资源描述
全球定位系统全球定位系统资源与环境学院资源与环境学院林承达林承达 1全球定位系统资源与环境学院11.2 GPS的系统构成的系统构成空间部分空间部分GPS卫星星座卫星星座 控制部分控制部分地面监控系统地面监控系统 用户部分用户部分GPS信号接收机信号接收机 21.2GPS的系统构成空间部分GPS卫星星座21.2.1 GPS的空间部分的空间部分GPS的空间部分的组成的空间部分的组成GPS卫星星座卫星星座6个轨道面个轨道面平均轨道高度平均轨道高度20200km轨道倾角轨道倾角55 周期周期11h 58min（顾及地球自转，顾及地球自转，地球地球-卫星的几何关卫星的几何关系每天提前系每天提前4min重重复一次）复一次）31.2.1GPS的空间部分GPS的空间部分的组成6个轨道面1.2.1 GPS的空间部分的空间部分GPS卫星卫星 作用：作用：接收、存储导航电文接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备主要设备太阳能电池板太阳能电池板原子钟（原子钟（2台铯钟、台铯钟、2台铷钟）台铷钟）信号生成与发射装置信号生成与发射装置 41.2.1GPS的空间部分GPS卫星4GPS卫星（续）卫星（续）类型类型试验卫星：试验卫星：Block 工作卫星：工作卫星：Block Block：存储星历能力为：存储星历能力为14天，具有天，具有SA和和AS地能力地能力Block A（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为历能力为180天，天，SV35和和SV36带有激光反射棱镜带有激光反射棱镜Block R（Replacement/Replenishment）：卫星间）：卫星间可相互跟踪相互通讯可相互跟踪相互通讯Block F（Follow On）：新一代的）：新一代的GPS卫星卫星,增设第三增设第三民用频率民用频率1.2.1 GPS的空间部分（续）的空间部分（续）5GPS卫星（续）1.2.1GPS的空间部分（续）51.2.1 GPS的空间部分（续）的空间部分（续）Block卫星卫星61.2.1GPS的空间部分（续）Block卫星61.2.1 GPS的空间部分（续）的空间部分（续）Block卫星卫星71.2.1GPS的空间部分（续）Block卫星71.2.1 GPS的空间部分（续）的空间部分（续）BlockR卫星卫星81.2.1GPS的空间部分（续）BlockR卫星81.2.1 GPS的空间部分（续）的空间部分（续）BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同类型的不同类型的GPS卫星卫星91.2.1GPS的空间部分（续）BlockIIRBloc1.2.1 GPS的空间部分（续）的空间部分（续）GPS卫星的地面轨迹卫星的地面轨迹101.2.1GPS的空间部分（续）GPS卫星的地面轨迹101.2.1 GPS的空间部分（续）的空间部分（续）GPS卫星星座（卫星星座（=35，=90）位于地平线以上的卫星颗树随着时间和地点不同而不位于地平线以上的卫星颗树随着时间和地点不同而不同，最少同，最少4颗，最多可以见到颗，最多可以见到11颗颗111.2.1GPS的空间部分（续）GPS卫星星座（=351.2.1 GPS的空间部分（续）的空间部分（续）GPS星座星座设计星座：设计星座：21+321颗正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星颗活动的备用卫星6个轨道面，平均轨道高度个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角，轨道倾角55 ，周期，周期11h 58min（顾及地球自转，地球顾及地球自转，地球-卫星的几何卫星的几何关系每天提前关系每天提前4min重复一次）重复一次）保证在保证在15 高度角以上，能够同时观测到高度角以上，能够同时观测到4至至8颗卫颗卫星星当前星座：当前星座：28颗颗121.2.1GPS的空间部分（续）GPS星座121.2.1 GPS的空间部分（续）的空间部分（续）卫星功能卫星功能接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。行监控站的控制指令。卫星卫星 上设有微机处理，进行部分必要的数据处理工作。上设有微机处理，进行部分必要的数据处理工作。通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准。通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准。向用户发送定位信息。向用户发送定位信息。在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。和启用备用卫星。131.2.1GPS的空间部分（续）卫星功能131.2.1 GPS的空间部分（续）的空间部分（续）当前的卫星状态当前的卫星状态SUBJ:GPS STATUS 26 MAR 20041.SATELLITES,PLANES,AND CLOCKS(CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A.BLOCK I:NONE B.BLOCK II:PRNS 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15 PLANE :SLOT F4,B5,C2,D4,B4,C1,C4,A3,A1,E3,D2,F3,F1,D5 CLOCK :CS,CS,CS,RB,CS,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,CS BLOCK II:PRNS 16,17,18,20,21,22,24,25,26,27,28,29,30,31 PLANE :SLOT B1,D6,E4,E1,D3,E2,D1,A2,F2,A4,B3,F5,B2,C3 CLOCK :RB,RB,RB,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,RB,RB,RB141.2.1GPS的空间部分（续）当前的卫星状态SUBJ:1.2.2 GPS的控制部分的控制部分地面监控部分地面监控部分（Ground Segment）组成组成主控站：主控站：1个个监测站：监测站：5个个注入站：注入站：3个个通讯与辅助系统通讯与辅助系统151.2.2GPS的控制部分地面监控部分（GroundS1.2.2 GPS的控制部分的控制部分地面监控部分地面监控部分（Ground Segment）（续）（续）分布分布161.2.2GPS的控制部分地面监控部分（GroundS1.2.2 GPS的控制部分的控制部分注入站（注入站（3个）个）作用：作用：将导航电文注入将导航电文注入GPS卫星。卫星。地点：地点：阿松森群岛（大西阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）加兰（太平洋）171.2.2GPS的控制部分注入站（3个）171.2.2 GPS的控制部分的控制部分监测站（监测站（5个）个）作用：作用：接收卫星数据，接收卫星数据，采集气象信息，采集气象信息，并将所收集到的并将所收集到的数据传送给主控数据传送给主控站。站。地点：地点：夏威夷、主控站夏威夷、主控站及三个注入站。及三个注入站。181.2.2GPS的控制部分监测站（5个）181.2.2 GPS的控制部分的控制部分主控站（主控站（1个）个）作用：作用：管理、协调地面监控系统管理、协调地面监控系统各部分的工作，各部分的工作，收集各监测站的数据，编收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发监控卫星状态，向卫星发送控制指令；送控制指令；卫星维护与异常情况的处卫星维护与异常情况的处理。理。地点：美国科罗拉多州法尔地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。孔空军基地。191.2.2GPS的控制部分主控站（1个）191.2.3 GPS的用户部分的用户部分组成组成用户用户接收设备接收设备接收设备接收设备GPS信号接收机信号接收机其它仪器设备其它仪器设备201.2.3GPS的用户部分组成201.2.3 GPS的用户部分的用户部分GPS信号接收机信号接收机采用石英钟采用石英钟GPS信号接收机的类型信号接收机的类型依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）依用途：大地型（测地型）、导航型与授（守）时型时型依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码依能否接收测距码（伪距码）：有码与无码依接收伪距码的种类：依接收伪距码的种类：P码与码与C/A码码依接收不同频率载波的数量：单频与双频依接收不同频率载波的数量：单频与双频211.2.3GPS的用户部分GPS信号接收机21各种型号的各种型号的GPS接收机接收机22各种型号的GPS接收机221.2.3 GPS的用户部分的用户部分GPS信号接收机信号接收机组成组成天线单元天线单元带前置放大器带前置放大器接收天线接收天线接收单元接收单元信号通道信号通道存储器存储器微处理器微处理器输入输出设备输入输出设备电源电源天线单元天线单元接收单元接收单元231.2.3GPS的用户部分GPS信号接收机天线单元接收单元GPS的用户部分的用户部分 天线单元天线单元类型类型单极天线单极天线微带天线微带天线锥形（螺旋）天线锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线四丝螺旋天线空间螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线天线24GPS的用户部分天线单元GPS天线241.2.3 GPS的用户部分的用户部分天线单元（续）天线单元（续）特点特点单极天线单极天线单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单构简单微带天线微带天线结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛应用最为广泛锥形（螺旋）天线锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线四丝螺旋天线 单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板增益特性好、不需要底板空间螺旋天线空间螺旋天线 双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称背腔平面盘旋天线背腔平面盘旋天线251.2.3GPS的用户部分天线单元（续）251.2.3 GPS的用户部分的用户部分天线单元天线单元天线特性天线特性相位中心、增益方式、带宽、相位中心、增益方式、带宽、极化极化相位中心相位中心平均相位中心与几何中心平均相位中心与几何中心相位中心的偏移相位中心的偏移相位中心偏移的消除：归心相位中心偏移的消除：归心改正、消去法改正、消去法天线高天线高 标志至平均相位中标志至平均相位中心所在平面的垂直距离心所在平面的垂直距离L2的平的平均相位均相位中心中心 1 2L1的平的平均相位均相位中心中心r1r2HH HHhR261.2.3GPS的用户部分天线单元L2的平均相位中心11.2.3 GPS的用户部分的用户部分接收单元接收单元接收（信号）通道接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等根据工作原理：码相关通道、平方通道等存储器存储器微处理器微处理器作用：数据处理、控制作用：数据处理、控制输入输出设备输入输出设备电源电源271.2.3GPS的用户部分接收单元271.2.3 GPS的用户部分的用户部分281.2.3GPS的用户部分28测量型测量型GPS接收机接收机29测量型GPS接收机29个人旅游休闲及户外运动用个人旅游休闲及户外运动用GPS产品产品 30个人旅游休闲及户外运动用GPS产品30带电子地图的导航型带电子地图的导航型GPS接收机接收机31带电子地图的导航型GPS接收机31时间校准及时间同步用时间校准及时间同步用GPS产品产品32时间校准及时间同步用GPS产品32车载导航和车辆监控类车载导航和车辆监控类GPS33车载导航和车辆监控类GPS33手手持持机机世世界界34手持机世界34水上测量水上测量/导航用导航用GPS系统系统35水上测量/导航用GPS系统351.3 GPS在各领域的应用在各领域的应用GPS特点：特点：全球地面连续覆盖全球地面连续覆盖功能多，精度高功能多，精度高实时定位实时定位应用广泛应用广泛观测之间无需通视观测之间无需通视定位精度高定位精度高观测时间短提供三位坐标观测时间短提供三位坐标操作简便操作简便全天候作业全天候作业361.3GPS在各领域的应用GPS特点：36GPS在军事中的应用在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹导航的舰载飞弹 配备配备GPS的士兵的士兵 美国海军核潜艇美国海军核潜艇 37GPS在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹配备GPS的士兵由卫星导航扩展到军事各领域由卫星导航扩展到军事各领域 GPS在军事上的应用主要有以下几个方面：在军事上的应用主要有以下几个方面：全时域的自主导航。全时域的自主导航。各种作战平台的指挥监控。各种作战平台的指挥监控。精确制导和打击效果评估。精确制导和打击效果评估。未来单兵作战系统保障。未来单兵作战系统保障。军用数字通信网络授时。军用数字通信网络授时。在近几场高技术局部战争中，美军使用精确制导导弹和炸弹的比例比海湾战争时增在近几场高技术局部战争中，美军使用精确制导导弹和炸弹的比例比海湾战争时增加了近加了近100倍，而它们全部或大部分都依靠倍，而它们全部或大部分都依靠GPS制导。制导。GPS还可以对打击目标命中还可以对打击目标命中率进行评估。率进行评估。38由卫星导航扩展到军事各领域GPS在军事上的应用主要有以下几GPS问题问题在近几场局部战争中，在近几场局部战争中，GPS也暴露出了一也暴露出了一些问题。些问题。GPS信号的抗干扰能力较弱。信号的抗干扰能力较弱。在伊拉克战在伊拉克战争中，伊军在其境内部署了一些争中，伊军在其境内部署了一些GPS干扰干扰装置，结果使美军的装置，结果使美军的GPS制导武器大失水制导武器大失水准，有部分导弹甚至飞到了伊朗、土耳其准，有部分导弹甚至飞到了伊朗、土耳其境内。境内。各国目前都高度重视导航定位系统的发展各国目前都高度重视导航定位系统的发展，美国美国GPS一统天下的时代受到了威胁。一统天下的时代受到了威胁。39GPS问题在近几场局部战争中，GPS也暴露出了一些问题。3GPS在交通运输业中的应用在交通运输业中的应用航运、航空搜索航运、航空搜索陆路交通（车辆导航、监控）陆路交通（车辆导航、监控）船舶远洋导航和进港引水船舶远洋导航和进港引水40GPS在交通运输业中的应用航运、航空搜索40GPS在测量中的应用在测量中的应用建立和维持全球性的参考框架建立和维持全球性的参考框架41GPS在测量中的应用建立和维持全球性的参考框架41GPS在测量中的应用在测量中的应用板块运动和监测板块运动和监测42GPS在测量中的应用板块运动和监测42GPS在测量中的应用在测量中的应用建立各级国家平面控制网建立各级国家平面控制网43GPS在测量中的应用建立各级国家平面控制网43GPS在测量中的应用在测量中的应用布设城市控制网、工程测量控制网，进行布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量各种工程测量44GPS在测量中的应用布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种GPS在测量中的应用在测量中的应用在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用的应用45GPS在测量中的应用在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应GPS在其他领域中的应用在其他领域中的应用精细农业精细农业遥感遥感卫星定轨卫星定轨资源勘探资源勘探个人旅游及野外探险个人旅游及野外探险电力、广播、电视、通讯等网络的时间同电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递步、时间传递.46GPS在其他领域中的应用46美国政府的美国政府的GPS政策政策47美国政府的GPS政策47美国政府的美国政府的GPS政策政策SPS与与PPSSPS 标准定位服务标准定位服务使用使用C/A码，民用码，民用2DRMS水平水平=100 m2DRMS垂直垂直=150-170 m2DRMS时间时间=340 nsPPS 精密定位服务精密定位服务可使用可使用P码，军用码，军用2DRMS水平水平=22 m2DRMS垂直垂直=27.7 m2DRMS时间时间=200 ns48美国政府的GPS政策SPS与PPS48美国政府的美国政府的GPS政策政策SA技术技术（1990.3.252000.5.1）Selective Availability 选择可用性选择可用性人为降低普通用户的测量精度。方法人为降低普通用户的测量精度。方法:技术：降低星历精度（加入随机变化）技术：降低星历精度（加入随机变化）技术：卫星钟加高频抖动技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）（短周期，快变化）AS技术技术（1994.1.31至今）至今）Anti-Spoofing 反电子欺骗反电子欺骗P码加密，码加密，P+WY49美国政府的GPS政策SA技术（1990.3.252000.GPS现代化现代化1999年年1月月25日，美国副总统戈尔宣布，将日，美国副总统戈尔宣布，将斥资斥资40亿美元，进行亿美元，进行GPS现代化现代化。GPS现代化实质是要加强现代化实质是要加强GPS对美军现代对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。中的领导地位。50GPS现代化1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资GPS现代化现代化GPS现代化的内涵：现代化的内涵：保护保护。即。即GPS现代化是为了更好地保护美方和现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；性能，加强抗干扰能力；阻止阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；等；保持保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。有更精确更安全的使用。51GPS现代化GPS现代化的内涵：51GPS现代化现代化GPS现代化第一阶段现代化第一阶段发射发射12颗改进型的颗改进型的BLOCK R型卫星。型卫星。GPS现代化第二阶段现代化第二阶段发射发射6颗颗GPS BLOCK F（“FLite”）。）。GPS现代化计划的第三阶段现代化计划的第三阶段发射发射GPS BLOCK 型卫星，在型卫星，在2030年前完年前完成代号为成代号为GPS 的的 GPS完全现代化计划设计完全现代化计划设计工作。工作。52GPS现代化GPS现代化第一阶段52GPS系统升级五项计划系统升级五项计划为了能使为了能使GPS更好地满足军事、民间和商更好地满足军事、民间和商业用户不断增长的应用需求，美国决定用业用户不断增长的应用需求，美国决定用先进技术改进和完善先进技术改进和完善GPS系统：系统：增加新的增加新的GPS信号。信号。研发新一代军用研发新一代军用GPS接收机。接收机。增强和关闭增强和关闭GPS发射信号。发射信号。改善地面设备。改善地面设备。GPS计划。计划。53GPS系统升级五项计划为了能使GPS更好地满足军事、民间和商GPS计划计划 当前的当前的GPS现代化工作能使星座维持运行到现代化工作能使星座维持运行到2010年，为年，为了满足到了满足到2030年的军、民用要求，美国已着手开发年的军、民用要求，美国已着手开发GPS和相关的地面控制网，以便在和相关的地面控制网，以便在2010年后使用。年后使用。GPS计划的目标是，提供能满足当前和未来军、民两用计划的目标是，提供能满足当前和未来军、民两用需要的需要的GPS结构方案结构方案。从从2004年起，美国国防部开始研究年起，美国国防部开始研究GPS的采购和结构的采购和结构概念，以便验证系统要求。概念，以便验证系统要求。GPS将选择全新的优化设计将选择全新的优化设计方案，放弃现有的方案，放弃现有的24颗中轨道卫星，颗中轨道卫星，采用全新的采用全新的33颗高轨颗高轨道加静止轨道卫星组成道加静止轨道卫星组成。GPS的卫星首次发射计划定于的卫星首次发射计划定于2009年，全部卫星在轨运行将在年，全部卫星在轨运行将在20152020年实现。与现年实现。与现有有GPS相比，相比，GPS的信号发射功率将提高的信号发射功率将提高100倍倍，信号，信号抗干扰能力提高抗干扰能力提高1000倍倍以上，授时精度将达到以上，授时精度将达到1纳秒纳秒，定，定位精度提高到位精度提高到0.20.5米米，这样可以使，这样可以使GPS制导弹药的精制导弹药的精度达到度达到1米以内。米以内。54GPS计划当前的GPS现代化工作能使星座维持运行到201
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