《全球定位系统》课件.ppt

全球定位系统全球定位系统（GPS）是一项革命性的技术，它通过卫星网络提供精确的位置、导航和时间信息。作为现代社会的关键基础设施，GPS已经深入到我们日常生活的各个方面，从手机导航到航空运输，从科学研究到军事应用。本次讲座将深入探讨GPS的技术原理、系统组成、应用领域及未来发展趋势，帮助您全面了解这一改变世界的卫星导航技术。

课程目标1理解基本概念掌握全球定位系统的基本定义、发展历史和系统架构，建立对GPS技术的整体认识。2掌握工作原理深入了解GPS的定位原理、信号结构和测量方法，能够解释GPS如何确定用户的精确位置。3认识应用领域探索GPS在各行业的广泛应用，从交通导航到精准农业，从科学研究到日常生活，理解GPS技术的重要性。4了解未来趋势认识GPS现代化进程和未来发展方向，包括与其他技术的融合以及新兴应用场景。

全球定位系统的定义空间定位系统全球定位系统是一种基于卫星的无线电导航系统，能够在全球范围内提供精确的三维位置、速度和时间信息。全天候服务GPS系统全天候运行，不受天气条件影响，在地球表面任何地点都能提供持续的定位服务。军民两用最初由美国国防部开发用于军事目的，后来开放民用，现已成为全球最广泛使用的卫星导航系统。

GPS的发展历史11973年美国国防部正式启动导航系统时间和测距（NAVSTAR）计划，这是GPS的前身。21978年第一颗GPS卫星发射升空，标志着GPS系统建设的开始。31993年完成24颗卫星的完整星座部署，GPS系统初步实现全球覆盖。42000年美国取消民用GPS信号的选择性可用性（SA）限制，大幅提高民用GPS的精度，促进了GPS应用的爆发性增长。52005年至今GPS系统不断现代化，发射更先进的卫星，增加新的民用信号，提高系统性能和服务质量。

GPS系统的组成部分空间段由环绕地球的GPS卫星星座组成，这些卫星不断向地球发送导航信号。目前由至少24颗工作卫星构成，分布在六个轨道面上。1控制段由分布在全球的地面监控站、主控站和上传站组成，负责监测卫星健康状态、计算卫星轨道和时钟误差，并上传更新数据到卫星。2用户段包括各类GPS接收机及其应用设备，通过接收并处理卫星信号来确定自身位置、速度和时间信息。如今几乎所有智能手机都内置GPS接收机。3

空间段：卫星星座卫星轨道GPS卫星运行在距离地球表面约20,200公里的中地球轨道，绕地球一周需要12小时。六个轨道平面与赤道夹角为55度，确保全球覆盖。卫星数量标准星座包括24颗工作卫星，实际运行数量通常多于这个数字，目前约有31颗在轨工作卫星，提高了系统可靠性和精度。卫星功能每颗卫星装有高精度原子钟，产生载波和编码，播发导航电文，提供精确的时间基准和轨道参数，使接收机能计算出自己的位置。

控制段：地面控制站监测站分布在全球的多个监测站持续跟踪所有可见的GPS卫星，收集卫星信号数据和大气数据，传送给主控站进行处理。这些站点位于美国科罗拉多斯普林斯、夏威夷、阿森松岛、迪戈加西亚和夸贾林等地。主控站位于美国科罗拉多斯普林斯的主控站是系统的大脑，负责处理监测站数据、计算卫星精确轨道参数和时钟校正数据，并生成导航电文，通过上传站发送给卫星。上传站上传站通过大型天线向卫星发送更新后的导航电文和指令信息，确保卫星播发最新、最准确的数据。主要上传站与监测站共址，形成全球控制网络。

用户段：GPS接收机手持式接收机专业户外导航设备，具有防水抗震特性，电池续航时间长，适用于徒步、登山等户外活动，提供精确的位置信息和路线导航功能。智能手机现代智能手机内置GPS芯片，结合移动网络和WiFi辅助定位，能够快速获取位置信息，支持地图导航、位置分享等多种应用。测量级接收机高精度专业设备，使用双频或多频技术，能够达到厘米级甚至毫米级的定位精度，广泛应用于测绘、工程勘测和科学研究领域。

GPS的基本工作原理卫星信号发射GPS卫星连续广播载有精确时间戳的无线电信号，同时发送包含卫星位置和状态信息的导航电文。信号传播这些信号以光速（约30万公里/秒）穿过太空和大气层传播到地球表面，到达接收机的时间因卫星到用户的距离不同而异。接收机处理GPS接收机同时接收至少4颗卫星的信号，测量信号发射时间与接收时间的差值，据此计算接收机到各卫星的距离。位置计算根据已知卫星位置和测得的距离，接收机使用三边测量法计算出用户的三维位置（经度、纬度和高程）和精确时间。

三边测量法1一颗卫星确定在卫星为中心的球面上2两颗卫星确定在两个球面交线的圆上3三颗卫星确定两个可能点，一般一个在地球表面一个在太空4四颗卫星精确确定三维位置和校正时间误差三边测量是GPS定位的核心数学原理。当接收机测得到一颗卫星的距离时，用户位置被确定在以该卫星为中心的球面上。测得到第二颗卫星的距离后，位置被限制在两个球面的交线（一个圆）上。第三颗卫星进