GPS原理及应用简介

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ＧＰＳ原理及应用简介

桂林航天工业高等专科学校电子工程系

陈磊

粱强

［摘要］本文简述了全球定位系统（ＧＰＳ）的基本结构和测量原理，总结了ＧＰＳ用于工程测量所具有的特点，并对

ＧＰＳ在工程测量中的应用前景进行了分析。

［关键词】ＧＰＳ定位系统卫星导航工程测量

全球定位系统（ＧＰＳ）是英文ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍ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是以卫星为基础的无线电卫星导航定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。因此，ＧＰＳ技术率先在大地测量、工程测量、航空摄影测量、海洋测量、城市测量等测绘领域得到了应用，并在军事、交通、通信、资源、管理等领域展开了研究并得到广泛应用。

ｌＣＰＳ工作原理

ＧＰＳ设备（ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ）即全球定位系统，用于接收并解析太空中数个卫星回传电波中的轨道信息及时刻信息，来计算出ＧＰＳ接收器所在位置的经度、纬度、水平高度及移动速度。ＧＰＳ设备基本配备通常包含了一个ＧＰＳ接收器、解析器及一部高效率的微电脑。

１．１ＧＰＳ系统构成

一个完整的ＧＰＳ主要由空间段、控制段和用户段三部分构成。

（１）空间段由分布在６个轨道面上的２４颗卫星组成。卫星轨道高度２０２００ｋｍ，倾角５５度，周期１２小时。卫星用Ｌ波段的两个无线电载波向广大用户连续不断地发送导航定位信号，导航定位信号中含有卫星的位置信息，使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻，在高度角１５０以上，平均可同时观测到６颗卫星，最多可达到９颗。卫星的轨道分布保证在世界各地任何时间可见到至少６颗卫星，卫星连续向用户提供位置和时间信息。

（２）控制段由分布在全球的一个主控站、五个监测站和三

个注入站组成。主控站位于Ｃｏｌｏｒａｄｏ。监测站跟踪视野内所有

ＧＰＳ卫星、收集卫星测距信息，并把收集的信息送到主站。主

控站根据各监测站对ＧＰＳ卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这些数据编制成导航电文，传送到注入

站，再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存

储器中。

（３）用户段由ＧＰＳ接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算机）等组成。ＧＰＳ接收机可捕获到按一定卫星高度截

止角所选择的待测卫星的信号，跟踪卫星的运行，并对信号进

行交换、放大和处理，再通过计算机和相应软件，经基线解算、网平差，求出ＧＰＳ接收机中心（测站点）的三维坐标。

１．２ＧＰＳ定位测量原理ＧＰＳ定位是根据测量中的距离交会定点原理实现的。如图１所示，在待测点Ｑ设置ＧＰＳ接收机，在某一时刻ｔｋ同时接收到３颗（或３颗以上）卫星ｓ，、Ｓ：、Ｓ，所发出的信号。通过数据处理和计算，可求得该时刻接收机天线中心（测站点）至卫星的距离Ｐ。、ｐ２、ｐ３。根据卫星星历可查到该时刻３颗卫星的三维坐标（Ｘｉ，Ｙｊ，Ｚｉ），ｊ＝１，２，３，从而由下式解算出Ｑ点的三维坐标（ｘ，Ｙ，ｚ）：

彳＝（ｘ－ｘ１）２＋（】，一，Ｉ：）２＋（Ｚ—ｚｊ）２厉＝（ｘ—Ｘ２）２＋（ｙ—ｒ２）２＋（ｚ—ｚ２）２厉＝（．ｒ—Ｘ３）２十（ｙ—Ｅ）２＋（ｚ—Ｚ，）２

－——１８８ ———

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１．３ＧＰＳ信号

ＧＰＳ卫星发射两种频率的载波信号，即频率为１５７５．４２ＭＨｚ的Ｌ１载波和频率为１２２７．６０ＨＭｚ的Ｌ２载波，它们的频率分别是基本频率１０．２３ＭＨｚ的１５４倍和１２０倍，它们的波长分别为

１９．０３ｅｒａ和２４．４２ｅｍ。在Ｌ１和心上又分别调制着多种信号，

这些信号主要有：

（１）Ｃ／Ａ码又被称为粗捕获码，它被调制在Ｌ１载波上，是１ＭＨｚ的伪随机噪声码（ＰＲＮ码），其码长为１０２３位（周期为ｌｍｓ）。由于每颗卫星的Ｃ／Ａ码都不一样，因此，我们经常用它们的ＰＲＮ号来区分它们。Ｃ／Ａ码是普通用户用以测定测站到卫星问的距离的一种主要的信号。

（２）Ｐ码又被称为精码，它被调制在Ｌ１和Ｌ２载波上，是１０ＭＨｚ的伪随机噪声码，其周期为七天。在实施ＡＳ时，Ｐ码与ｗ码进行模二相加生成保密的Ｙ码，此时，一般用户无法利用Ｐ码来进行导航定位。

（３）导航信息：导航信息被调制在Ｌｌ载波上，其信号频率为５０Ｈｚ，包含有ＧＰＳ卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻ＧＰＳ卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。

１．４ＧＰｓ测量的特点

相对于常规测量来说，ＧＰＳ测量主要有以下特点：

（１）测量精度高。ＧＰＳ观测的精度明显高于一般常规测量，在小于５０ｌ【ｌＩｌ的基线上，其相对定位精度可达１×１０～，在大于１０００ｋｍ的基线上可达１×１０～。

（２）测站间无需通视。ＧＰＳ测量不需要测站问相互通视，可根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便。

（３）观测时间短。随着ＧＰＳ测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行ＧＰＳ测量时，静态相对定位每站仅需２０ｍｉｎ左右，动态相对定位仅需几秒钟。

（４）仪器操作简便。目前ＧＰＳ接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录。

（５）全天候作业。ＧＰＳ卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。

（６）提供三维坐标。ＧＰＳ测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。

２、应用前景

国内ＧＰＳ应用最大的利好来自２００８年的（下转１９０页）

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（６）保险业：分析决定医疗保险额的主要因素；预测顾客保

陵戆模式。

知识，反应了数据仓库中数据的规律性。用户利用这些信息和躲谖寒指导纛琴动决策。爨鲡，利蔫分类规猫来疆溅寒知实俸静类剐。

２．３数据仓库与数据挖掘关系

数据仓库和数据挖掘都是决策支持新技术，但它们有着完全不同的辅助决策方式。数据仓库中存储着大量辅助决策的数据，为不同的用户隧鞋重提供各种辅助决策的随机查询、综合

（７）计算视硬件穰软件：篮浏磁盘驱动敏障；估计潜在的安

全漏洞。

（８）政府和防卫：估计军事装备转移的成本；预测资源的消

耗；评估军事战略。

（９）医药：验证药物戆治疗枧理；慰分溅哪一类型医生会莠次麓买菜类药瑟。

镶怠或趋势分撰傣惑。数据挖掘是翻翔一系碉算法挖擒数据

巾豹信息和知识，让掰户在进行决策中使用。

数据仓库和数搬挖掘是相互结合超来一起发展的，ｏ者是栩豆影响、相互促进的。二者的联系Ｗ以概括为以下几点：

（１）数据仓库为数据挖掘提供了鼹好的、更广泛的数据漾。《２）数据仓露为数据挖掘提供７颧黪支持平台。

（３）数据仓摩为了更好逢矮建数攥挖掘工具挺供了努便。（４）数据挖掘为数据仓库提供了受好的决策支持。

（５）数据挖掘对数据仓库的数据组织提出了更高的鼹求。（６）数据挖掘还为数据仓库提供了广泛的技术支持。

总之，数据仓库在纵向和横向都为数据挖掘提供了更为广耀盼活动空阕。数撂仓瘁完成数据的收集、集成、存锉、綮理等羔作，数据挖掘嚣对的是经初步热工静数据，使褥数据挖掘能舞专注于知识的发现。又由于数据仓库所具有的新的特点，对数据挖掘技术提出了更高的要求。另一方面，数据挖掘为数据仓库提供了更好的决饿支持，同时促进了数据仓库的发展。可以说，

（１０）交通：航空公落可以根据历史资料寻我乘客的旅行壤

式，改进航线的设置。

（１１）电信：电话公司评估哪一类客户会在短期内转向别的公司或其他服务项目，从黼限制对这部分客户的广告投入。

（１２）公司经营彗瑾：谬徐客产售誊；弹镳部门监绫；评镑受工鼗缕；篮溅子公司或酃您财务舞弊行隽。

４结束语

翻街，数据挖掘技术照然得到了一定稷度的应用，并取得了显著成效，但仍存在着许多尚未解决的问题，例如数据的预处理、挖搌算法、模式识别襁解释、可视化问题等。对于业务过程毳富，数据挖握最关键抟闯题是热键绩会娃务数据爵空雩挚赢，将挖掘出的弼识表＝逡寤来，鄂时空麓识袭达强瓣释枧铡阕题。随瞢人对数据挖掘技术的深入研究，数据挖掘技术必将禚更加广泛的领域得到应用，并取得更加显著的效果。

参考文藏

数攥挖掘和数据仓露技术要充分发挥潜力，就必须结合起来。

３数据挖掘戆蔽瘸

数据挖掘技术鹃应胄ｌ是十分广泛的，从政府管理决策、商业经营、科学研究到工业企业决策支持等各个领域都可以找到数据挖掘技术的用溅之地，下面我们举出目前开展得比较活跃的数据挖掘的应用方向：

（Ｉ）市场营销：疆测顾客的购买行为；魁分顾客群体。

【ｌ】萨势蝗，王鞲。数据库系绕概论（第三殷）。袭京：藏等

教育｜ｌ：版社，２００２．２

［２］ｊｉａｗｅｉＨａｒｔＭｉｃｈｅｌｉｎｅＫａｍｂｅｒ著．范明，盂小峰等译．数据挖掘概念与技术．机械置业出版社，２００６．８

［３］陈文伟。数据仓库与数据挖掘教程（Ｍ】．北京：清华穴

学出版社，２００６。８

【毒】张雏嗳等。数籀念库原理与应薅，船京：电子工堑交叛社。２００２，３

《２）镊嚣鲎：饺测债震卡懿歉谗褥隽；客户信誉分耩。

（３）生产、销售鞠零售韭：预测销售额；决定库存鬣；批发点分布的规划，调度。

（４）制造：预测机器故障；发掘影响生产能力的关键因素。（５）经纪业和安全交易：预测债券价格的变化；预测股票价辏的升降；决定交易购最佳时刻。

（上接１８８页）ｊＥ隶奥运会。奥运智熊交通信息综合服务系统对电子地图的迫切需求，也将带动系统技术、中心软件、终端产晶、信息服务、增值服务等产业链各环节的发展。

北京市计划在２００８年之前给全带的公共汽车安装ＧＰＳ监控系统。本枣的公焚汽车约舂７００多条线路，车辏数刀套，覆诗ＧＰＳ系统豹装嚣费簿约１９．２记元入爱币。就衷市鳃穗租车也将于２００８年之前完成ｅＰＳ监控系统的安装，以便通道出租率监控中心监控每一辆出租车的位置，保障乘客和司机的生命财产安全，这部分预簿约为人民币６．８亿元。

中科院遥感应用研究所研究员槎伟宏认为物流系统将是奥运会筹备工作孛戆一大重点：“奥运期阕菇诗物流豢势３亿姹，９１％走公路，７％瘫航运，将要形戎钙２亿元人民币的物流市场。因此，建立物流控制与管理系统成为北京经济发展和筹备舆运的重大举措先一，并将产生重火的社会经济效掇”。据悉，全国物流业的逡输车辆将会陆续嶷装ＧＰＳ导航及安全系统，近两年之内将露ｌＯ万辆，三到四锥内将有１００万辆运输车

［５］夏火松．数据奄库与数据挖掘技术［Ｍ］．北京：科学出

版社，２００４

［６】陈京民．数据仓库与数据挖掘技术。北京：电子工业出

版牡。２００２。８

除了这些专项预算，还有两种应用被褥好，一个就是民用导航终端，特别是车载系统。另一个就是基平手机的移动定位服务。徐晨认为，相比之下，车载市场的潜力大一些。车载ＧＰＳ应用主要关联因素就是车市利好的变化，出于车价在不断下降，耀产买车熬预算孛簸骞尝试增篷应震鳃霹能。毒专家矮诗，今筇汽车导靛枝蘩装帮场可达羁１０万豢的销售量，两鞠霉将是今年的两倍到三倍。

３缩论

ＧＰＳ测量技术先进，应用广泛，省时省力，具备很多优势。随着ＧＰＳ技术的发展，许多价格低廉，可以满足一定生产要求熬ＧＰＳ设备的稷继上枣，隽学习纛掌握ＧＰＳ测量技拳应矮鬟爨了基本条侔。鉴于戴，我们结合实际教学情况自主并发了一套ＧＰＳ实验装置，为学生掌摄和了解ＧＰＳ技术，大力推广应用ＧＰＳ技术提供一个实验实训平台。

参考文献

安装ＧＰＳ安全蓝擦系统。这一矮预雾费羹ｌ约在１９１，８亿元人

＆币左右。

另据有关研究分析表明，我国卫鼹导航应用产业的总产值寝２００２年约为２０亿元，而２００４年已突破６５亿元，今年将有望突破１００亿元。因此，业内人士普遍认为中国的ＧＰＳ应用市场麓毁到了呼之欲出的荧键阶段。

【ｌ】弼天杰。全臻定臻系统（鹂）戆艨瑷与数据楚理【馥】．

上海：躅济大学出叛毒主。１孵６

（２］李征航，黄劲松．ＧＰＳ测量与数据处理［Ｍ］．武汉太荦

出版社，版本：２００５年３月

［３］罗永权．Ｒ．ＴＫ在市政工程测量中的应用．测绘通报，

２００６夸７是

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万方数据　

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