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全球定位系统GPS详解(精华版)

时间:2019-01-01   来源:文学百科   点击:
GPS,即全球定位系统(Global Positioning System),它是一个中距离圆形轨道卫星定位系统,可以为地球表面绝大部分地区提供准确的定位和高精度的时间基准。该系统是通过太空中的24颗GPS卫星来完成的。最少需要其中3颗卫星,就能迅速确定您在地球上的位置。所能接收到的卫星数越多,译码出来的位置就越精确。在汽车定位时,只需要在汽车上装一台比32开书本略小的“车载终端”就可以了。       在森林资源连续清查中应用GPS技术的优势:       1.可直接按坐标确定样地的位置。       2.解决了小比例尺地形图找明显地形地物为引点的难题。       3.克服了地形图本身有误差、传统的罗盘仪引线测量引起误差以及其它因素造成样地定位不准的问题。       4.定位精度高于罗盘仪引线定位,大大减少了野外作业时间和工作量,节省了时间,提高了工作效率。       GPS的发展       在卫星定位系统出现之前,远程导航与定位主要用无线导航系统。    1、无线电导航系统     1)罗兰--C:工作在100KHZ,由三个地面导航台组成,导航工作2000KM,一般精度200-300M。     2)Omega(奥米茄):工作在十几千赫。由八个地面导航台组成,可覆盖全球,精度几英里。     3)多卜勒系统:利用多卜勒频移原理,通过测量其频移得到运动物参数(地速和偏流角),推算出飞行器位置,属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。 缺点:覆盖的工作区域小;电波传播受大气影响;定位精度不高     2、卫星定位系统     最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统(Transit),1958年研制,64年正式投入使用。由于该系统卫星数目较小(5-6颗),运行高度较低(平均1000KM),从地面站观测到卫星的时间隔较长(平均1.5h),因而它无法提供连续的实时三维导航,而且精度较低。 为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。     3、GPS发展历程     GPS实施计划共分三个阶段:    第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年,共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。    第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准。    第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。       GPS系统的特点      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。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初,设计GPS系统的主要目的是用于导航,收集情报等军事目的。但是,后来的应用开发表明,GPS系统不仅能够达到上述目的,而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位,米级至亚米级精度的动态定位,亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此,GPS系统展现了极其广阔的应用前景。       GPS系统的组成       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。     1、GPS卫星星座      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。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时,甚至不能测得精确的点位坐标,这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的,并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。      2、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。      3、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。      GPS卫星发送的导航定位信号,是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户,只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备,即GPS信号接收机。可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同,用户要求的GPS信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机,产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。      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。      GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中,机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止丢失数据。      近几年,国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时,其双频接收机精度可达5MM+1PPM.D,单频接收机在一定距离内精度可达10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。      目前,各种类型的GPS接收机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测。GPS和GLONASS兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。       GPS的常用术语       1、坐标      描述你的位置的一组数值,一般有纬度(北或南)和经度(东或西)。UTM坐标系以米为单位测量你离赤道(北或南)和本初子午线(东或西)的距离。另外一个坐标系MGPS(Military Grid Reference System)也基于UTM,但是把UTM坐标分隔得更细了,它只用在军用的GPS接收器上。      2、2维和3维坐标      你的平面位置,例如经度和纬度,称做2维坐标,至少需要3颗GPS卫星的数据来定位2维坐标。如果因为树木、山峰或建筑物挡住了卫星,你可能只能得到2维坐标。      纬度、经度和速度称为3维坐标,确定它需要至少4颗卫星。几乎所有GPS接收器都以提供3维坐标做为标准。     3、路旁标记和航路点      你可以把一个位置存储为一个路旁标记(landmark)或航路点(waypoint)。它可以是你途中定位的一个位置,也可能是你输入的一个坐标或其他位置,例如目的地。GPS设备会给它一个名称,例如LMKOZ,你也可以用一个容易记住的名称重新命名。     4、位置      当你的接收器根据GPS卫星的信息标出了你的坐标后,它会确定你的位置。许多GPS设备允许你选择标记或存储你的现在位置做为路旁标记或航路点。一些甚至允许你为位置命名或添加一个图标。     5、路线      路线包括开始位置和目的地,同时也有途径的地点。一条路线上的两点之间称为航段。一条路线可由一个或若干个航段组成。如果你徒步旅行,你可以输入一条路线,其中包括方向、计划休息的地点或宿营地,还有你的目的地。有一些GPS设备允许你反向跟踪路线或设置逆向路线。      路线主要有两种用途:      1)如果你去探险或旅行,你可以从高速路地图或一些地图软件中获取地点的坐标。这在以后的旅行中很有用。一些GPS接收器允许在计算机上设计你的旅线,然后把它载入你的GPS接收器;      2)如果你拿着GPS接收器旅行时记录下你走过的地点,回家后可以复制或者下载你的路线并且找出最有价值的景点的位置,或者最适合钓鱼的地点,或者你看见一只珍稀小鸟的地点,或者你在恶劣天气藏身的岩洞位置。如果有队员受伤了,救援队就可以根据确切的坐标找到伤员所在的地方。搜索救援人员可以下载完整的路线来知道探险队所在的位置。     6、高度      如果有足够的GPS卫星可见,一些GPS设备可提供高度信息(海拔)。由于GPS系统本身的特点,高度不如平面坐标那么精确。     7、航向      这是反映沿水平方向GPS接收器移动的方向,并不需要你把GPS接收器确切地指向这个方向。在你移动时可以看到这个值,航向的值是按0~359度顺时针方向分布的,和指南针的值相对应。     8、方位角      如果你选定了一个路旁标志或航路点,想知道从你现在所处位置到它的方向,你就需要知道方位角的值。它是从北方向算起沿顺时针分布的值。如果到你的目的地的方位角是270度,而你的移动方向是240度,你的航线就和目的地有30度的偏差。如果你是在坐火车,这可能没关系,但如果这个偏差值很大,你需要查看一下地图,说不定你的路线错了。       GPS在林业上的应用       将GPS这一先进的测量技术应用在林业工作中,能够快速、高效、准确地提供点、线、面要素的精密坐标,完成森林调查与管理中各种境界线的勘测与放样落界,成为森林资源调查与动态监测的有力工具。 GPS技术在确定林区面积,估算木材量,计算可采伐木材面积,确定原始森林、道路位置, 对森林火灾周边测量,寻找水源和测定地区界线等方面可以发挥其独特的重要的作用。 在森林中进行常规测量相当困难,而GPS定位技术可以发挥它的优越性,精确测定森林位置 和面积,绘制精确的森林分布图。      (一) 森林调查、资源管理   1 测定森林分布区域。美国林业局是根据林区的面积和区内树木的密度来销售木材。对木材面积的测量闭合差必须小于1%。在一块用经纬仪测量过面积的林区,采用GPS沿林区周边及拐角处进行了GPS定位测量并进行偏差纠正,得到的结果与已测面积误差为0.03%,这一实验证明了测量人员只要利用GPS技术和相应的软件沿林区周边使用直升飞机就可以对林区的面积进行测量。过去测定所出售木材的面积要求用测定面积的各拐角和沿周边测量两种方法计算面积, 使用GPS进行测量时,沿周边每点上都进行了测量,而且测量的精度很高。   2、利用手持GPS进行省固、局固监测样地初设与复位,只需输入坐标,不需引点引线,且位置准确,效率高,复位率达100%。在我国去年黑龙江等省的国家一类清查中,采用美国GARMIN 公司的12C和eTrex 进行复位测定,取得了良好的效果,工作效率提高5-8倍,定位误差不超过7米,其成果受到国家林业局资源似的充分肯定。   3、利用手持GPS导航伐开境界线,如平坦地林班线的伐开和确立标桩。以往该类工作采用角规、拉线等方法,工作强度大,误差高,准确度低,进场需要反工,浪费严重。采用GPS后,利用其航迹纪录和测角、测距功能,不但降低了劳动强度,而且准确度高,落图简便,极大的提高了效率。    4、利用差分或测量GPS建立林区GPS控制网点,这些具有精密坐标的蕨点,是林区今后各种工程测量作业必须参照的位置蕨,如:手持导航GPS仪器的坐标误差修正,道路、农田、迹地等的勘测。   5、利用差分或测量GPS对林区各种境界线实施精确勘测、制图和面积求算。如:各种道路网、局界、场界地类位置和绘制图形并求算面积,转绘于林业基本用图上,达到对各种森林地类变化的动态监测的目的,测量精度达到分米级。   6、利用差分或测量型GPS进行图面区划界线的精确现地落界,如两荒界、行政区界等。解决现地界线不清和标志位置不准的普遍存在的问题。     (二)GPS技术用于森林防火   1.利用实时差分GPS技术,美国林业局与加里弗尼亚的喷气推进器实验室 共同制定了"FRIREFLY"计划。它是在飞机的环动仪上安装热红外系统和GPS接收机, 使用这些机载设备来确定火灾位置,并迅速向地面站报告。另一计划是使用直升飞机、无人机或 轻型固定翼飞机沿火灾周边飞行并记录位置数据,在飞机降落后对数据进行处理并把 火灾的周边绘成图形,以便进一步采取消除森林火灾的措施。   2.采用手持GPS进行火场定位,火场布兵,火场测面积,火灾损失估算,精确度高,安全性强,能够实时、快速、准确地测定火险位置和范围,为防火指挥部门提供决策依据,已为国内外防火机构广泛采用。      (三)GPS在造林中的应用   1. 飞播   在没有采用GPS 之前,飞行员很难对已播和未播林地进行判断,经常会出现重播和漏播的情况,飞播效率很低。采用GPS之后,利用其航迹纪录功能,飞行员可以轻松了解上次播种的路线,从而有效的避免了重播和漏播。此外,利用航线设定功能,飞行员可以在地面对飞行距离和航线进行设定,在飞行中按照预先设定好的航线工作,极大的降低了作业难度。   2. 造林分类、清查   利用GPS 的航迹记录和求面积功能,林业工作人员很容易对物种林的分布和大小进行纪录整理,同时了解采伐和更新的比例,对各林业类型进行标注,方便了林业的管理。在我国黑龙江和吉林、内蒙等省份的分类经营、造林普查、资源调查中,已经开始大量采用GPS技术,取得了很好的效果,不但节省了大量的人力、物力和资金,而且极大的提高了工作效率。实践证明,采用GPS完全可以取代传统的角规加皮尺的落后测量手段,并取得极大的经济效益。   由此可见,GPS技术的普遍应用必将促进林业工作向着精确、高效、现代化的方向发展,是今后林业作业中必不可少的工具,如广泛使用一定会取得巨大的经济和社会效益。       GIS和GPS的关系       准确地说,GPS(Global Positioning System)是美国的一种卫星定位系统(全世界还有其他国家和地区的卫星定位系统,如我国正在研制的“北斗导航定位系统”)。相对于GIS来说,卫星定位系统为更多的人所熟悉,已越来越多地进入人们的生产和生活,如测绘、野外数据采集、车辆导航、旅游等方面。   通过GPS可以获得任意接收点的空间位置坐标数据,还可用于测时、测速。对于GIS来说,GPS提供了一种极为重要的实时、动态、精确获取空间数据的方法,是GIS的重要数据源,GPS大大地拓展了GIS的应用领域和应用方式。而对于GPS来说,GIS是一种重要的空间数据处理、集成和应用工具。二者紧密联系,共同开创和深化更多领域的空间应用。       GPS相关问答        GPS手持机长时间不定位会有哪些原因造成的?如何解决?     1、GPS手持机处于户内或者可视天空范围狭小的地方。     解决方法:将GPS手持机放至户外可见开阔天空的地方进行定位。     2、GPS手持机的天线受到遮挡。解决方法:将遮挡GPS天线的物体移开。     3、GPS手持机在关机状态下移动了几百公里后首次开机。解决方法:使用GPS手持机的"自动定位"功能(您需要等2-5分钟,取决于当时的卫星分布和周围环境)。     4、GPS手持机长时间没有使用。解决方法:使用GPS手持机的自动定位功能。     5、在进行以上重新定位的操作时,均需要您在可视天空尽量开阔的地方;其中在上述第3和第4种情况的自动定位后,还需要持续收星12分钟以上,确保星历的更新。      GPS手持机可以达到多高的精度?     GPS手持机在无SA干扰的情况下,水平精度可以达到5~15米, 高度精度可以达到8~20米      GPS手持机开机后多长时间能定位?     一般情况下开机后的定位时间在60秒以内,但有时因信号遮挡或干扰以及首次定位等因素,定位时间可能会延长,但一般在90秒到120秒内都是正常的。      让GPS手持机在室内也能定位怎么办?     由于GPS信号非常微弱,所以在室内或车内一般都接收不到信号。有些GPS接收机带有外接天线插口,可以使用接插式外接天线,如美洲豹12XLC。但是多数的GPS没有天线插口,因此要想外接天线就必须使用感应式天线——即把GPS信号接收并放大到一定强度,通过感应发射出去,使得在一定空间范围内(如房间内)充满GPS信号,GPS手持机就可以通过内置的天线接收到这些信号进而定位。这种天线的优点是:信号强度较大,接收速度快,缺点是需外接电源。      OEM板与PC机不能通信是什么原因?     1、OEM板的串口通信协议及波特率与PC机串口的通信协议及波特率不同;     2、计算机的串口损坏;     3、OEM板部分电路损坏,不能加电或正常工作。     4、连接OEM板和PC机之间的数据电缆没有插好或者已损坏;如果是双公线(两端是9针)或双母线(两端是9孔),则内部连线需要交叉,即2脚对3脚。 推荐访问:gpsoo全球定位系统
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