GPS测量原理与应用 第一章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,专 业：测绘工程,总 学 时：,56,学时,考核方式：考试,主讲教师：周文国,课程简介,学时：,56,其中实践课：,12,学时,课程性质：必修考试 总学分：,3.5,主要学习内容：,重点：,难点：,考试：笔试,70%+,实验,20%+,平时成绩,10%,教材：,GPS,测量原理及应用,，武汉大学出版社，徐绍铨、张华海等编著（第三版）,参考资料：,全球导航卫星系统原理与应用,，测绘出版社，党亚民等编著。,第一章 绪 论,1-1 GPS,发展过程,一、卫星定位技术的发展过程,1957,年,10,月，世界第一颗人造地球卫星的发射成功，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展，迅速跨入一个崭新的时代。,1958,年底，美国海军武器实验室，着手建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即,“,海军导航卫星系统,”,（,Navy Navigation Satellite System-NNSS,），,1964,年建成，并在美国军方启用。,双击此处,添加文字,1967,年美国政府批准该系统解密，提供民用。,1973,年美国国防部开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的,“,授时与测距导航系统,/,全球定位系统,”,（,Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning SystemNAVSTAR/GPS,），通常简称为,“,全球定位系统（,GPS,）,”,。,二、,GPS,全球定位系统的建立,GPS,系统构成,：总共有,24,颗卫星,，其中,3,颗备用卫星，卫星轨道个数,6,个，卫星高度为,20200,公里，轨道倾角为,55,，卫星运行周期为,11,小时,58,分，载波频率为,1575.42MHZ,和,1227.60MHZ,，在地球表面上，高度角,15,以上，平均可同时观测到,6,颗卫星，最多可观测到,9,颗卫星，不受高度角限制时，最少能观测到,4,颗卫星，最多,11,颗卫星。,三、,GLONASS,系统简介,前苏联,1982,年,10,月,12,日开始到,1996,年建成，,1995,年初有,16,颗卫星，,1996,年,1,月,18,日整个系统正常运行。,GLONASS,系统的卫星星座由,24,颗卫星组成，均匀分布在,3,个近圆形的轨道平面上，每个轨道面,8,颗卫星，轨道高度,19100,公里，运行周期,11,小时,15,分，轨道倾角,64.8,。由于,GLONASS,的卫星轨道倾角大于,GPS,卫星的轨道倾角，所以在高纬度地区（,50,度以上）可视性更好。,四、伽利略系统简介,GARLILEO,系统计划是欧洲委员会于,1999,年,2,月公布筹建的全球定位导航服务系统，,GALILEO,系统设计为支持各种领域广泛应用，包括,实时导航、位置基准、安全与应急跟踪、体育、休闲服务和支持政府公共事业的需要,。,GALILEO,系统在技术结构上将以,30,颗,MEO,轨道卫星为核心星座，其空间信号等效于,GPS,卫星上的信号，具有在,L,频段和,GPS,兼容的多频体制。在经济上除一般的免费入网用户外，加设有控收费入网的高完善性安全导航用户及其他增值收费服务。,“,伽利略,”,卫星定位系统将由,30,颗轨道卫星组成，卫星的轨道高度为,2.4,万公里，倾角为,56,度，分布在,3,个轨道面上，每个轨道面部署,9,颗工作星和,1,颗在轨备份星。,“,伽利略,”,将为用户提供误差不超过,1,米、时间精确的定位服务。,中国是第一个参与,“,伽利略,”,计划的非欧盟国家，承诺提供,2,亿欧元的研发经费。,在中国国家遥感中心和欧洲伽利略联合执行体的共同努力下，中欧已经成功启动了,“,伽利略,”,计划合作,11,个项目的技术谈判，项目涵盖,“,伽利略,”,系统的空间段、地面段和应用段等各领域。已经签署合作协议的,7,个项目合同总金额超过,3000,万欧元。这些项目包括：渔业应用项目、基于位置服务的标准研究、电离层研究、上行站前端、搜救转发器、激光后向反射器、中国伽利略测试认证环境等。,五、北斗导航系统简介,我国开始建设拥有自主知识产权的全球卫星导航系统,北斗卫星导航系统，这也是我国自主建立的第一代卫星导航定位系统。,正在建设的北斗卫星导航系统空间段由,颗静止轨道卫星和颗非静止轨道卫星,组成，提供两种服务方式，即,开放服务和授权服务,。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为米，授时精度为纳秒，测速精度为米秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务信息。,北斗卫星导航系统与和系统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置在什么地方，特别适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等。,中国具有自主知识产权的卫星定位系统,北斗导航系统又有阶段性突破。上海复控华龙微系统技术有限公司最近推出了首颗北斗导航芯片,“,领航一号,”,，主要用于双向接收卫星导航信号。,目前北斗导航系统已经发射成功,5,颗静止轨道卫星,。,根据计划，到,2012,年，中国将完成另外,30,颗非静止轨道卫星，,35,颗卫星将共同组成网络，覆盖全球。,序号,名称,发射时间,序号,名称,发射时间,1,第一颗北斗导航卫星,2007,年,04,月,14,日日时分,5,第五颗北斗导航卫星,2010,年,8,月,1,日,5,时,30,分,2,第二颗北斗导航卫星,2009,年,04,月,15,日,0,时,16,分,6,3,第三颗北斗导航卫星,2010,年,1,月,17,日凌晨,0,时,12,分,7,4,第,4,颗北斗导航卫星,2010,年,6,月,2,日晚,23,时,53,分,8,中国北斗导航卫星发射情况统计表,北京时间,2010,年,1,月,17,日零时,12,分，中国在西昌卫星发射中心用,“,长征三号丙,”,运载火箭，将第三颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道。按规划，,2012,年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力；,2020,年左右可覆盖全球。,北京时间,2010,年,6,月,2,日晚,23,时,53,分，中国在西昌卫星发射中心用,“,长征三号丙,”,运载火箭，将第四颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道，这标志着北斗卫星导航系统组网建设又迈出重要一步。,2010,年,8,月,1,日,5,时,30,分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭，成功发射第五颗北斗导航卫星。,国产北斗导航定位卫星工作示意图,国产北斗导航定位卫星模型,1-2 GPS,系统的组成,GPS,全球定位系统,主要由三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。,一、,GPS,卫星星座部分,（一）、,GPS,卫星星座的构成,全球定位系统的空间,卫星星座,，由,24,颗卫星组成，其中包括,3,颗备用卫星。卫星分布在,6,个轨道面内，每个轨道面上分布有,4,颗卫星。,卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为,55,，各轨道平面升交点的赤经相差,60,，在相邻轨道上，卫星的升交距角相差,30,。轨道平均高度约为,20200km,，卫星运行周期为,11,小时,58,分。因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约,4,分钟。每颗卫星每天约有,5,个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为,4,颗，最多可达,11,颗。,卫,星,星,座,（二）、,GPS,卫星及其功能,GPS,卫星的主体呈圆柱形，直径约为,1.5m,，重约,774kg(,包括,310kg,燃料,),两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星装有,4,台高精度原子钟,(2,台铷钟和,2,台铯钟,),，这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为,GPS,定位提供高精度的时间标准。,GPS,卫星,GPS,卫星的基本功能（作用）是接收和储存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；卫星上设有微处理机，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；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和启用备用卫星。,二、地面监控部分,GPS,地面监控部分，目前主要由分布在全球的,5,个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。,（一）监测站,现有,5,个地面站均具有监测站功能。,（二）主控站,主控站有一个，设在科罗拉多（,Colorado Springs,）。,（三）注入站,注入站现有,3,个，分别设在印度洋的迭哥加西亚（,Diego Garcia,）、南大西洋的阿松森岛（,Ascencion,）和南太平洋的卡瓦加兰（,Kwajalein,）。,地面监控部分,三、用户设备部分,全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用,GPS,定位的目的。,用户设备一,用户设备二,用户设备三,用户设备（,1,）,博飞,GTS100,华测,X20,静态接收机,用户设备（,2,）,中海达,8200E,RTK,作业,用户设备（,3,）,手持,GPS,南方灵锐,S82RTK,接收机,同学们正在实习,1-3 GPS,技术特点及对,GPS,用户限制性政策,一、,GPS,相对于其它导航系统的特点,GPS,同其它导航系统相比，其主要特点如下：,1,、全球地面连续覆盖。,2,、功能多，精度高。,3,、实时定位。,4,、应用广泛。,1,、观测站之间无需通视。,2,、定位精度高。,3,、观测时间短。,4,、提供三维坐标。,5,、操作简便。,6,、全天候作业。,二、,GPS,定位,技术,相对于经典测量的特点,三、美国政府对,GPS,用户的限制性政策,由于,GPS,定位技术与美国的国防现代化发展密切相关，为了保障美国的利益与安全，美国政府采取了限制非经美国特许的用户利用,GPS,定位的精度措施。该系统除了在设计方面采取了许多保密性措施外，在系统运行中还采取了可能采取的措施，来限制用户获取,GPS,观测量的精度，其措施主要有三种。,1,、对不同的,GPS,用户提供不同的服务方式,GPS,卫星发射的无线电信号，含有两种精度不同的测距码，即所谓的,P,码（也称精测码）和,C/A,码（也称粗测码）。,相应两种测距码,GPS,提供两种定位服务方式，即,精密定位服务和标准定位服务,。,精密定位服务（,PPS,）,可提供,L1,和,L2,载波上的,P,码，,L1,载波上的,C/A,码，导航电文和消除,SA,影响的密匙。,PPS,的,主要用户对象,是美国军事部门和其他经美国特许的用户。,P,码是不公开的保密码，未经美国政府特许的用户是难以利用的。,其单点定位精度约为,5m10m,。,标准定位服务（,SPS,）,仅提供,L1,载波上的,C/A,码和导航电文，其主要服务对象是非经美国政府特许的广大用户。其单点定位精度约为,20m,40m,。,2,、实施选择可用性（,SA,）政策,为了进一步降低标准定位服务（,SPS,）的定位精度，对,GPS,工作卫星发射的信号，实行了,SA,政策，以进行人为干扰，其干扰是通过所谓的,和,技术实现的。前者是干扰卫星星历数据，通过降低,GPS,卫星播发的轨道参数的精度来降低利用,C/A,码进行单点定位的精度。后者是对,GPS,基准信号人为的引入一个高频抖动信号，降低,C/A,码伪距观测两的精度。,3,、精密测距码加密（,A-S,）措施,P,码的加密措施也叫,“,反电子欺骗,”,（,A-S,）措施。当,P,码已被解密，或在战时，对方如果知道了特许用户接收机所接收卫星信号的频率和相位，便可以发射适当频率的干扰信号，诱使特许用户的接收机错锁信号，产生错误的导航信息。为了防止这种电子欺骗，进一步加密,P,码，美国将在必要时引入机密码,W,，并通过,P,码与,W,码相加，构成,Y,码。对于一般用户是无法解释,Y,码来实现精密定位的。,四、非特许,GPS,用户对美国限制性政策的措施,主要措施：,1,、建立独立的,GPS,卫星测轨系统,2,、建立独立的卫星定位系统（如,GLONASS,全球导航卫星系统,、北斗,导航定位系统,、,GARLILEO,系统,等）,3,、开发,GPS,与,GLONASS,兼容接收机,4,、研究开发差分,GPS,定位技术,GPS,系统构成图,综合练习,1,、若不受卫星高度角限制，在进行,GPS,观测时，最多可观测到的卫星和最少可观测到的卫星分别为（,）。,A,、,9,颗、,4,颗,B,、,11,颗、,4,颗,C,、,11,颗、,1,颗,D,、,9,颗、,1,颗,2,、美国政府对,GPS,用户采取了哪些限制性政策？这些非特许用户针对美国的加密政策采取了哪些对策？,3,、,GPS,卫星定位系统由三大部分组成，即,部分、,部分和,部分。,4,、,GPS,、,GARLILEO,、,GLONASS,、北斗导航定位系统等基本概念。,