空間定位技術(shù)GPS原理

空間定位技術(shù)GPS系統(tǒng)的組成

GPS由三個(gè)獨(dú)立的部分組成：

● 空間部分：21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星。

● 地面支撐系統(tǒng)：1個(gè)主控站，3個(gè)注入站，5個(gè)監(jiān)測站。

● 用戶設(shè)備部分：接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號，以獲得必要的導(dǎo)航和定位信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理，完成導(dǎo)航和定位工作。

GPS接收機(jī)硬件一般由主機(jī)、天線和電源組成 。

空間定位技術(shù)GPS定位原理

GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點(diǎn)的位置。

DGPS原理

目前GPS系統(tǒng)提供的定位精度是優(yōu)于10米，而為得到更高的定位精度，我們通常采用差分GPS技術(shù)：將一臺GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)，計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)，并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測的同時(shí)，也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù)，并對其定位結(jié)果進(jìn)行改正，從而提高定位精度。

差分GPS分為兩大類：偽距差分和載波相位差分。

1． 偽距差分原理

這是應(yīng)用最廣的一種差分。在基準(zhǔn)站上，觀測所有衛(wèi)星，根據(jù)基準(zhǔn)站已知坐標(biāo)和各衛(wèi)星的坐標(biāo)，求出每顆衛(wèi)星每一時(shí)刻到基準(zhǔn)站的真實(shí)距離。再與測得的偽距比較，得出偽距改正數(shù)，將其傳輸至用戶接收機(jī)，提高定位精度。

這種差分，能得到米級定位精度，如沿海廣泛使用的“信標(biāo)差分”

2．載波相位差分原理

載波相位差分技術(shù)又稱RTK（Real Time Kinematic）技術(shù)，是實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測站載波相位觀測量的差分方法。即是將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)給用戶接收機(jī)，進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。

載波相位差分可使定位精度達(dá)到厘米級。大量應(yīng)用于動態(tài)需要高精度位置的領(lǐng)域。

空間定位技術(shù)全球，全天候工作

能為用戶提供連續(xù)，實(shí)時(shí)的三維位置，三維速度和精密時(shí)間。不受天氣的影響。

空間定位技術(shù)定位精度高

單機(jī)定位精度優(yōu)于10米，采用差分定位，精度可達(dá)厘米級和毫米級。

空間定位技術(shù)功能多，應(yīng)用廣

隨著人們對GPS認(rèn)識的加深，GPS不僅在測量，導(dǎo)航，測速，測時(shí)等方面得到更廣泛的應(yīng)用，而且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。

用GPS同時(shí)測定3維坐標(biāo)的方法將測繪定位技術(shù)從陸地和近海擴(kuò)展到整個(gè)海洋和外層空間，從靜態(tài)擴(kuò)展到動態(tài)，從單點(diǎn)定位擴(kuò)展到局部與廣域差分，從事后處理擴(kuò)展到實(shí)時(shí)(準(zhǔn)實(shí)時(shí))定位與導(dǎo)航，絕對和相對精度擴(kuò)展到米級、厘米級乃至亞毫米級，從而大大拓寬它的應(yīng)用范圍和在各行各業(yè)中的作用。不久的將來，人人可以戴上GPS手表，加上移動電話，你的活動就可以自動進(jìn)入數(shù)字地球中去.

GPS全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Positioning System-GPS)是美國從本世紀(jì)70年代開始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近10年我國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。

隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開拓，目前已遍及國民經(jīng)濟(jì)各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活 。

GPS作為野外定位的最佳工具，在戶外運(yùn)動中有廣泛的應(yīng)用，在國內(nèi)也可以越來越經(jīng)常地看見有人使用了。GPS不象電視或收音機(jī)，打開就能用，它更象一架相機(jī)，你需要有一定的知識。

首先大家要弄清使用GPS時(shí)常碰到的一些術(shù)語：

空間定位技術(shù)坐標(biāo)(coordinate)

有2維、3維兩種坐標(biāo)表示，當(dāng)GPS能夠收到4顆及以上衛(wèi)星的信號時(shí)，它能計(jì)算出本地的3微坐標(biāo)：經(jīng)度、緯度、高度，若只能收到3顆衛(wèi)星的信號，它只能計(jì)算出2維坐標(biāo)：精度和緯度，這時(shí)它可能還會顯示高度數(shù)據(jù)，但這數(shù)據(jù)是無效的。大部分GPS不僅能以經(jīng)/緯度(Lat/Long)的方式，顯示坐標(biāo)，而且還可以用UTM(Universal Transverse Mercator)等坐標(biāo)系統(tǒng)顯示坐標(biāo)但我們一般還是使用LAT/LONG系統(tǒng)，這主要是由你所使用的地圖的坐標(biāo)系統(tǒng)決定的。坐標(biāo)的精度在Selective Availability(美國防部為減小GPS精確度而實(shí)施的一種措施)打開時(shí)，GPS的水平精度在100-50米之間，視接受到衛(wèi)星信號的多少和強(qiáng)弱而定，若根據(jù)GPS的指示，說你已經(jīng)到達(dá)，那么四周看看，應(yīng)該在大約一個(gè)足球場大小的面積內(nèi)發(fā)現(xiàn)你的目標(biāo)的

在SA關(guān)閉時(shí)，精度能達(dá)到15米左右。高度的精確性由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的原因，更差些。經(jīng)緯度的顯示方式一般都可以根據(jù)自己的愛好選擇，一般有\(zhòng)"hddd.ddddd\",\"hddd*mm.mmm\"\"，\"hddd*mm\"ss.s\"\"\"(其中的“*”代表“度”，以下同)地球子午線長是39940.67公里，緯度改變一度合110.94公里，一分合1.849公里，一秒合30.8米，赤道圈是40075.36公里，北京地區(qū)緯在北緯40度左右，緯度圈長為40075*sin(90-40),此地經(jīng)度一度合276公里，一分合1.42公里一秒合23.69米，你可以選定某個(gè)顯示方式，并把各位數(shù)字改變一對應(yīng)地面移動多少米記住，這樣能在經(jīng)緯度和實(shí)際里程間建立個(gè)大概的對應(yīng)。大部分GPS都有計(jì)算兩點(diǎn)距離的功能，可給出兩個(gè)坐標(biāo)間的精確距離。高度的顯示會有英制和公制兩種方式，進(jìn)GPS的SETUP頁面，設(shè)置成公制，這樣在其他象速度、距離等的顯示也都會成公制的了。

空間定位技術(shù)路標(biāo)(Landmark or Waypoint)

GPS內(nèi)存中保存的一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。在有GPS信號時(shí)，按一下\"MARK\"鍵，就會把當(dāng)前點(diǎn)記成一個(gè)路標(biāo)，它有個(gè)默認(rèn)的一般是象\"LMK04\"之類的名字，你可以修改成一個(gè)易認(rèn)的名字(字母用上下箭頭輸入)，還可以給它選定一個(gè)圖標(biāo)。路標(biāo)是GPS數(shù)據(jù)核心，它是構(gòu)成“路線”(見3)的基礎(chǔ)。標(biāo)記路標(biāo)是GPS主要功能之一，但是你也可以從地圖上讀出一個(gè)地點(diǎn)的坐標(biāo)，手工或通過計(jì)算機(jī)接口輸入GPS，成為一個(gè)路標(biāo)。一個(gè)路標(biāo)可以將來用于GOTO功能(見5)的目標(biāo)，也可以選進(jìn)一條路線Route，見3.)作為一個(gè)支點(diǎn)。一般GPS能記錄500個(gè)或以上的路標(biāo)。

空間定位技術(shù)路線(ROUTE)

路線是GPS內(nèi)存中存儲的一組數(shù)據(jù)，包括一個(gè)起點(diǎn)和一個(gè)終點(diǎn)的坐標(biāo)，還可以包括若干中間點(diǎn)的坐標(biāo)，每兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)之間的線段叫一條\"腿\"(leg)。常見GPS能存儲20條線路，每條線路30條\"腿\"。各坐標(biāo)點(diǎn)可以從現(xiàn)有路標(biāo)中選擇，或是手工/計(jì)算機(jī)輸入數(shù)值，輸入的路點(diǎn)同時(shí)做為一個(gè)路標(biāo)(Waypoint/Landmark)保存。實(shí)際上一條路線的所有點(diǎn)都是對某個(gè)路標(biāo)的引用，比如你在路標(biāo)菜單下改變一個(gè)路標(biāo)的名字或坐標(biāo)，如果某條路線使用了它，你會發(fā)現(xiàn)這條線路也發(fā)生了同樣的變化?？梢杂幸粭l路線是\"活躍\"(Activity)的?！盎钴S”路線的路點(diǎn)是導(dǎo)向(見5)功能的目標(biāo)

空間定位技術(shù)前進(jìn)方向(Heading)

GPS沒有指北針的功能，靜止不動時(shí)它是不知道方向的。但是一旦動了起來，它就能知道自己的運(yùn)動方向。GPS每隔一秒更新一次當(dāng)前地點(diǎn)信息，每一點(diǎn)的坐標(biāo)和上一點(diǎn)的坐標(biāo)一比較，就可以知道前進(jìn)的方向，請注意這并不是GPS頭指的方向，它老人家是不知道自己的腦袋和運(yùn)動路線是成多少度角的。不同GPS關(guān)于前進(jìn)方向的算法是不同的，基本上是最近若干秒的前進(jìn)方向，所以除非你已經(jīng)走了一段并仍然在走直線，否則前進(jìn)方向是不準(zhǔn)確的，尤其是在拐彎的時(shí)候你會看到數(shù)值在變個(gè)不停。方向的是以多少度顯示的，這個(gè)度數(shù)是手表表盤朝上，12點(diǎn)指向北方，順時(shí)針轉(zhuǎn)的角度。有很多GPS還可以用指向羅盤和標(biāo)尺的方式來顯示這個(gè)角度。一般同時(shí)還顯示前進(jìn)平均速度，也是根據(jù)最近一段的位移和時(shí)間計(jì)算的。

空間定位技術(shù)導(dǎo)向(Bearing)

導(dǎo)向功能在以下條件下起作用：

1.)以設(shè)定\"走向\"(GOTO)目標(biāo)。\"走向\"目標(biāo)的設(shè)定可以按\"GOTO\"鍵，然后從列表中選擇一個(gè)路標(biāo)。以后\"導(dǎo)向\"功能將導(dǎo)向此路標(biāo)。

2.)目前有活躍路線(Activity route)?；钴S路線一般在設(shè)置->路線菜單下設(shè)定。如果目前有活動路線，那么\"導(dǎo)向\"的點(diǎn)是路線中第一個(gè)路點(diǎn)，每到達(dá)一個(gè)路點(diǎn)后，自動指到下一個(gè)路點(diǎn)。

在\"導(dǎo)向\"頁面上部都會標(biāo)有當(dāng)前導(dǎo)向路點(diǎn)名稱(\"ROUTE\"里的點(diǎn)也是有名稱的)。它是根據(jù)當(dāng)前位置，計(jì)算出導(dǎo)向目標(biāo)對你的方向角，以與\"前進(jìn)方向\"相同的角度值顯示。同時(shí)顯示離目標(biāo)的距離等信息。讀出導(dǎo)向方向，按此方向前進(jìn)即可走到目的地。有些GPS把前進(jìn)方向和導(dǎo)向功能結(jié)合起來，只要用GPS的頭指向前進(jìn)方向，就會有一個(gè)指針箭頭指向前進(jìn)方向和目標(biāo)方向的偏角，跟著這個(gè)箭頭就能找到目標(biāo) 。

日出日落時(shí)間(Sun set/raise time)

大多數(shù)GPS能夠顯示當(dāng)?shù)氐娜粘觥⑷章鋾r(shí)間，這在計(jì)劃出發(fā)/宿營時(shí)間時(shí)是有用的。這個(gè)時(shí)間是GPS根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)度和日期計(jì)算得到的，是指平原地區(qū)的日出、日落時(shí)間，在山區(qū)因?yàn)橛猩郊拐趽?，日照時(shí)間根據(jù)情況要早晚各少半個(gè)小時(shí)以上。GPS的時(shí)間是從衛(wèi)星信號得到的格林尼制時(shí)間，在設(shè)置(setup)菜單里可以設(shè)置本地的時(shí)間偏移，對中國來說，應(yīng)設(shè) 8小時(shí)，此值只與時(shí)間的顯示有關(guān)。

空間定位技術(shù)足跡線(Plot trail)

GPS每秒更新一次坐標(biāo)信息，所以可以記載自己的運(yùn)動軌跡。一般GPS能記錄1024個(gè)以上足跡點(diǎn)，在一個(gè)專用頁面上，以可調(diào)比例尺顯示移動軌跡。足跡點(diǎn)的采樣有自動和定時(shí)兩種方式自動采樣由GPS自動決定足跡點(diǎn)的采樣方式，一般是只記錄方向轉(zhuǎn)折點(diǎn)，長距離直線行走時(shí)不記點(diǎn)；定時(shí)采樣可以規(guī)定采樣時(shí)間間隔，比如30秒、一分鐘、5分鐘或其他時(shí)間，每隔這么長時(shí)間記一個(gè)足跡點(diǎn)。在足跡線頁面上可以清楚地看到自己足跡的水平投影。你可以開始記錄、停止記錄、設(shè)置方式或清空足跡線?！白阚E”線上的點(diǎn)都沒有名字，不能單獨(dú)引用，查看其坐標(biāo)，主要用來畫路線圖(計(jì)算機(jī)下載路線"para" label-module="para">

同時(shí)，把此路線激活為活動路線，用戶即可按導(dǎo)向功能原路返回。要注意的是回溯功能一般會把回溯路線放進(jìn)某一默認(rèn)路線(比如route0)中，看你GPS的說明書，使用前要先檢查此線路是否已有數(shù)據(jù)，若有，要先用拷貝功能復(fù)制到另一條空線路中去，以免覆蓋?；厮萋肪€上的各路點(diǎn)用系統(tǒng)默認(rèn)的臨時(shí)名字如\"T001\"之類，有的GPS定第二條回溯路線時(shí)會重用這些名字，這時(shí)即使你已經(jīng)把舊的路線做了拷貝，由于路點(diǎn)引用的名字被重用了，所以路線也會改變，不是原來那條回溯路線了。請查看你GPS的使用說明書，并試用以明確你的情況。有必要的話，對于需要長期保存的TraceBack路線，要拷貝到空閑路線，并重命名所有路點(diǎn)名字 。2100433B

在衛(wèi)星定位系統(tǒng)出現(xiàn)之前，遠(yuǎn)程導(dǎo)航與定位主要用無線導(dǎo)航系統(tǒng)。

空間定位技術(shù)無線電導(dǎo)航系統(tǒng)

·羅蘭--C：工作在100KHZ，由三個(gè)地面導(dǎo)航臺組成，導(dǎo)航工作區(qū)域2000KM，一般精度200-300M。

·Omega（奧米茄）：工作在十幾千赫。由八個(gè)地面導(dǎo)航臺組成，可覆蓋全球。精度幾英里。

·多卜勒系統(tǒng)：利用多卜勒頻移原理，通過測量其頻移得到運(yùn)動物參數(shù)（地速和偏流角），推算出飛行器位置，屬自備式航位推算系統(tǒng)。誤差隨航程增加而累加。

缺點(diǎn)：覆蓋的工作區(qū)域??；電波傳播受大氣影響；定位精度不高。

空間定位技術(shù)衛(wèi)星定位系統(tǒng)

最早的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國的子午儀系統(tǒng)（transit），1958年研制，64年正式投入使用。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較?。?-6顆），運(yùn)行高度較低（平均1000KM），從地面站觀測到衛(wèi)星的時(shí)間隔較長（平均1.5h），因而它無法提供連續(xù)的實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航，而且精度較低 。

為滿足軍事部門和民用部門對連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求。1973年美國國防部制定了GPS計(jì)劃。

空間定位技術(shù)GPS發(fā)展歷程

GPS實(shí)施計(jì)劃共分三個(gè)階段：

·第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星。研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)。

·第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

·第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段。1993年底實(shí)用的GPS網(wǎng)即（21 3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。