百千米，这两类 SST 技术都将 LEO 卫星作为地球重力场的传感器，以卫星间单向或双向的微波测距系统测定卫星间的相对速度及其变率。



5 ． GPS 在卫星追踪技术中的应用



6 ． GPS 在日常生活中的应用

手持 GPS 防盗监控 GPS ，实时监控，防盗反窃，远程调度，自主导航　

http://www.xngps.com/product/ProductInfo.asp?ID=2129

http://www.xngps.com/Product/ProductInfo.asp?ID=2110

车载导航 GPS( 彩地图类 )

http://www.gpsxy.com/information/InfoDetail.asp?InfoID=20061822131397

三星发布的内置地图的 GPS 手机

http://news.mypocket.com.cn/pages/20060331153603_26650.htm

PetsMobility公司 2005 年发明的“宠物手机” PetCell” ，它支持 GPS 以及 A-

GPS （网络辅助全球卫星定位系统），能显示宠物当前的位置以及行动轨迹，通过该系统，主人可以呼叫他们的宠物，并且告诉他们回家。

宠物手机

卫星移动通信系统 (简称：铱系统 ) 是由 66 颗工作卫星和地面关口站组成的具有独立通信能力的卫星移动通信系统。

除了可以开展与地面的通信外，还具有星体相互间的通信能力 , 卫星星群可以无线电覆盖整个地球，是唯一可以实现地球南北两极地通信的卫星移动通信系统。可以向客户提供全球范围内的个人移动通信。为客户实现 "无论你是谁，无论什么时间，无论你在世界何处，你都可以和他人保持通信 " 的人类梦想。

全球话音服务 :高清晰数字话音服务，可应用于手持机、车载台、固定站、各种通信设备

全球短消息服务手机间可以自由互相收发短消息并可以通过网站或电子邮件，免费发送短消息

卫星电话(MOTOROLA9505)



http://www.xngps.com/product/ProductInfo.asp?ID=2111



课后阅读材料

1、梅安新等，遥感导论，北京：高等教育出版社，2001。 2、张守信编著， GPS 卫星测量定位理论与应用，长沙：国防科技大学出版社， 1996。 3、其他

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