GPS原理與應(yīng)用第一章

1、1,GPS原理及應(yīng)用,05級(jí)地信專業(yè) 王宇明 電話：23540105 Email:,31.12.2020,可編輯ppt,2,全球定位系統(tǒng)（GPS）Navigation System Time and Ranging / Global Positioning SystemNAVSTAR/GPS,三維位置（經(jīng)度、緯度、高度） 三維速度 時(shí)間,根據(jù)Wooden 1985年所給出的定義：NAVSTAR全球定位系統(tǒng)（GPS）是一個(gè)空基全天侯導(dǎo)航系統(tǒng)，它由美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)，用以滿足軍方在地面或近地空間內(nèi)獲取在一個(gè)通用參照系中的位置、速度和時(shí)間信息的要求。,31.12.2020,可編輯ppt,3,內(nèi)容提要,一

2、、 概述（1） 二、坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)（2） 三、衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷（3） 四、GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號(hào)（4） 五、GPS衛(wèi)星定位基本原理（4，5，6，7） 六、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航（8） 七、GPS測(cè)量的誤差來(lái)源及其影響（9，10） 八、GPS測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)施（11） 九、GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理（12） 十、GPS應(yīng)用（13）,31.12.2020,可編輯ppt,4,課程要求及考核,課程的要求 基本概念的掌握 知識(shí)面的拓展 課程成績(jī) 理論考試70，平時(shí)成績(jī)（考勤,作業(yè)和問(wèn)答）30 主要考核基本概念和基本知識(shí) 考核包括簡(jiǎn)單的計(jì)算，無(wú)公式推導(dǎo) 考試范圍為課程的講授范圍 17周上復(fù)習(xí)課，18

3、周考試,31.12.2020,可編輯ppt,5,參考文獻(xiàn),1 .周忠謨等，GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用， 測(cè)繪出版 社，1997 2. 徐紹銓等，GPS測(cè)量原理及應(yīng)用， 武漢大學(xué)出版 社，2003 3. 劉基余，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法， 科學(xué)出版社，2003 4. 李征航，空間定位技術(shù)及應(yīng)用， 武漢大學(xué)出版社，2003,1. B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, J. Collins, Global Positioning System Theory and Practice, Fourth, revised edition, Springer-Ver

4、lag/Wien, 1997. 2. GPS for Geodesy, 2nd ed., Springer-Verlag, New York, 1998.,31.12.2020,可編輯ppt,6,第一章 概論,GPS的發(fā)展與由來(lái) GPS 的特點(diǎn) GPS的組成 美國(guó)政府的GPS政策（限制） 非特許用戶的對(duì)策（反限制）,31.12.2020,可編輯ppt,7,衛(wèi)星定位技術(shù)產(chǎn)生的必然性,提供精確的地心坐標(biāo)的需要 提供全球統(tǒng)一的坐標(biāo)的需要 長(zhǎng)距離高精度定位的需要 全天候、快速、精確、簡(jiǎn)便定位方式的需要,31.12.2020,可編輯ppt,8,1957年10月4日前蘇聯(lián)發(fā)射了人類的第一顆人造地球衛(wèi)星；,

5、美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室利用多普勒頻移原理于1967年7月建成了海軍導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Navy Navigation Satellite System-NNSS）即TRANSIT （子午衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星軌道通過(guò)地極）；,GPS的發(fā)展與由來(lái),31.12.2020,可編輯ppt,9,TRANSIT系統(tǒng),衛(wèi)星：6顆 極地軌道 軌道高度：1100km 信號(hào)頻率：400MHz、150MHz 衛(wèi)星通過(guò)時(shí)間間隔：100min，有時(shí)達(dá)到10h 絕對(duì)定位精度：1m 相對(duì)定位精度：0.1m0.5m 定位原理：多普勒定位,31.12.2020,可編輯ppt,10,子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在什么問(wèn)題？,GPS的發(fā)展與由來(lái)（續(xù)）,3

6、1.12.2020,可編輯ppt,11,TRANSIT （子午衛(wèi)星系統(tǒng)）缺點(diǎn)：,衛(wèi)星數(shù)?。?6顆，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)航定位； 高度低：1000km ，難以精密定軌； 一次定位所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)（1.5h） 頻率低，難以消除電離層影響。 因而，滿足不了軍事需要。,GPS的發(fā)展與由來(lái)（續(xù)）,31.12.2020,可編輯ppt,12,美國(guó)國(guó)防部從1973年開(kāi)始籌建GPS，整個(gè)GPS系統(tǒng)于1994年3月全部建成。 GPS系統(tǒng)是20世紀(jì)空間技術(shù)上最重大的成就之一。,GPS的發(fā)展與由來(lái)（續(xù)）,31.12.2020,可編輯ppt,13,2. GPS 組成,空間衛(wèi)星部分 24顆衛(wèi)星 6個(gè)軌道 軌道高度20200KM 運(yùn)

7、行周期11小時(shí)58分,地面監(jiān)控部分 監(jiān)測(cè)站 主控站 注入站,用戶設(shè)備部分 GPS 接收機(jī) 天線 硬件 軟件包,31.12.2020,可編輯ppt,14,2. GPS 組成（續(xù)）,GPS衛(wèi)星的發(fā)展可分為五個(gè)階段： Block Block、BlockA BlockR、 BlockF,GPS空間衛(wèi)星部分,31.12.2020,可編輯ppt,15,GPS衛(wèi)星星座 設(shè)計(jì)星座(21+3) ：21顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動(dòng)的備用衛(wèi)星 6個(gè)軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55，周期11h 58min（地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次） 保證在24小時(shí)，在高度角15以上，能夠同時(shí)觀測(cè)到4

8、至12顆衛(wèi)星 當(dāng)前星座：28顆,作用（基本功能）： 接收、存儲(chǔ)導(dǎo)航電文 生成用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（測(cè)距碼、載波） 發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（采用雙向調(diào)制法調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和導(dǎo)航電文） 接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作 銫鐘和銣鐘提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn),31.12.2020,可編輯ppt,16,Block IIR,Block IIA,Block IIR,Block IIF,Block IIR,GPS衛(wèi)星類型,31.12.2020,可編輯ppt,17,GPS 的控制部分由分布在全球的由若干個(gè)跟蹤站所組成。分為主控站、監(jiān)控站和注入站。主控站位于美國(guó)克羅拉多Colorado的法爾孔Falcon 空軍基地。它的作

9、用是根據(jù)各監(jiān)控站根據(jù)GPS 的觀測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)注入站注入到衛(wèi)星中去。同時(shí)它還對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時(shí)調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星工作。主控站也具有監(jiān)控站的功能。 監(jiān)控站有五個(gè)。除了主控站外其它四個(gè)分別位于夏威夷(Hawaii)、 阿松森群島(Ascencion)、 迭哥伽西亞(Diego Garcia)、 卡瓦加蘭(Kwajalein)。 監(jiān)控站的作用是接收衛(wèi)星信號(hào)、監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀態(tài)。 注入站有三個(gè)。分別位于阿松森群島、 迭哥伽西亞、卡瓦加蘭。 注入站的作用是將主控站計(jì)算出的衛(wèi)星星歷和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中去

10、。,地面監(jiān)控部分,31.12.2020,可編輯ppt,18,地面監(jiān)控部分 （Ground Segment）,主控站：1個(gè),監(jiān)測(cè)站：5個(gè),注入站：3個(gè),31.12.2020,可編輯ppt,19,地面監(jiān)控部分的主要任務(wù),31.12.2020,可編輯ppt,20,用戶部分 （User Segment）,組成 用戶 接收設(shè)備 接收設(shè)備 GPS信號(hào)接收機(jī),31.12.2020,可編輯ppt,21,GPS信號(hào)接收機(jī),組成 天線單元 天線前置放大器 接收天線 接收單元 信號(hào)通道（channel） 存儲(chǔ)器 微處理器 輸入輸出設(shè)備 電源,任務(wù) 按一定高度截止角捕獲衛(wèi)星，跟蹤衛(wèi)星運(yùn)行 對(duì)接收到的GPS信號(hào)，具有變

11、換、放大、處理功能 測(cè)量信號(hào)傳播時(shí)間，解譯導(dǎo)航電文；實(shí)時(shí)計(jì)算用戶位置、速度與時(shí)間,31.12.2020,可編輯ppt,22,3. GPS的特點(diǎn),傳統(tǒng)定位方法的局限性 需要事先布設(shè)大量的地面控制點(diǎn) 觀測(cè)點(diǎn)之間需要保證通視 作業(yè)難度大 需要修建覘標(biāo) 邊長(zhǎng)受到限制 效率低：無(wú)用的中間過(guò)渡點(diǎn) 無(wú)法同時(shí)精確確定點(diǎn)的三維坐標(biāo) 觀測(cè)受氣候、環(huán)境條件限制 受系統(tǒng)誤差影響大 難以確定地心坐標(biāo),GPS 相對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù) 觀測(cè)站間無(wú)需通視 定位精度高（絕對(duì)精度10米，相對(duì)精度2毫米） 觀測(cè)時(shí)間短 提供3維坐標(biāo) 操作簡(jiǎn)單 全天候作業(yè),31.12.2020,可編輯ppt,23,3. GPS的特點(diǎn)（續(xù)）, GPS 相對(duì)

12、其它導(dǎo)航系統(tǒng) 全球地面連續(xù)覆蓋 功能多，精度高 實(shí)時(shí)定位 應(yīng)用廣泛,31.12.2020,可編輯ppt,24,4. 美國(guó)政府的GPS政策 (限制),(1) 提供不同的用戶服務(wù)方式,(2) 實(shí)施SA（選擇可用性）政策,(3) 實(shí)施AS （精碼加密）政策,31.12.2020,可編輯ppt,25,4. 美國(guó)的GPS政策 (續(xù)）,(1) 提供不同的用戶服務(wù)方式 精密定位服務(wù) PPS（Precise Positioning Service） 標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù) SPS (Standard Positioning Service),GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)含有二種精度不同的測(cè)距碼 P碼 （又稱精碼） 軍用

13、PPS定位服務(wù) C/A碼（又稱粗碼） 民用 SPS定位服務(wù),P碼獲得較高的定位精度，單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度可優(yōu)于10米 C/A碼獲得較低的定位精度，單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度約為30-40米左右,31.12.2020,可編輯ppt,26,4. 美國(guó)GPS的政策 (續(xù)）,(2) 實(shí)施SA政策 SA-Selective Availability （選擇可用性） SPS定位服務(wù)中加干擾技術(shù),-技術(shù),-技術(shù),干擾 衛(wèi)星星歷,引入高頻抖動(dòng),實(shí)施SA政策：水平定位100米，垂直定位150米,（2000年5月前）,衛(wèi)星原子鐘的基頻,1=19.03cm 2=24.42cm,31.12.2020,可編輯ppt,27,(3) 實(shí)

14、施AS政策 AS-Anti-Spoofing (精碼P碼加密) AS-反電子欺騙,P,W,Y,特許用戶和非特許用戶定位精度,31.12.2020,可編輯ppt,28,研究差分GPS技術(shù),建立獨(dú)立衛(wèi)星定位系統(tǒng) GLONASS 伽利略(Galileo) 北斗,開(kāi)發(fā)組合接收機(jī)和組合系統(tǒng) GPS/GLONASS GPS/INS,5 .非特許用戶的對(duì)策（反限制）,31.12.2020,可編輯ppt,29,GLONASS是GLObale NAvigation Satellite System(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))的字頭縮寫，是前蘇聯(lián)從80年代初開(kāi)始建設(shè)的與美國(guó)GPS系統(tǒng)相類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也由衛(wèi)星星座、地

15、面監(jiān)測(cè)控制站和用戶設(shè)備三部分組成?，F(xiàn)在由俄羅斯空間局管理。 GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)星星座由24顆衛(wèi)星組成，均勻分布在3個(gè)近圓形的軌道平面上，每個(gè)軌道面8顆衛(wèi)星，軌道高度19100公里，運(yùn)行周期11小時(shí)15分，軌道傾角64.8。 GLONASS衛(wèi)星的載波上也調(diào)制了兩種偽隨機(jī)噪聲碼：S碼和P碼。 GLONASS系統(tǒng)從理論上有24顆衛(wèi)星，但由于衛(wèi)星使用壽命和資金緊張等問(wèn)題，實(shí)際上目前只有8顆。 GLONASS系統(tǒng)單點(diǎn)定位精度水平方向?yàn)?6m，垂直方向?yàn)?5m。,GLONASS系統(tǒng),31.12.2020,可編輯ppt,30,GLONASS系統(tǒng) (GLObal NAvigation Satellite

16、System, 俄羅斯),星座組成 24顆衛(wèi)星（213） 三個(gè)軌道平面 每個(gè)軌道面上衛(wèi)星均勻分布 軌道高度：19100km 軌道傾角：64.8 衛(wèi)星運(yùn)行周期：11h15min 1995年底建成,31.12.2020,可編輯ppt,31,GLONASS信號(hào),每顆衛(wèi)星載波頻率不同 計(jì)劃調(diào)整載波頻率，使同軌道上相對(duì)的衛(wèi)星載波頻率相同。2005年后 L1: 1598.06251604.2500MHz L2: 1242.93751247.7500MHz 各顆衛(wèi)星也有C/A碼與P碼，且不同衛(wèi)星間相同 無(wú)SA與AS技術(shù)，但不向民用用戶提供P碼 GLONASS單點(diǎn)定位精度 平面 20m左右；高程 40m左右（

17、95%）,31.12.2020,可編輯ppt,32,31.12.2020,可編輯ppt,33,31.12.2020,可編輯ppt,34,系統(tǒng)組成： 衛(wèi)星星座：由3個(gè)獨(dú)立的圓形軌道，30顆GNSS衛(wèi)星組成（27顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星） 。衛(wèi)星的軌道傾角i =56；衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周期T=14h23m14S恒星時(shí)；軌道高度H=23616km 。 地面系統(tǒng)：在歐洲建立2個(gè)控制中心；在全球構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)。 定位原理：與GPS相同。 定位精度：導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高。 計(jì)劃實(shí)施： 1994年開(kāi)始進(jìn)入方案論證階段； 2003年開(kāi)始發(fā)射兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星進(jìn)入試驗(yàn)階段； 2008年整個(gè)伽利略（GNSS）系統(tǒng)建成并投

18、入使用；,伽俐略系統(tǒng),31.12.2020,可編輯ppt,35,GALILEO系統(tǒng) (歐洲),星座組成 30顆衛(wèi)星 （273） 三個(gè)軌道平面 軌道高度：23616km 軌道傾角：56 Galileo信號(hào) 根據(jù)公開(kāi)、安全、商業(yè)、政府四種服務(wù)模式采用不同信號(hào) 載波頻率：L波段（E1,E2,E5a, E5b和E6）,31.12.2020,可編輯ppt,36,星座建立計(jì)劃,2004，發(fā)射GSTB (Galileo System Test Bed)試驗(yàn)衛(wèi)星 20052006，發(fā)射4顆工作衛(wèi)星，在軌作業(yè)試驗(yàn) 2008，建立Galileo工作星座,31.12.2020,可編輯ppt,37,北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) (中國(guó)),系統(tǒng)組成 導(dǎo)航衛(wèi)星：2顆地球同步衛(wèi)星（Sat-31/32靜地衛(wèi)星），東經(jīng)80度與140度上空 地面中心站：地面控制中心地面數(shù)據(jù)處理中心 定軌觀測(cè)網(wǎng)：3個(gè)以上地面定軌觀測(cè)站 校準(zhǔn)站 測(cè)高站 用戶發(fā)收機(jī) 系統(tǒng)建成時(shí)間：2000年底,31.12.2020,可編輯ppt,38,北斗星系統(tǒng)定位原理,主動(dòng)式：用戶設(shè)備既接收也發(fā)送信號(hào)，地面中心站解算用戶位置并告知用戶；需要高程約束解算用戶位置，且用戶不能自己解算坐標(biāo)。 定位精度：平面 20m,31.12.2020,可編輯ppt,39,GPS、 GLONASS、 GALILE