GPS技术与工程应用

第1章 绪论

1.1 卫星定位技术

1.2 GPS

1.3 GLONASS

1.4 卫星导航定位技术在军事上的应用

第2章 坐标系统和时间系统

2.1 地球坐标及其转换

2.2 天球坐标系及其转换

2.3 WGS-84坐标系和我国常用坐标系

2.4 GPS与GLONASS的坐标转换

2.5 时间系统

第3章 GPS卫星定位技术

3.1 GPS卫星信号

3.2 GPS卫星的导航电文

3.3 GPS接收机

3.4 GPS定位技术

3.5 GPS定位误差

3.6 GPS载体速度测量、姿态测量以及时间测量

第4章 GPS开发与应用技术

4.1 GPS输出数据的采集与处理技术

4.2 GPS接收机与计算机通信技术

4.3 利用GPS接收机进行精确授时

4.4 GPS OEM板开发与应用技术

4.5 利用嵌入式操作系统进行GPS应用开发

第5章 GPS干扰与抗干扰技术

5.1 GPS干扰技术

5.2 实例分析——对GPS/INS制导巡航导弹的干扰

5.3 GPS抗干扰技术

5.4 GPS中P（Y）码直接捕获技术

5.5 空时自适应抗干扰技术

第6章 GPS工程应用

6.1 GPS多目标测量系统

6.2 GPS授时在试验数据录取中的应用

6.3 GPS精度鉴定系统及其在机载雷达动态试验中的应用

6.4 “北斗”/GPS组合定位在道路勘测自动化系统中的应用

参考文献2100433B

介绍了全球定位系统发展概况、系统组成、导航定位的时空参照系、GPS卫星信号、GPS定位技术等；着重阐述了GPS工程应用以及开发GPS设备时所需的基本技术；介绍了电子对抗领域的GPS干扰与抗干扰技术，目的是更好地把握GPS在未来战争中的应用；最后介绍了GPS技术在一些比较重要的工程项目中的应用，主要内容有工程应用背景，以及工程应用方法和技术。

本书可作为高等院校学生学位论文撰写、工程实践的参考用书，也可供从事GPS开发及工程应用等领域的专业技术人员以及科技人员参考。

板块构造概念带动了地学的一次重大革命，板间构造和板块运动理论能否成立或被人接受，均需得到全球板块运动的最新直接测量结果的支持。此外，板块运动的动力学机制、板内和板缘运动的复杂性的精细描述等方面，有待更多测量结果去完善。

中国大陆东部受西太平洋洋型板块俯冲、削减的影响，造成了一系列与弧后扩张有关的陆缘海伸展和断陷盆地；西部和西南受印度板块与青藏块体陆壳碰撞后的构造效应，形成不同地质构造时期的推覆构造带。现代地壳运动则以青藏高原的快速隆起和沿巨型活动带的走滑或逆走滑的强烈变动为特征。据有限的观测，其水平运动速率每年高达l～4cm，垂直运动速率每年达1cm。这说明同时存在当代板块构造学说两种最具代表性的边界，即陆-陆壳相碰撞型和洋陆壳俯冲型边界，既具有主要的全球构造意义，又具有独特的演化特征。这里的现代地壳运动类型多样，性质复杂，地貌清晰，是全球动力学研究中具有重要特殊地位的实验场。

因此，不论从地球动力学、板块运动还是青藏高原隆起，运用高精度、高时空分辨率、动态实时定量的观测技术，建立符合实际的地球动力学基础的全国统一的观测网络，势在必行。

对于地震监测预报而言，这种紧迫性尤为显著，因为我国地震台网，尤其是地震前兆网，存在着严重的三个主要缺陷：

第一，自1988～1999年，我国大陆共发生6级以上地震53次，其中7级以上地震9次，若以东经105°为界，西部地区发生8次，东部地区为1次，为8∶1。可是，在东经105°以西，由于人烟稀少，交通不便，台网布局极为稀少。一个释放地震能量90%以上的地区，台网过稀，无疑浪费了宝贵的地震信息的天然资源，大大延迟了人类的实践，从而延缓了提高地震预报水平的进程。

第二，全国地震前兆台网都是以“点测”形式进行相对变化量的日常观测，各台站的观测数据都是相对独立的，台站之间数据没有相互关系。一旦出现异常时，由于是点结构观测，没有面上的联系，则难以判断其真伪。

第三，地震活动是区域性和全球性的，而前兆观测是独立的，不相关的，则难以研究其与全球地震活动的关系。

对于能加密西部观测，具有全球框架意义，又有“面结构”联系的高精度的观测系统，只有运用空间测量技术（甚长基线干涉测量——VLBI、人卫测距——SLR、全球定位系统——GPS、卫星遥感——RS、合成孔径雷达干涉测量——INSAR）。特别是GPS技术，近10年来，发展尤快，观测精度几乎提高了三个数量级，为监测地壳运动提供了有效的观测方法。

一、GPS卫星定位

全球定位系统（Global Positioning System——GPS）是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。1978年发射了第一颗试验卫星（BlockⅠ），1989年2月开始发射第一颗工作卫星（BlockⅡ），至1994年底全部24颗卫星已经升空，由于卫星寿命约5年，已运行的卫星有27颗，大部分是后来发射的。

1.GPS的特点

• 由于GPS卫星数目较多，分布合理，在地球任何地点均可连续同步观测到至少4颗卫星，在我国最多可同时观测到13颗卫星（按现运行的27颗讲）。从而保障了全球、全天候连续地三维定位。

• 实时确定运动目标的三维位置和速度，既可保障运动载体沿预定航线的运行，也可监视和修正航行路线，以及选择最佳航线。

• 定位精度高。在大于1000km的基线上，相对定位精度可达10；100km可达10。

• 观测站之间无需通视，又可使观测时间缩短。

实时定位这一导航技术是现代化的重要标志，使GPS的应用领域不断拓宽，成为20世纪最大科技成就之一。

2.GPS定位基本原理

·绝对定位方法：绝对定位也称单点定位，是指相对于地球质心为坐标原点的坐标系中的直接确定观测站的坐标。其原理是以GPS卫星到用户接收机天线之间距离的观测量为基础，并根据已知的卫星瞬时坐标，来确定用户接收机天线所对应点位坐标。

由于实际观测点至卫星间的距离，因测量瞬时卫星钟与接收机钟难以保持严格的同步，这种含有钟差影响的距离，称为“伪距”。其中卫星钟差可以应用导航电文中给出的钟差参数加以改正，而接收机钟差无法事先知道，故需把它作为一个未知数与观测点的三维坐标在数据处理中一并求解，因此一个观测点上要实时求解4个未知数，也就是必须至少同时观测4颗卫星。

·相对定位方法是用两台GPS接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线在地球坐标中的相对位置或基线向量。因为在两个或多个观测点同步观测相同的卫星，可有效地消除或减弱卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差等的影响。我国地壳运动监测就是采用这种静态相对定位的方法，其精度可达 10～10。

二、GPS技术在监测地震与地壳运动中的应用

GPS技术的应用极为广泛。近年来，GPS在测定地球自转参数从提高观测精度转向提高时间分辨率，它与VLBI或SLR相比，有着不可估量的作用。GPS在地球参考系的建立有着时空加密和提高分辨率的作用，GPS全球资料得到的全球尺度上相对于地球参考框架的三维地心坐标精度已达到厘米级。利用GPS定位研究海平面变化而测定的大地高的精度也可达到厘米级的精度。

GPS接收器安置在飞行器（飞机、飞船、卫星等）上可确定三维位置和飞行姿态。尤其是多种陆海空交通运输工具的GPS自动导航系统和管理调度系统，低轨通讯卫星的发射，建立的卫星全球导航、定位、通信三位一体系统，将整个世界缩成为一个崭新的电子地球村。除了传统测量与军事应用外，GPS气象学、GPS用于海洋资源开发、热带原始森林、捕鱼、放牧、旅游、探险以及各种防灾减灾事业等。

高精度GPS技术已成为世界主要国家和地区用来监测火山地震、构造地震、全球板块运动，尤其是板块边界地区的重要手段。

全球有200个GPS基准站，计划在板块边界和全球已知构造活动区约25个区域加密GPS监测网，实现全球地壳运动的自动监测。此外，连同各国的区域网，主要研究内容：

·研究全球板块间的相对运动；监测板块边缘及内部的构造变形；确定不同尺度构造块体运动方式规模和运动速率。

·确定区域位移场、速率场和应变场。 2100433B

项目一　认识全球定位系统

学习情境一　GPS的由来、特点及作用

学习情境二　GPS系统的构成

学习情境三　美国政府的限制政策与用户策略

学习情境四　其他导航系统

学习情境五　GPS技术在智能交通系统中的应用简介

项目二　GPS导航定位系统

学习情境一　GPS导航定位系统概述

学习情境二　认识车载GPS终端

学习情境三　车载GPS使用方法

项目三　GPS公共车辆跟踪调度系统

学习情境一　GPS公共车辆跟踪调度系统概述

学习情境二　GPS公共车辆跟踪调度系统方案设计

学习情境三　GPS公共车辆跟踪调度系统设计方案关键技术

项目四 电子地图导航系统

学习情境一　电子地图导航系统概述

学习情境二　电子地图导航系统方案设计

学习情境三　电子地图导航系统设计方案关键技术

项目五　GPS车辆动态监控系统

学习情境一　GPS车辆动态监控系统概述

学习情境二　GPS车辆动态监控系统方案设计

学习情境三　GPS车辆动态监控系统设计方案关键技术

项目六　GPRS无线通信的车载驾驶人疲劳监测终端

学习情境一　GPRS无线通信的车载驾驶人疲劳监测终端概述

学习情境二　GPRS无线通信的车载驾驶人疲劳监测终端方案设计

学习情境三 GPRS无线通信的车载驾驶人疲劳监测终端设计方案关键技术

参考文献2100433B

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