GPS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,*,*,GPS,原理与应用,城市与环境科学学院,王宇明,05地信专业,GPS,原理及应用,05级地信专业,王宇明,电话：23540105,Email:,1,全球定位系统（,GPS）,Navigation System Time and Ranging,/,Global Positioning SystemNAVSTAR/GPS,三维位置（经度、纬度、高度）,三维速度,时间,根据,Wooden 1985,年所给出的定义：,NAVSTAR,全球定位系统（,GPS）,是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。,10/5/2024,2,内容提要,一、概述（1）,二、坐标系统和时间系统（2）,三、卫星运动基础及,GPS,卫星星历（3）,四、,GPS,卫星的导航电文和卫星信号（4）,五、,GPS,卫星定位基本原理（4，5，6，7）,六、,GPS,卫星导航（8）,七、,GPS,测量的误差来源及其影响（9，10）,八、,GPS,测量的设计与实施（11）,九、,GPS,测量数据处理（12）,十、,GPS,应用（13）,10/5/2024,3,课程要求及考核,课程的要求,基本概念的掌握,知识面的拓展,课程成绩,理论考试70，平时成绩（考勤,作业和问答）30,主要考核基本概念和基本知识,考核包括简单的计算，无公式推导,考试范围为课程的讲授范围,17周上复习课，18周考试,10/5/2024,4,参考文献,1.,周忠谟等，,GPS,卫星测量原理与应用，,测绘出版 社，1997,2.徐绍铨等，,GPS,测量原理及应用，,武汉大学出版 社，2003,3.刘基余，,GPS,卫星导航定位原理与方法，,科学出版社，2003,4.李征航，空间定位技术及应用，,武汉大学出版社，2003,1.,B.,Hofmann,-,Wellenhof,H.,Lichtenegger,J.Collins,Global Positioning System Theory and Practice,Fourth,revised edition,Springer-,Verlag,/,Wien,1997.,2.GPS for Geodesy,2nd ed.,Springer-,Verlag,New York,1998.,10/5/2024,5,第一章 概论,GPS,的发展与由来,GPS,的特点,GPS,的组成,美国政府的,GPS,政策（限制）,非特许用户的对策（反限制）,10/5/2024,6,卫星定位技术产生的必然性,提供精确的地心坐标的需要,提供全球统一的坐标的需要,长距离高精度定位的需要,全天候、快速、精确、简便定位方式的需要,10/5/2024,7,1957年10月4日前苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星；,美国海军武器实验室利用多普勒频移原理于1967年7月建成了海军导航卫星定位系统（,Navy Navigation Satellite System-NNSS）,即,TRANSIT（,子午卫星系统，卫星轨道通过地极）；,GPS,的发展与由来,10/5/2024,8,TRANSIT,系统,卫星：6颗,极地轨道,轨道高度：1100,km,信号频率：400,MHz、150MHz,卫星通过时间间隔：100,min，,有时达到10,h,绝对定位精度：1,m,相对定位精度：0.1,m0.5m,定位原理：多普勒定位,10/5/2024,9,子午卫星导航系统存在什么问题？,GPS,的发展与由来（续）,10/5/2024,10,TRANSIT（,子午卫星系统）,缺点：,卫星数小：56颗,，无法实现连续导航定位；,高度低：1000,km,，难以精密定轨；,一次定位所需时间过长,（1.5,h）,频率低，难以消除电离层影响。,因而，满足不了军事需要,。,GPS,的发展与由来（续）,10/5/2024,11,美国国防部从1973年开始筹建,GPS，,整个,GPS,系统于1994年3月全部建成。,GPS,系统是20世纪空间技术上最重大的成就之一。,GPS,的发展与由来（续）,10/5/2024,12,2.,GPS,组成,空间卫星部分,24颗卫星 6个轨道,轨道高度20200,KM,运行周期11小时58分,地面监控部分,监测站 主控站 注入站,用户设备部分,GPS,接收机 天线 硬件 软件包,10/5/2024,13,2,.,GPS,组成（续）,GPS,卫星的发展可分为五个阶段：,Block,Block、BlockA,BlockR,、,BlockF,GPS,空间卫星部分,10/5/2024,14,GPS,卫星星座,设计星座(21+3)：21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星,6个轨道面，平均轨道高度20200,km，,轨道倾角55,，周期11,h 58min（,地球-卫星的几何关系每天提前4,min,重复一次）,保证在24小时，在高度角15,以上，能够同时观测到4至12颗卫星,当前星座：28颗,作用（基本功能）：,接收、存储导航电文,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（采用双向调制法调制在载波上的测距码和导航电文）,接受地面指令，进行相应操作,铯钟和铷钟提供精密的时间标准,10/5/2024,15,Block IIR,Block IIA,Block IIR,Block IIF,Block IIR,GPS,卫星类型,10/5/2024,16,GPS,的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所组成。分为主控站、监控站和注入站。主控站位于美国克罗拉多,Colorado,的法尔孔,Falcon,空军基地。它的作用是根据各监控站根据,GPS,的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去。同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时调度备用卫星替代失效的工作卫星工作。主控站也具有监控站的功能。,监控站有五个。除了主控站外其它四个分别位于夏威夷,(,Hawaii)、,阿松森群岛,(,Ascencion,)、,迭哥伽西亚,(,Diego Garcia)、,卡瓦加兰,(,Kwajalein,)。,监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。,注入站有三个。分别位于阿松森群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰。注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。,地面监控部分,10/5/2024,17,地面监控部分,（,Ground Segment）,主控站：1个,监测站：5个,注入站：3个,10/5/2024,18,主控站,管理、协调地面监控系统各部分的工作,编算广播星历,轨道参数,卫星钟差和大气层改正数等送给注入站,调整卫星状态(轨道纠偏),调度卫星(用备用卫星代替失效工作卫星,),监测站,对卫星进行跟踪观测,记录气象数据,将数据传送到主控站,注入站,向卫星注入导航电文和指令等,地面监控部分的主要任务,10/5/2024,19,用户部分（,User Segment）,组成,用户,接收设备,接收设备,GPS,信号接收机,10/5/2024,20,GPS,信号接收机,组成,天线单元,天线前置放大器,接收天线,接收单元,信号通道（,channel）,存储器,微处理器,输入输出设备,电源,任务,按一定高度截止角捕获卫星，跟踪卫星运行,对接收到的,GPS,信号，具有变换、放大、处理功能,测量信号传播时间，解译导航电文；实时计算用户位置、速度与时间,10/5/2024,21,3.,GPS,的特点,传统定位方法的局限性,需要事先布设大量的地面控制点,观测点之间需要保证通视,作业难度大,需要修建觇标,边长受到限制,效率低：无用的中间过渡点,无法同时精确确定点的三维坐标,观测受气候、环境条件限制,受系统误差影响大,难以确定地心坐标,GPS,相对传统的测量技术,观测站间无需通视,定位精度高（绝对精度10米，相对精度2毫米）,观测时间短,提供3维坐标,操作简单,全天候作业,10/5/2024,22,3.,GPS,的特点（续）,GPS,相对其它导航系统,全球地面连续覆盖,功能多，精度高,实时定位,应用广泛,10/5/2024,23,4,.,美国政府的,GPS,政策,(,限制),(1),提供不同的用户服务方式,(2),实施,SA（,选择可用性,）政策,(3),实施,AS（,精码加密,）政策,10/5/2024,24,4,.,美国的,GPS,政策(续）,(1),提供不同的用户服务方式,精密定位服务,PPS（Precise Positioning Service）,标准定位服务,SPS(Standard Positioning Service),GPS,卫星发射的无线电信号含有二种精度不同的测距码,P,码（又称精码）军用,PPS,定位服务,C/A,码（又称粗码）民用,SPS,定位服务,P,码获得较高的定位精度，单点实时定位精度可优于10米,C/A,码获得较低的定位精度，单点实时定位精度约为30-40米左右,10/5/2024,25,4,.,美国,GPS,的政策(续）,(2),实施,SA,政策,SA-Selective Availability（,选择可用性）,SPS,定位服务中加干扰技术,-技术,-技术,干扰,卫星星历,引入高频抖动,实施,SA,政策：水平定位100米，垂直定位150米,（2000年5月前）,卫星原子钟的基频,1=19,.03,cm,2=24.42cm,10/5/2024,26,(3),实施,AS,政策,AS-Anti-Spoofing(,精码,P,码加密),AS-,反电子欺骗,P,W,Y,特许用户和非特许用户定位精度,10/5/2024,27,研究差分,GPS,技术,建立独立卫星定位系统,GLONASS,伽利略(,Galileo),北斗,开发组合接收机和组合系统,GPS/GLONASS GPS/INS,5,.,非特许用户的对策（反限制）,10/5/2024,28,GLONASS,是,GLObale NAvigation,Satellite System(,全球导航卫星系统,),的字头缩写，是前苏联从,80,年代初开始建设的与美国,GPS,系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。,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,。,GLONASS,卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：,S,码和,P,码,。,GLONASS,系统从理论上有24颗卫星，但由于卫星使用寿命和资金紧张等问题，实际上目前只有8颗。,GLONASS,系统单点定位精度水平方向为16,m，,垂直方向为25,m。,GLONASS,系统,10/5/2024,29,GLONASS,系统(,GLObal,NAvigation,Satellite System,俄罗斯,),星座组成,24颗卫星（213）,三个轨道平面,每个轨道面上卫星均匀分布,轨道高度：19100,km,轨道倾角：64.8,卫星运行周期：11,h15min,1995,年底建成,10/5/2024,30,GLONASS,信号,每颗卫星载波频率不同,计划调整载波频率，使同轨道上相对的卫星载波频率相同。2005年后,L1:1598.06251604.2500MHz,L2:1242.93751247.7500MHz,各颗卫星也有,C/A,码与,P,码，且不同卫星间相同,无,SA,与,AS,技术，但不向民用用户提供,P,码,GLONASS,单点定位精度,平面,20,m,左右；高程,40,m,左右（95%）,10/5/2024,31,10/5/2024,32,10/5/2024,33,系统组成,：,卫星星座：由,3,个独立的圆形轨道，,30