GPS衛(wèi)星定位技術(shù)

1、GPS測(cè)量原理及應(yīng)用課程性質(zhì)：專業(yè)必修課課程安排：總學(xué)時(shí)414=56 課堂教學(xué)：36 實(shí)驗(yàn)教學(xué)：20教學(xué)目標(biāo)：了解GPS定位的基本原理和相關(guān)知識(shí) 掌握GPS的技術(shù)設(shè)計(jì) 掌握GPS的外業(yè)觀測(cè)（靜態(tài)測(cè)量、RTK） 學(xué)會(huì)GPS內(nèi)業(yè)解算 初步掌握GPS高程擬合考核方式：閉卷考試 期末考試：70% 平時(shí)成績(jī)：30% （百分制，考勤30分，課堂提問10，實(shí)驗(yàn)60） 第一章 緒論（4學(xué)時(shí)）第二章 坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)（2學(xué)時(shí)）第三章 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷（2學(xué)時(shí)）第四章 GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號(hào)（6+2學(xué)時(shí)）第五章 GPS衛(wèi)星定位基本原理（6+6學(xué)時(shí)）第六章 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航（2學(xué)時(shí)）第七章 GP

2、S測(cè)量的誤差來(lái)源及其影響（2學(xué)時(shí)）第八章 GPS測(cè)量的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（4+8學(xué)時(shí)）第九章 GPS測(cè)量數(shù)據(jù)處理（4+4學(xué)時(shí)）第十章 GPS應(yīng)用（自學(xué)）增加：Matlab 的認(rèn)識(shí)（2學(xué)時(shí)）總結(jié)、答疑 （2學(xué)時(shí)）1.1 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)1.2 其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)第一章 緒論1.1 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)u什么是什么是GPS？nGPS的英文全稱是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，簡(jiǎn)稱GPS，有時(shí)也被稱作NAVSTAR GPS。其意為其意為“導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)時(shí)導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)時(shí)與測(cè)距全球定位系統(tǒng)與測(cè)距全球定位系統(tǒng)”，或簡(jiǎn)稱全球定

3、位，或簡(jiǎn)稱全球定位系統(tǒng)。系統(tǒng)。緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) 什么是什么是GPS？uGPS概述概述 建立國(guó)家美國(guó) 目的在全球范圍內(nèi)，提供實(shí)時(shí)、連續(xù)、全天候的導(dǎo)航定位及授時(shí)服務(wù) 開始籌建時(shí)間1973年 完全建成時(shí)間1995年緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS概述概述u衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 1957年10月4日，第一顆人造地球衛(wèi)星升空 20世紀(jì)60年代，衛(wèi)星定位技術(shù)問世衛(wèi)星三角測(cè)量：初級(jí)階段衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量：高級(jí)階段GPS衛(wèi)星定位測(cè)量：測(cè)繪行業(yè)一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) 衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展u衛(wèi)星三角測(cè)量 含

4、義：由地面觀測(cè)站拍攝衛(wèi)星的瞬時(shí)位置而測(cè)定地面點(diǎn)的坐標(biāo)。 原理：如右圖所示緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星三角測(cè)量衛(wèi)星三角測(cè)量u衛(wèi)星三角測(cè)量 精度：5m 特點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)大陸與海島間的聯(lián)測(cè)定位受衛(wèi)星可見條件和天氣的影響處理過程復(fù)雜定位精度不高不能獲得三維地心坐標(biāo)緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星三角測(cè)量衛(wèi)星三角測(cè)量n 系統(tǒng)簡(jiǎn)介NNSS Navy Navigation Satellite System（海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)），由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）采用利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)航定位，也被稱為多普勒定位系統(tǒng)1958年12月，美國(guó)開始研制1964年1月

5、建成1967年7月解密供民用子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座子午衛(wèi)星星座緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量u衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量 系統(tǒng)組成空間部分衛(wèi)星：發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)（信號(hào)：4.9996MHz 30 = 149.988MHz；4.9996MHz 80 = 399.968MHz；星歷）衛(wèi)星星座 由6顆衛(wèi)星構(gòu)成，6軌道面，軌道高度1075km地面控制部分包括：跟蹤站、計(jì)算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺(tái)用戶部分多普勒接收機(jī)大地測(cè)量多普勒接收大地測(cè)量多普勒接收機(jī)機(jī) - 1（MX1502）大地測(cè)量多普勒接收大地測(cè)量多普勒接收機(jī)機(jī) - 2（CMA751）緒論緒論

6、GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量TRANSIT系統(tǒng)系統(tǒng) 衛(wèi)星：衛(wèi)星：6顆顆 極地軌道極地軌道 軌道高度：軌道高度：1075km 信號(hào)頻率：信號(hào)頻率：400MHz、150MHz 絕對(duì)定位精度：絕對(duì)定位精度：10m 相對(duì)定位精度：相對(duì)定位精度：0.1m0.5m。 應(yīng)用領(lǐng)域海上船舶的定位大地測(cè)量 精度單點(diǎn)定位：15次合格衛(wèi)星通過（兩次通過之間的時(shí)間間隔為0.8h 1.6h），精度約為10m聯(lián)測(cè)定位： 各站共同觀測(cè)17次合格衛(wèi)星通過，精度約為0.5m多普勒聯(lián)測(cè)定位多普勒聯(lián)測(cè)定位多普勒單點(diǎn)定位多普勒單點(diǎn)定位緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量衛(wèi)星多

7、普勒定位測(cè)量 意義：初級(jí)階段 高級(jí)階段 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)經(jīng)濟(jì)快速不受天氣、時(shí)間限制 系統(tǒng)缺陷衛(wèi)星少，觀測(cè)時(shí)間和間隔時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位服務(wù)導(dǎo)航定位精度低衛(wèi)星信號(hào)頻率低，不利于補(bǔ)償電離層折射效應(yīng)的影響衛(wèi)星軌道低，難以進(jìn)行精密定軌緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量衛(wèi)星多普勒定位測(cè)量uGPS衛(wèi)星定位測(cè)量 GPS系統(tǒng)的建立方案論證系統(tǒng)論證生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)代化更新 GPS系統(tǒng)的組成空間衛(wèi)星星座地面控制部分用戶設(shè)備部分緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量GPSGPS系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成控控 制制 部部 分分 1 個(gè)個(gè) 主主 控控 站站 5 個(gè)個(gè) 監(jiān)監(jiān)

8、控控 站站空空 間間 部部 分分 導(dǎo)導(dǎo) 航航 衛(wèi)衛(wèi) 星星 : 導(dǎo)導(dǎo) 航航 信信 息息 衛(wèi)衛(wèi) 星星 時(shí)時(shí) 和和 衛(wèi)衛(wèi) 星星 鐘鐘 24 顆顆 衛(wèi)衛(wèi) 星星 20200 Km用用 戶戶 設(shè)設(shè) 備備 部部 分分 接接 受受 衛(wèi)衛(wèi) 星星 信信 號(hào)號(hào)空間衛(wèi)星星座緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量6個(gè)軌道面平均軌道高度20200km軌道傾角55 周期11h 58min（顧及地球自轉(zhuǎn)，地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次)55設(shè)計(jì)壽命為 7.5 年衛(wèi) 星 種類 區(qū) 分Block 1(一 代),Block 2, 2A(二 代), Block 2R，2 F(三 代)空

9、間衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)星座：21+321顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動(dòng)的備用衛(wèi)星保證在每天24小時(shí)的任何時(shí)刻，在高度角15以上，能夠同時(shí)觀測(cè)到4顆以上衛(wèi)星當(dāng)前星座：已超過32顆緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量空間衛(wèi)星星座緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量空間衛(wèi)星星座GPS衛(wèi)星的地面軌跡緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量空間衛(wèi)星星座GPS衛(wèi)星 作用：l接收、存儲(chǔ)導(dǎo)航電文l生成用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（測(cè)距碼、載波）l發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和導(dǎo)航電文）l接受地面指令

10、，進(jìn)行相應(yīng)操作l其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測(cè)核暴等。 主要設(shè)備l太陽(yáng)能電池板l原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘）l信號(hào)生成與發(fā)射裝置 緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量空間衛(wèi)星星座GPS衛(wèi)星類型：l試驗(yàn)衛(wèi)星：Block l工作衛(wèi)星：Block Block ：存儲(chǔ)星歷能力為14天，具有SA和AS地能力Block A （Advanced）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲(chǔ)星歷能力為180天，SV35和SV36帶有激光反射棱鏡Block R （Replacement/Replenishment）：衛(wèi)星間可相互跟蹤相互通訊Block F（Follow On）：新一代的GPS衛(wèi)星,增

11、設(shè)第三民用頻率緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量Block IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR不同類型的不同類型的GPS衛(wèi)星衛(wèi)星緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量空間衛(wèi)星星座當(dāng)前的衛(wèi)星狀態(tài)SUBJ: GPS STATUS 26 MAR 20041. SATELLITES, PLANES, AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A. BLOCK I : NO

12、NE 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,

13、 E2, D1, A2, F2, A4, B3, F5, B2, C3 CLOCK : RB, RB, RB, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, RB, RB, RB地面控制部分分布緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量主控站監(jiān)測(cè)站注入站大西洋太平洋印度洋卡瓦加蘭卡瓦加蘭（注入站）（注入站）夏威夷夏威夷科羅拉多科羅拉多（主控站）（主控站）狄哥伽西亞狄哥伽西亞（注入站）（注入站）阿森松島阿森松島（注入站）（注入站）地面監(jiān)控系統(tǒng)地面監(jiān)控系統(tǒng) 地面控制部分主控站（1個(gè)）l作用：管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作，各

14、部分的工作，收集各監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，編收集各監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，送往注入站制導(dǎo)航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；送控制指令；衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理。理。l地點(diǎn)：美國(guó)科羅拉多州法爾孔空軍基地。緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量地面控制部分注入站（3個(gè)）l作用：將導(dǎo)航電文注入GPS衛(wèi)星。l地點(diǎn)：阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量地面控制部分監(jiān)測(cè)站（5個(gè)）l

15、作用：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。l地點(diǎn)：夏威夷、主控站及三個(gè)注入站。緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量 夏威夷夏威夷 阿松森島阿松森島 科羅拉多科羅拉多 狄哥加西亞狄哥加西亞 卡瓦加蘭卡瓦加蘭 前方交會(huì)前方交會(huì) 后方交會(huì)后方交會(huì) 地面監(jiān)控站地面監(jiān)控站GPS接收機(jī)接收機(jī)用戶設(shè)備部分用戶接收設(shè)備lGPS接收機(jī)l數(shù)據(jù)線l解算軟件l計(jì)算機(jī)緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星

16、定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量 GPS定位的基本原理空間后方距離交會(huì) GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)定位精度高觀測(cè)時(shí)間短測(cè)站間無(wú)需通視操作簡(jiǎn)便全天候作業(yè)可提供三維坐標(biāo)可全球布網(wǎng)應(yīng)用廣泛缺點(diǎn)遮擋問題精度問題安全問題緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量 GPS系統(tǒng)的應(yīng)用前景GPS系統(tǒng)應(yīng)用廣泛多元化空間資源環(huán)境的出現(xiàn)發(fā)展GPS產(chǎn)業(yè)GPS的應(yīng)用將進(jìn)入人們的生活 我國(guó)的GPS定位技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展情況20世紀(jì)80年代初，開始研究GPS技術(shù)20世紀(jì)80年代中期，引進(jìn)GPS接收機(jī)并開始應(yīng)用GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用，大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量等建成多個(gè)永久性的GPS跟蹤站1995年成立中國(guó)GPS協(xié)會(huì)緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS衛(wèi)星定位測(cè)量衛(wèi)星定位測(cè)量GPS的發(fā)展簡(jiǎn)史方案論證階段 1973年12月，美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)研制GPS。 1978年2月22日，第1顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功。 從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星。研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)。 緒論緒論 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù) GPS的發(fā)展簡(jiǎn)史的發(fā)展簡(jiǎn)史GPS的發(fā)展簡(jiǎn)史全面研制和試驗(yàn)階段 從1979年到1987年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途接