gps接收机气象传感器_gps传感器工作原理
1.GPS有哪些作用？
2.什么是GPS?简述目前国内外主要GPS技术?
3.GPS卫星定位系统的工作原理
4.GPS气象学的应用与发展
5.gps原理与应用
全球定位系统是用人造地球卫星进行点位测量的系统。它广泛用于海空导航、导弹制导、动态观测、时间传递、速度测量、车辆引导等领域。在测绘技术和工程建设方面，不仅在建立大地控制网、全球性的地球参数测量、板块运动状态监测、航空航天参数测定、建立陆地海洋大地测量基准等方面得到应用，而且在工程建设的规划、设计、施工、验收与监测、大型精密设备安装、变形观测、线路测量、精密工程测量等方面也日益广泛地得到引用。
一、GPS测量的优点
GPS是全球定位系统（Global Positioning System）的简称。GPS测量是利用卫星进行定位的一项新的测量技术。与传统的测量技术相比，它具有如下几个方面的优点：
1）用途广。用GPS信号可进行海空导航、车辆引行、导弹制导、精密定位、工程测量、动态观测等。
2）观测简便。测量时，测量员只要将GPS接收机天线单元安置在测站上，接通电源，启动接收单元；在结束测量时，只需量取天线高度，关闭电源便完成野外数据采集。另外，GPS是全天候测量系统，因此，可以在较短时间内以较少人力物力完成外业工作。
3）精度高。用载波相位测量作相对定位，相对定位精度可达到±（5mm+1×10-6·D）（D是比例误差）的距离精度，观测时间小于1h。若采用快速定位方法，观测时间仅需2min左右，即能达到厘米级的定位精度。
4）经济效率高。GPS测量不要求测站之间通视，可以省去常规测量所需的造标费用，又由于GPS测量精度高，作业时间短，因此经济效益十分显著。
二、GPS系统
GPS系统包括下列三大部分。
1.GPS卫星星座（空间部分）
GPS系统包括24颗卫星，均匀分布在6个近似圆形的轨道上，各个轨道平面之间交角为60°，每个轨道上有4颗卫星，轨道距地面高度约20200km，卫星绕地球一周的时间为12h，地球上任何地方在任何时刻都能收到至少4颗卫星发来的信号。
每个GPS卫星连续地发送两个不同频率的无线电波（L1=1575.42MHz，L2=1227.60MHz）。载波上调制了多种信号，最主要的有测距码（P精码、C/A 粗码）和导航电文。测距码用于测量卫星到地面点接收机的距离；导航电文用于计算卫星的轨道参数。
2.地面监控系统（地面控制部分）
GPS卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否沿着预定轨道运行，都由地面监控系统进行监测和控制。地面监控系统包括一个主控站、3个注入站和5个监测站，分布在美国本土和世界其他地区的美军基地上。
GPS卫星是一种动态的已知点，它是依据卫星发送的星历（描述卫星运动及其轨道的参数）计算而得的。每颗GPS卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的。
另外，地面监控系统还监测各颗卫星的时间，并计算它们的有关改正数，进而由导航电文发送给用户，以确保各颗卫星处于同一GPS时间系统。
3.GPS接收机
GPS接收机的主要功能是解码，分离出导航电文，进行相位和伪距测量。GPS接收机从结构来讲，主要由五个单元组成：天线和前置放大器；信号处理单元，它是接收机的核心；控制和显示单元；存储单元；电源单元。
GPS接收机主要用于以下两个方面：
1）静态定位。用户天线在跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，连同GPS卫星在轨的已知位置，可算出固定不动的用户天线的三维坐标。后者可以是个固定点，也可以是若干点位构成的GPS网。静态定位的特点是多余观测量大，可靠性强，定位精度高。
2）动态定位。载体（车辆、船舰、飞机等）上的用户天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数。动态定位的特点是逐点测定运动载体的状态参数，多余观测量少，精度较低。
GPS接收机的型号很多，按其所用载波频率的多少可分为用一个载波频率（L1）的单频接收机和用两个载波频率（L1L2）的双频接收机。单频接收机便宜，而双频接收机能消除某些大气延迟的影响。对于边长大于10km的精密测量，最好采用双频接收机，而一般的控制测量，单频接收机就行了。
三、GPS定位的基本原理
GPS测量有伪距与载波相位两种基本的观测量。GPS接收机测量了卫星信号（测距码）由卫星传播至接收机的时间，再乘上电磁波传播的速度，便得到由卫星到接收机的伪距。但由于传播时间含有卫星时钟与接收机时钟不同步误差，以及测距码在大气中传播的延迟误差等，所以求得的伪距并不等于卫星与测站的几何距离。载波相位测量是把接收到的卫星信号和接收机本身的信号混频，再进行相位测量。伪距测量的精度约为一个测距码的码元长度的百分之一，对P码而言约为30cm，对C/A码而言为3m左右。而载波的波长则短得多（分别为19cm和24cm），所以载波相位测量精度一般为1～2mm。由于相位测量只能测定载波波长不足一个波长的部分，因此所测的相位可看成是波长整倍数未知的伪距。
GPS定位时，把卫星看成是动态的已知控制点，利用所测的距离进行空间后方交会，便可得到接收机的位置。
GPS定位包括单点定位和相对定位。
独立确定待定点在WGS-84世界大地坐标系中的绝对位置的方法，称为单点定位或绝对定位。其优点是只需一台接收机即可独立定位；外出观测的组织及实施较为自由方便，数据处理也较简单，但其结果受卫星星历误差和卫星信号传播过程中的大气延迟误差的影响比较显著，所以定位精度较差，一般为几十米。单点定位在船舶、飞机的导航、地质矿产勘探、暗礁定位、海洋捕鱼、国防建设及低精度测量等领域中有着广泛的应用前景。
相对定位是确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置（三维坐标差）的一种定位方法。相对定位测量时，许多误差对同步观测的测站有相同的或大致相同的影响。因此，计算时，这些误差可以抵消或大幅度削弱，从而获得很高精度的相对位置，一般精度为几毫米至几厘米。相对定位与单点定位相比，外业观测的组织与实施以及数据处理就复杂一些。相对定位广泛用于大地测量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域。
四、GPS相对定位的主要误差来源
1）时钟误差。卫星上的时钟误差和接收机的时钟误差都是GPS测量的主要误差。
2）卫星位置误差。GPS卫星的位置是依据卫星发送的星历计算而得的，其平均误差约为20mm。令dr为卫星位置误差，则其对相对定位的影响可近似用下式估算，即
建筑工程测量
式中：D——两接收机问的距离；
dD——相对位置误差；
S——接收机到卫星的距离，近似为20000km。
例如dr=20m，对两点相位位置的影响为1×10-6。
3）大气延迟影响。卫星信号要穿过大气层才到达接收机，因此大气对卫星信号有延迟作用（影响其传播速度）。从地面到约50km高空的大气叫对流层，对流层的延迟是大气中气温、气压和湿度的函数，可通过测站上所测量的气象要素进行改正。50km以上高空的大气叫电离层，它的影响用双频接收机的测量结果来改正。
4）多路径误差。经某些物体表面反射后到达接收机的信号和直接来自卫星的信号叠加进入接收机，使测量产生误差。其影响与天线周围环境有关。因此，选择合适的测站位置是减少此项误差的主要措施。
5）观测误差。观测误差与测量所用信号的波长有关。用C/A码和P码做伪距观测，误差分别为3m和0.3m；载波相位测量，误差为1～2mm。
一般来讲，GPS相对定位的精度可表示为
σ2=a2+b2·D2 （6-26）
式中：σ——相对定位中误差；
a——固定误差部分；
b——比例误差部分；
D——两测站间的距离。
复习题
1.经纬仪导线测量的外业工作包括哪些内容？
2.选定导线点时应注意哪些问题？
3.导线与附合导线的计算有哪些异同点？
4.按表6-11已知数据，计算闭合导线各点的坐标值。
表6-11 闭合导线坐标
GPS有哪些作用？
野外地质调查工作的一项重要任务是确定地质体的地理位置和空间关系。因此，在进行路线地质调查中，要根据实际观察到的地质现象，布置很多的地质观察点：如岩性点、界线点、构造点、矿产点、地貌点、第四纪地质点及水文地质点等。确定准确的观察点地理位置（坐标值或经纬度）是野外地质工作的基本技能，以往常用的方法有三种：①根据典型地形、地物在地形图上手工定点；②用罗盘后方交会法测量定点；③用手持GPS（全球定位系统）进行定点。目前主要采用第三种。
GPS导航产品的基本功能如图3.2所示。
图3.2 GPS基本功能示意图
当前市面上可以看到许多种手持式GPS接收机，例如美国Trimble（天宝）手持GPS、麦哲伦135、美洲豹12C、集思宝60等（图3.3）。
图3.3 天宝手持GPS（a）和集思宝GPS（b）
江西应用技术职业学院目前使用的是美国Trimble公司JUNO SA 手持GPS接收机（图3.4），其在森林中和困难环境中的定位可以实现2～5m的精度。下面介绍Trimble手持GPS的使用方法。
图3.4 Trimble手持GPS触摸屏、按钮、1158接口等
3.2.1 开关机
开机，按住电源键4s（指在完全关机的模式下）；关机，按住电源键5s将完全关闭系统；挂机模式，按下电源键马上松开（此模式下系统并没有关闭，一样消耗电能，仅适用短时间不用设备。若是长时间不用，请务必关机）。
3.2.2 软件的功能菜单
TerraSync软件主要是完成外业的数据采集或更新的功能，实现外业点、线、面等要素的数据采集，同时记录该要素的属性信息。
TerraSync共有五大功能菜单：图形、数据、导航、状态、设置。
（1）地图区域可显示打开的数据文件中的所有要素。可在背景显示光栅或矢量地图以供参照；设置导航目标以及开始导航（图3.5）。
（2）数据区域可用于更新已有GIS、CAD 或空间数据库的数据（图3.6）。用户可以查看、编辑和更新要素的位置和属性。可以筛选数据，找出数据维护工作所需“数据”区域，也可用于准确高效地采集地理点、线、面的属性和GPS位置。这些信息存储在一个或多个数据文件中。可将这些数据文件传输到Trimble的GPS Pathfinder Office软件
图3.5 地图功能界面
进行后处理和编辑，然后，数据即可以各种GPS兼容格式导出。
图3.6 数据功能界面
（3）导航区域可用来导航到指定位置，可以根据箭头指引的方向前进，到达目标点（图3.7）。
图3.7 导航功能界面
（4）状态区域可用来查看有关软件、GPS接收机、已配置的任一实时信息源的概要或详细信息，以及接收机跟踪的卫星的位置和健康状况（图3.8）。
图3.8 状态功能界面
（5）设置区域可用来控制Trimble软件与GPS接收机及任一实时改正信息源之间的交互方式，并配置数据采集和显示设置（图3.9）。
图3.9 设置功能界面
3.2.3 外业数据采集
Ⅰ.新建数据文件
选择定义的数据词典文件名：在此输入数据文件名称。词典名：通过下拉键选择已经作好的数据词典。当输入文件名和选择数据词典后，点击创建，进入数据采集程序（图3.10）。
图3.10 新建数据文件界面
Ⅱ.采集要素
Trimble软件支持点、线、面的要素采集（图3.11）。
采集点：点击点要素，然后再点击创建，在点的位置上保持不动，连续观测，在采集足够的时间后（建议不少于60s）点击确认即可。在此期间，可以输入点地物的属性信息。
图3.11 要素采集界面
采集线：点击线要素，然后点击创建，GPS开始采集，沿需要采集的线状地物前进，当移动到地物结束点后，再点击确认。在此期间，可以输入线状地物的属性。
采集面：点击面要素，然后点击创建，GPS开始采集，沿面状地物边缘前进，最后返回到起始位置，然后按确认，面状要素采集结束。在此期间，可以输入面状要素的属性信息。
Ⅲ.更新要素
更新要素是对文件中已经存在的点、线、面要素进行重新更新采集，更新原有的位置或者属性信息（图3.12）。
图3.12 更新要素界面
图3.13 文件管理器界面
Ⅳ.文件管理器
文件管理器列出所有采集的数据文件，以及相关的文件信息，采集时间、文件大小……选项窗口可以执行对数据文件管理指令（图3.13）。
删除——删除数据文件；
复制/移动——复制或移动到其他存储器中；
电子邮件接收/发送——通过电子邮件接收或发送数据文件；
编辑/创建字典——在这里，对已有的数据文件的数据字典重新进行编辑或创建，直接读取或者输出ArcGPS.SHP格式数据文件。
Ⅴ.关于记录间隔
记录间隔是设置当前间隔多久记录一个数据。一般情况下，可以设置成1s 采样间隔或者5s采样间隔（图3.14）。
3.2.4 导航
这一项通过“方向盘”和“特写镜头”屏幕来帮助你导航到特征点上。导航和地图的有效组合使你无论走到哪儿都简单而可靠，尤其是确定隐蔽的或地下特征就更有用了（图3.15）。
图3.14 记录间隔设置界面
图3.15 导航设置界面
导航时，用户沿着设计的航线准确到达目标点上或者以前测过图的特征物旁。方向盘屏幕可显示从远处引导到目标点的各项信息。当用户位于几米之内时，局部特写屏幕会自动代替方向盘屏幕，这样有助于准确对目标定位。
首先，设置导航目标，然后设置导航开始，在导航界面就会实时显示目标的方向。同时，也可以调整下面显示的是距离还是方向（图3.16）。
图3.16 导航目标定位界面
第二，选择导航目标。点击该点或者地图上点的位置即可。
第三，输入导航点坐标。选择对应的坐标系统，在导航界面下选择路点，新建路点文件，输入点的坐标，然后进行导航（图3.17）。
图3.17 输入导航点坐标界面
3.2.5 设置
设置功能用来进行数据采集以及软件系统本身的一些参数设置，分为：记录设置、GPS设置、实时设置、坐标系统、单位、外部传感器（图3.18）。
图3.18 设置功能界面
Ⅰ.记录设置
记录设置主要用来设置在数据采集时的一些必要的设置项目（图3.19）。
图3.19 记录设置界面
Ⅱ.GPS设置
GPS设置川来设置定位精度的参数选项，以及GPS接收机和电脑的端口（图3.20）
Ⅲ.实时设置
设置GPS接收机接收信标差分以及卫星差分。
Ⅳ.坐标系统设置
用户可根据自己的需要，用以设置数据采集系统的坐标系统（图3.21）。
图3.20 GPS设置界面
图3.21 坐标系统设置界面
V.单位设置
该菜单主要是对显示单位的设置，包括距离单位、面积单位、速度单位、角度单位、经纬度格式、精度格式等（图3.22）。
Ⅵ.外部传感器
外部传感器设置项主要是当GPS要接外部传感器，比如激光枪以及其他电子测量设备进行偏心测量时，用于端口以及通讯参数的设置。
图3.22 单位设置界面
什么是GPS?简述目前国内外主要GPS技术?
在茫茫大海中的航船，在越洋飞行中的飞机，在高速公路上奔驰的汽车，无不希望时刻知晓自己所在的方位及前进的目标。这就是交通运输工具的定位与导航。
在古代，人们可以根据星星来定位，但那只能在晴朗的天气下进行，这就是原始的天文导航。直至19世纪，人类才发明了无线电导航，它不再受天气影响，而是通过无线电发射台发射电波，接收机接收以确定交通工具的方位，从而引导航向。但是由于无线电发射台很难建设在海洋中或荒野大漠中，对交通工具的定位和导航仍然会有很大的误差。
在1991年开始的海湾战争中，美军和多国部队到沙漠作战，运送物质、侦察、空战等等都需要准确的定位和导航，但美军做到了这一点。原来他们装备了一种新研制的GPS接收机，在战争中发挥了重大作用，从此GPS便风靡世界。
GPS是“全球卫星定位系统”的英文缩写。它的基本原理可以说是“天文”导航与无线电导航的巧妙结合。在GPS中，人造卫星代替了星星，不过不需要观测，地面的无线电发射台搬到卫星上，向地球发射电波，地面上的目标靠接收电波来确定自己的方位。
已于1993年12月正式开通的美国GPS系统，包括人造卫星、地面监控站和用户接收三个部分。美国向距地球2万千米的轨道发射了24颗人造卫星，这些卫星严格按预定轨道运行，每个时刻的方位都是准确的，这些卫星向地面发射电波，近乎均匀地辐射于地面。地面监控站设在赤道附近，全球共有5处，它们的作用是监控所有卫星。
GPS的用户装备有GPS接收机，可接收3～4颗卫星的信号。卫星上特定时间发射的无线电信号以光速传播，在这点上就能计算出用户距卫星的距离，3颗卫星的信号就能准确地确定用户的位置。当然，这一切计算都是通过计算机来进行的。
GPS虽然首先用于军事，但其在民用领域里有着十分广泛的应用前景。
GPS对于航空运输是十分重要的，它可以使越洋长距离飞行的飞机导航准确性大为提高，在地面上用雷达电波因地球弧度的影响做不到很高的准确度。GPS还可以引导飞机在全世界任何机场进行全天候精确盲降，特别是在恶劣天气下更显其重要。这样可以大大降低降落系统的设备费用。
GPS既可以采用单个用户车载或便携式直接跟踪自定位方式，也可以利用地面控制中心多路跟踪方式。后面这一种方式在交通运输中可以起着“交警”的作用，指挥疏散交通，保证交通安全。如在铁路系统中，利用控制中心对多列列车（每列列车上装有GPS接收机）进行调度指挥，提高利用率；在城市交通中，出租汽车公司可利用GPS方便地调度车辆，并且可以建成汽车防盗系统；在航海中，应用GPS则更为方便，船只可以据此驶向预定的海域。
现在，便携式的GPS接收机差不多只有手提电话的大小。荒野中的步行者手握GPS决不会迷失方向。
GPS卫星定位系统的工作原理
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 “ Navigation Satellite Timing And
Ranging / Global Positioning System” 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
1.2 GPS 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
3
1.2.1 GPS 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
1.2.3 GPS 用户接收机
4
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
5
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SPS PPS 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
3 GPS 信号结构
3.1 GPS 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
3.2 GPS 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
7
据码D t 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L1 L2 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L1 L2 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f0 10.23MHz 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( ) 1 1 1 1 1 S t = A P t D t w t +j + A C t w t +j L p i i L c i L
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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( ) 2 2 2 S t = B P t D t w t + j L p i i L
式中 p p c A ,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1 1 , L L w w
分别为载波L1 和L2 的角频率1 2 j,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
3.3 C/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(t it0)
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tu 1/f1 0.98
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
1/10 1/20 … 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
3.4 P 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N2 15.345X106 37
因此 P 码为 P(t)= PN1(t) PN2(t+ni ) 0 ni 36
相应的码元数为: N= N1 N2=2.35X1014,
10
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0.098 s 相当于29.3m 若两个序列的码元
测量误差为码宽的1/10 1/20 … 1/100 此时相应的测距误差为
2.93 0.293m 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
4 GPS 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
11
4.1 GPS 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
4.2 GPS 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
GPS气象学的应用与发展
GPS模块定位原理
24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。
由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。
事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。
由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号的影响，使得民用GPS的定位精度只有10米。为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS）技术，建立基准站（差分台）进行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出一修正数，并对外发布。接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置。实验表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。
什么是GPS模块
GPS 模块就是GPS信号接收器,它是一个可以用无线蓝牙或有线方式与电脑或手机连接，将它接收到的GPS信号传递给电脑或手机中的GPS软件进行处理。我们常说的GPS定位模块称为用户部分，它像“收音机”一样接收、解调卫星的广播C/A码信号，中以频率为1575.42MHz。GPS模块并不播发信号，属于被动定位。
GPS模块的应用关键在于串口通信协议的制定，也就是模块的相关输入输出协议格式。它主要包括数据类型与信息格式，其中数据类型主要有二进制信息和NMEA全国海洋电子协会数据信息。这两类信息可以通过串口与GPS接收机进行通信。
GPS模块通过运算与每个卫星的伪距离，采用距离交会法求出接收机的得出经度、纬度、高度和时间修正量这四个参数，特点是点位速度快，但误差大。初次定位的模块至少需要4颗卫星参与计算，称为3D定位，3颗卫星即可实现2D定位，但精度不佳。GPS模块通过串行通信口不断输出NMEA格式的定位信息及辅助信息，供接收者选择应用。
gps原理与应用
GPS技术的迅猛发展和日臻成熟使其成为对地球观测的一种新的,更加有力的手段,已
成功地在地球科学的许多领域得到应用,如地壳形变和板块运动监测,火山爆发,地震的监测
及预报,地球自转监测,电离层监测及空间天气预报,对流层监测及天气预报等. 20世纪90年代以来,人们已开始利用GPS理论和技术来遥感地球大气.例如多路径效应是GPS定位中的一种噪音,至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易解决的干扰,但人们从
大气对GPS信号延迟的噪声处理的逆问题,发展出了利用GPS信号测定大气水汽含量及温度的一种新手段,从而为更好地监测恶劣天气和气候变化提供了新的技术支持.在GPS气象探测已成为WMO(世界气象组织)21世纪新的全球综合高空观测系统的重要组成部分.由此,以GPS技术在气象学研究及应用为主要内容形成了一门新兴的交叉学科,称为GPS气象学(GPSMe2eorology,简写为GPS/MET).GPS观测资料在大气探测,天气变化监测和数值天气预报模式中应用的优越性以及取得的初步成功,使GPS气象学在不到十年的时间内很快发展为一个崭新的,极具应用潜力的GPS研究及应用的重要领域. GPS气象学的研究于20世纪80年代后期最先在美国起步,进行了多次试验[1～2].在美国取得较理想的试验结果后,其他发达国家如日本,德国,瑞典等[3～5]也开始重视GPS气象学,已成功组织了数次较大规模的GPS观测试验,取得了一系列研究成果并开始应用于大气研究和气象预报业务中.20世纪90年代中期以来,我国也逐步开展了地基GPS观测在气象学中应用的研究和业务试验工作. 英国负责建立的连续运行GPS参考站(COGPS)系统的功能和目标类似于美国的CORS,但结合英国本土情况还增加了监测英伦三岛周围的海平面相对和绝对变化的任务.
日本在国土地理院(GSI)的组织下已建成近1200个GPS连续运行站网(GEONET,GPSEarthObservationNetwork),站间距为15～30km,这是目前世界上最大的,最密集的用于地球科学研究的GPS国家观测网.它在以监测地壳形变,预报地震以及计算大气可降水量,研究与大气水汽变化相关的天气变化为主要功能的基础上,联合气象研究和业务部门正开发利用GPS资料的四维同化业务系统,如日本气象厅气象研究所(MRI)正在发展一种用于中度数值模式的GPS数据变分同化系统,以提高数值天气预报模式的模拟和预测水平.
GPS气象学
1998～2003年,在GSI牵头下日本实施了为期五年的日本GPS气象学观测和研究计划(GPS/METJapan),特别是于2000年秋季和2001年春季在筑波地区202km的范围内进行了2次GPS高密度观测网试(TsukubaGPSDenseNetCampaign)目的是探测几公里量级的小尺度水汽变化并用于短时雷暴,暴雨等灾害性天气的预报.试验区域内集中设立了75个
GPS接收点和22个地面气象观测点,其GPS接收站点的间距达到空前的1～3km.
2002年8月北京气象局在北京汛期降水的主要水汽输入通道—房山区建成了由8个站组成的地基GPS水汽遥测站网,已用BerneseGPS数据分析软件对解算大气可降水量进行了初步试验,并与传统无线电探空资料计算的可降水量(SONDE2PWV)进行了对比.GPS技术的应用可加深对城市气象基本特征的认识,为开展城市精细化气象服务提供技术保障.此外该局还参与了数字北京和数字奥运的相关计划,应用由GPS,RS(遥感系统),GIS(地理信息系统)组成的3S技术来获取各类实时的,历史的气象资料以及奥运场馆实时气象观测资料.
2003年,广东省也计划用3a时间兴建覆盖全省的GPS网,可积累广东甚至华南上空高意义精度高时空分辨率的可降水量实时资料,对监测,预报广东及珠江三角洲的气候演变具有重要意义.
中国科学院上海天文台的学者在我国较早开展了GPS气象学及其在剧变天气分析中的应用研究.从20世纪90年代起分别开展了地基GPS气象学,空基GPS气象学以及GPS无线电掩星反演大气廓线的研究工作.在国内气象界,北京大学的李成才,毛节泰等人最早将GPS/MET介绍到国内气象界[并将地基GPS遥感大气水汽总量技术的分别应用于上海,武汉,北京等地区,并探索了求得适合中国东部地区特点的加权平均温度Tm的计算方法 .
GPS定位原理
GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座；
地面控制部分—地面监控系统；
用户设备部分—GPS信号接收机。
GPS卫星星座
GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度，一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。
在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。
地面监控系统
对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
GPS信号接收机
GPS信号接收机的任务是：能够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，位置，甚至三维速度和时间。
静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。
接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。
参考资料：