全球定位系统gps的原理（什么是全球定位系统GPS）

GPS定位的基本原理是什么？

根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。

1. 位置差分原理

这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。　安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位，解算出基准站的坐标。由于存在着轨道误差、时钟误差、SA影响、大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是不一样的，存在一个差值。基准站利用数据链将此改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。

最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差，例如卫星轨道误差、 SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。 位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。

2. 伪距差分原理

伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。

在基准站上的接收机要求得它至可见卫星的距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户，用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后，用户利用改正后的伪距来解出本身的位置，就可消去公共误差，提高定位精度。

与位置差分相似，伪距差分能将两站公共误差抵消，但随着用户到基准站距离的增加又 出现了系统误差，这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。

3. 载波相位差分原理

载波相位差分技术又称为RTK技术（real time kinematics），是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标，并达到厘米级的高精度。

与伪距差分原理相同，由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位，并组成相位差分观测值进行实时处理，能实时给出厘米级的定位结果。

实现载波相位差分GPS的方法分为两类：修正法和差分法。前者与伪距差分相同，基准站将载波相位修正量发送给用户站，以改正其载波相位，然后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。

GPS的工作原理是？

GPS的工作原理，简单地说来，是利用我们熟知的几何与物理上一些基本原理。首先我们假定卫星的位置为已知，而我们又能准确测定我们所在地点A至卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心、所测得距离为半径的圆球上。进一步，我们又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在前后两个圆球相交的圆环上。我们还可测得与第三个卫星的距离，就可以确定A点只能是在三个圆球相交的两个点上。根据一些地理知识，可以很容易排除其中一个不合理的位置。当然也可以再测量A点至另一个卫星的距离，也能精确进行定位。 以上所说，要实现精确定位，要解决两个问题：

其一是要确知卫星的准确位置；

其二是要准确测定卫星至地球上我们所在地点的距离。下面我们看看怎样来做到这点。

GPS导航示意图

怎样确知卫星的准确位置

要确知卫星所处的准确位置。首先，要通过深思熟虑，优化设计卫星运行轨道，而且，要由监测站通过各种手段，连续不断监测卫星的运行状态，适时发送控制指令，使卫星保持在正确的运行轨道。将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，且经由卫星发送给GPS接收机。正确接收每个卫星的星历，就可确知卫星的准确位置。

这个问题解决了，接下来就要解决准确测定地球上某用户至卫星的距离。卫星是远在地球上层空间，又是处在运动之中，我们不可能象在地上量东西那样用尺子来量，那么又是如何来做的呢？

如何测定卫星至用户的距离

我们过去都学过这样的公式：时间X速度=距离。我们也从物理学中知道，电波传播的速度是每秒钟三十万公里，所以我们只要知道卫星信号传到我们这里的时间，就能利用速度乘时间等于距离这个公式，来求得距离。所以，问题就归结为测定信号传播的时间。

要准确测定信号传播时间，要解决两方面的问题。一个是时间基准问题。就是说要有一个精确的时钟。就好比我们日常量一张桌子的长度，要用一把尺子。假如尺子本身就不标准，那量出来的长度就不准。另一个就是要解决测量的方法问题。

时间基准问题

GPS系统在每颗卫星上装置有十分精密的原子钟，并由监测站经常进行校准。卫星发送导航信息，同时也发送精确时间信息。GPS接收机接收此信息，使与自身的时钟同步，就可获得准确的时间。所以，GPS接收机除了能准确定位之外，还可产生精确的时间信息。

测定卫星信号传输时间的方法

为了避免采用过多的技术术语，我们先作一个不太恰当的比喻。我们在所处的地点和卫星上同时启动录音机来播放“东方红”乐曲，那么，我们应该能听到一先一后两支“东方红”的曲子（实际上，卫星上播放的曲子，我们不可能听见，只是假想能够听到），但一定是不合拍的。为了使两者合拍，我们延迟启动地上录音机的时间。当我们听到两支曲子合拍时，启动录音机所延迟的时间就等于曲子从卫星传送到地上的时间。当然，电波比声波速度高得多，电波也不能用耳朵来接收。所以，实际上我们播送的不是“东方红”乐曲，而是一段叫做伪随机码的二进制电码。延迟GPS接收机产生的伪随机码，使与接收到卫星传来的码字同步，测得的延迟时间就是卫星信号传到GPS接收机的时间。至此，我们也就解决了测定卫星至用户的距离。当然，上面说的都还是十分理想的情况。实际情况比上面说的要复杂得多，所以我们还要采取一些对策。例如：电波传播的速度，并不总是一个常数。在通过电离层中电离子和对流层中水气的时候，会产生一定的延迟。一般我们这可以根据监测站收集的气象数据，再利用典型的电离层和对流层模型来进行修正。还有，在电波传送到接收机天线之前，还会产生由于各种障碍物与地面折射和反射产生的多径效应。这在设计GPS接收机时，要采取相应措施。当然，这要以提高GPS接收机的成本为代价。 原子钟虽然十分精确，但也不是一点误差也没有。GPS接收机中的时钟，不可能象在卫星上那样，设置昂贵的原子钟，所以就利用测定第四颗卫星，来校准GPS接收机的时钟。我们前面提到，每测量三颗卫星可以定位一个点。利用第四颗卫星和前面三颗卫星的组合，可以测得另一些点。理想情况下，所有测得的点，都应该重合。但实际上，并不完全重合。利用这一点，反过来可以校准GPS接收机的时钟。测定距离时选用卫星的相互几何位置，对测定的误差也不同。为了精确的定位，可以多测一些卫星，选取几何位置相距较远的卫星组合，测得误差要小。在我们提到测量误差时，还有一点要提到，就是美国的SA政策。美国政府在GPS设计中，计划提供两种服务。一种为标准定位服务（SPS），利用粗码（C/A）定位，精度约为100m，提供给民用。另一种为精密定位服务（PPS），利用精码（P码）定位，精度达到10m，提供给军方和特许民间用户使用。由于多次试验表明，SPS的定位精度已高于原设计，美国政府出于对自身安全的考虑，对民用码进行了一种称为“选择可用性SA(Selective Availability)”的干扰，以确保其军用系统具有最佳的有效性。由于SA通过卫星在导航电文中随机加入了误差信息，使得民用信号C/A码的定位精度降至二维均方根误差在100米左右。

采用差分GPS技术(DGPS)，可消除以上所提到大部分误差，以及由于SA所造成的干扰，从而提高卫星导航定位的总体精度，使系统误差达到10到15米之内。

GPS技术的错差

在GPS定位过程中，存在三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所共有的，例如：卫星钟误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。利用差分技术第一部分误差可完全消除，第二部分误差大部分可以消除，这和基准接收机至用户接收机的距离有关。第三部分误差则无法消除，只能靠提高GPS接收机本身的技术指标。对美国SA政策带来的误差，实质上它是人为地增大前两部分误差，所以差分技术也相应克服SA政策带来的影响。　

差分GPS技术消除公共误差原理

假如在距离用户500公里之内，设置一部基准接收机。它和用户接收机同时接收某一卫星的信号，那么我们可以认为信号传至两部接收机所途经电离层和对流层的情况基本是相同，故所产生的延迟也相同。由于接收同一颗卫星，故星历误差、卫星时钟误差也相同。若我们通过其它方法确知所处的三维座标（也可以用精度很高的GPS接收机来实现，其价格比一般GPS接收机高得多），那就可从测得伪距中，推算其中的误差。将此误差数据传送给用户，用户就可从测量所得的伪距中扣除误差，就能达到更精确的定位。

GPS数据处理软件是GPS用户系统的重要部分，其主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平差计算、坐标转换及分析综合处理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。

GPS定位技术是正在发展中的高新技术，数据处理技术也处在不断更新之中，各系列GPS接收机制造厂家研制的处理软件也各具特色。 全球定位系统GPS是近年来开发的最具有开创意义的高新技术之一，其全球性、全能性、全天候性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。在发达国家，GPS技术已经开始应用于交通运输和道路工程之中。目前，GPS技术在我国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步，相信随着我国经济的发展，高等级公路的快速修建和GPS技术应用研究的逐步深入，其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入，并发挥更大的作用。 GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络及计算机车辆管理信息系统相结合，可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能，这些功能包括： 车辆跟踪 利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并任意放大、缩小、还原、换图；可以随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。

提供出行路线规划和导航 提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。线路规划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径和运行方法。

信息查询 为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户能够在电子地图上根据需要进行查询。查询资料可以文字、语言及图象的形式显示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。

（4）话务指挥

指挥中心可以监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话，实行管理。

（5）紧急援助

通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。

GPS技术在汽车导航和交通管理工程中的研究与应用目前在中国刚刚起步，而国外在这方面的研究早已开始并已取得了一定的成果。加拿大卡尔加里大学设计了一种动态定位系统，该系统包括一台捷联式惯性系统，两台GPS接收机和一台微机，可测定已有道路的线形参数，为道路管理系统服务。美国研制了应用于城市的道路交通管理系统，该系统利用GPS和GIS建立道路数据库，在数据库中包含有各种现时的数据资料，如道路的准确位置、路面状况、沿路设施等，该系统于1995年正式运行，为城市道路交通管理起到重要作用。近些年来国外研制了各种用于车辆诱导的系统，其中车辆位置的实时确定以往主要依据惯性测量系统以及车轮传感器，随着GPS的发展和所显示出的优越性，有取代前两种方法的趋势。用于城市车辆诱导的GPS定位一般是在城市中设立一个基准站，车载GPS实时接收 基准站发射的信息，经过差分处理便可计算出实时位置，把目前所处位置与所要到达的目标在道路网中进行优化计算，便可在道路电子地图上显示出到达目标的最优化路线，为公安、消防、抢修、急救等车辆服务。

GPS定位原理

完整的GPS包括三部分

1.空间部分

GPS的空间部分是由24颗卫星组成(21颗工作卫星，3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能在卫星中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。

2. 地面控制系统

地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成,主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离,大气校正等数据。

3.用户设备部分

用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。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部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器,现有单频与双频两种,但由于价格因素,一般使用者所购买的多为单频接收器。

我们通常所说的GPS往往仅只用户设备部分，它通过接受天空不同位置的三颗以上的卫星信号，测定手持机所在的位置，简单来说是利用了数学上三条线确定一个点的原理。

GPS卫星定位的基本原理是怎样的?

基本原理

定位原理简介

全球卫星定位系统（global positioning system,gps）是由美国政府所发展，整个系统约分成下

列三个部份：

1. 太空卫星部份：由24 颗绕极卫星所组成，分成六个轨道，运行于约20200 公里的高空，绕行

地球一周约12小时。每个卫星均持续着发射载有卫星轨道资料及时间的无线电波，提供地球上

的各种接收机来应用。

2. 地面管制部份：这是为了追踪及控制上述卫星运转，所设置的地面管制站，主要工作为负责

修正与维护每个卫星能保持正常运转的各项参数资料，以确保每个卫星都能提供正确的讯息给

使用者接收机来接收。

3. 使用者接收机：追踪所有的gps 卫星，并实时地计算出接收机所在位置的坐标、移动速度及

时间，garmin gps 即属于此部份。

我们一般民间所能拥有及应用的，就是第三部份。计算原理为：每个太空卫星在运行时，任一

时刻都有一个坐标值来代表其位置所在（已知值），接收机所在的位置坐标为未知值，而太空

卫星的讯息在传送过程中，所需耗费的时间，可经由比对卫星时钟与接收机内的时钟计算之，

将此时间差值乘以电波传送速度（一般定为光速），就可计算出太空卫星与使用者接收机间的

距离，如此就可依三角向量关系来列出一个相关的方程式。一般我们使用的接收机就是依上述

原理来计算出所在位置的坐标资料，每接收到一颗卫星就可列出一个相关的方程式，因此在至

少收到三卫星后，即可计算出平面坐标（经纬度）值，收到四颗则加上高程值，五颗以上更可

提高准确度，这就是gps的基本定位原理。一般来说，使用者接收机每一秒钟的坐标资料都是最

新的，也就是说接收机会自动不断地接收卫星讯息，并实时地计算其所在位置的坐标资料，如

此使用者便不需担心是否接收机显示的资料太旧或是不准确了。

使用环境限制：

由于卫星是处在相当高的运行轨道上，其传送的讯号是相当的微弱，因此它不像一般通讯无线

电或大哥大等可在室内使用或收到讯号，在使用时需注意下列事项：

1. 需在室外及天空开阔度较佳之地方才能使用，否则若大部份之卫星信号被建筑物、金属遮盖

物、浓密树林等所阻挡，接收机将无法获得足够的卫星讯息来计算出所在位置之坐标。

2. 请勿在具1.575 ghz 左右之强电波环境下使用，因此环境易将卫星讯息遮盖掉，造成接收机无

法获得足够的卫星讯息来计算出所在位置之坐标，尤其是高压电塔下方。

3. 单纯gps 所计算出的高程值，并非是我们一般所说的海拔高度及气压计量测的飞行高度，原

因在于所使用的海平面基准点不同，因此在使用时请务必注意此点。

gps 的基本应用就是导航与定位，定位方面在上文已描述过，而导航方面就是利用所求出的定

位资料来计算。接收机所计算出的任何时刻坐标资料， 在gps 里我们都称为一个航点

(waypoint），也就是说每个航点所表示的就是一个坐标值，比较重要的航点，我们就可把它储

存在接收机内，并编上一个名字，让我们可以辨别。由于在地球表面上的任何位置，都以不同

的坐标值来表示，因此只要知道两个不同航点的坐标资料，接收机就可马上计算出两个航点间

的直线距离、相对方位及航行速度，这就是gps 接收机导航资料的来源。

GPS定位导航系统是什么原理

全球定位系统(GPS)是英文Global Positioning System的字头缩写词的简称.它的含义是利用导航卫星进行测时和测距,以构成全球定位系统.它是由美国国防部主导开发的一套具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航定位系统.

GPS用户部分的核心是GPS接收机.其主要由基带信号处理和导航解算两部分组成.其中基带信号处理部分主要包括对GPS卫星信号的二维搜索、捕获、跟踪、伪距计算、导航数据解码等工作.导航解算部分主要包括根据导航数据中的星历参数实时进行各可视卫星位置计算；根据导航数据中各误差参数进行星钟误差、相对论效应误差、地球自转影响、信号传输误差(主要包括电离层实时传输误差及对流层实时传输误差)等各种实时误差的计算,并将其从伪距中消除；根据上述结果进行接收机PVT（位置、速度、时间）的解算；对各精度因子(DOP)进行实时计算和监测以确定定位解的精度.