GPS原理及其應(yīng)用 第一章 緒論

1、1GPS原理及其應(yīng)用2教材及參考文獻(xiàn)教材李征航、黃勁松編著，GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理，武漢大學(xué)出版社，2010參考文獻(xiàn)周忠謨等，GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用，測(cè)繪出版社，1997劉基余，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法，科學(xué)出版社，20033第一章緒 論1.1 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.2 美國(guó)政府的GPS政策1.3 其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)概況41.1 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展5導(dǎo)航與定位6導(dǎo)航與定位空間位置與運(yùn)動(dòng)定位導(dǎo)航獲取運(yùn)動(dòng)載體的空間位置，并控制載體從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)的過(guò)程( X,Y,Z )7原始的導(dǎo)航定位方法利用天體進(jìn)行定向日、月及特定的星體和星座利用自然景觀高山、河流利用自然現(xiàn)象樹木與植物的生

2、長(zhǎng)態(tài)勢(shì)利用人造器械指南針（羅盤）利用人工建筑烽火臺(tái)、燈塔8近現(xiàn)代的導(dǎo)航定位方法 (1)天文導(dǎo)航如六分儀（18世紀(jì)）地面方法導(dǎo)航系統(tǒng)或儀器地基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng)地面測(cè)量?jī)x器尺：銦鋼尺光學(xué)儀器：經(jīng)緯儀，水準(zhǔn)儀電磁波或激光儀器：測(cè)距儀綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀JYL-1 雷達(dá)六分儀索佳銦鋼尺9近現(xiàn)代的導(dǎo)航定位方法 (2)衛(wèi)星導(dǎo)航利用星載無(wú)線電信標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航定位，即星基無(wú)線電導(dǎo)航TRANSITGPS10子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性11子午衛(wèi)星系統(tǒng)的建立1957年10月4日，sputnik-1衛(wèi)星成功發(fā)射吉爾與魏芬巴哈博士利用地面測(cè)得的sputnik-1衛(wèi)星的多普勒頻移資料對(duì)該衛(wèi)星進(jìn)行了精密定軌麥克盧爾與克

3、什納博士提出了利用多普勒測(cè)量進(jìn)行定位的思想1958年，受美國(guó)海軍委托，由克什納博士領(lǐng)導(dǎo)開始子午衛(wèi)星系統(tǒng)的研究1964年1月，子午衛(wèi)星系統(tǒng)建立并投入軍用1967年7月，子午衛(wèi)星系統(tǒng)解密并提供民用Sputnik-1衛(wèi)星John Hopkins大學(xué)12子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（1）名稱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)）13子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（2）空間部分衛(wèi)星星座6顆衛(wèi)星6個(gè)極軌道面軌道高度1075km衛(wèi)星信號(hào)頻率1：4.9996MHz 30 = 149.988MHz頻率2：4.9996M

4、Hz 80 = 399.968MHz星歷（廣播星歷）子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座14子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（3）地面控制部分跟蹤站計(jì)算中心注入站控制中心海軍天文臺(tái)用戶部分多普勒接收機(jī)大地測(cè)量多普勒接收機(jī) - 1（MX1502）大地測(cè)量多普勒接收機(jī) - 2（CMA751）15子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（4）定位及時(shí)間同步精度（單次衛(wèi)星通過(guò)）定位：約200m時(shí)間同步：約50ms16子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（1）多普勒效應(yīng)Doppler頻移17子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（2）多普勒計(jì)數(shù)對(duì)于電磁波令則從而多普勒計(jì)數(shù)Doppler頻移18子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（3）定位的觀測(cè)值定位原理雙曲定位雙曲線19子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（4）t

5、1、t2 時(shí)刻衛(wèi)星在空間的位置S1 、S2 可據(jù)衛(wèi)星星歷求得，那么我們就能以S1 和S2 為焦點(diǎn)作出一個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面，該雙曲面上任意一點(diǎn)至這兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之差恒等于 D2-D1。顯然用戶必定位于該旋轉(zhuǎn)雙曲面上。多普勒定位示意圖120子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（5）如果我們繼續(xù)在時(shí)間段t2,t3 內(nèi)進(jìn)行多普勒測(cè)量，求得距離差 D3-D2,，就能按照上述方法作出第二個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面。多普勒定位示意圖221子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（6） 在時(shí)間段t3,t4 內(nèi)進(jìn)行多普勒測(cè)量，求得距離差 D4-D3,則作出第三個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面,從而交出用戶在空間的位置。多普勒定位示意圖322子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（1）一次定位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

6、原因存在一個(gè)對(duì)同一衛(wèi)星信號(hào)的多普勒計(jì)數(shù)進(jìn)行時(shí)間積分的過(guò)程為獲得良好的幾何圖形，通常需要觀測(cè)一次完整的衛(wèi)星通過(guò)（約818min）引發(fā)問(wèn)題無(wú)法為高動(dòng)態(tài)用戶服務(wù)為縮短定位時(shí)間，采用低軌道衛(wèi)星，從而又帶來(lái)衛(wèi)星定軌上的難度對(duì)于低動(dòng)態(tài)用戶，仍需進(jìn)行位置歸算，從而影響導(dǎo)航定位的精度23 首尾兩個(gè)焦點(diǎn)與地面測(cè)站之間所構(gòu)成的夾角也應(yīng)足夠大，以便能組成較好的幾何圖形。24子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（2）無(wú)法進(jìn)行連續(xù)定位原因衛(wèi)星數(shù)少不同衛(wèi)星采用相同頻率的信號(hào)引發(fā)問(wèn)題兩次衛(wèi)星通過(guò)的平均間隔長(zhǎng)（中低緯度地區(qū)約1.5h）相鄰軌道衛(wèi)星信號(hào)可能相互干擾，導(dǎo)致有時(shí)必須關(guān)閉其中一顆衛(wèi)星的信號(hào)25子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（3）對(duì)測(cè)量帶來(lái)的不

7、利影響觀測(cè)時(shí)間偏長(zhǎng)，作業(yè)效率偏低（需要50100次衛(wèi)星通過(guò),耗時(shí)約1周）定位精度偏低原因鐘的穩(wěn)定度偏低信號(hào)頻率偏低軌道高度偏低26全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展27全球定位系統(tǒng)概況建立國(guó)家美國(guó)名稱Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System （ NAVSTAR GPS ）衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)方案：24顆GPS衛(wèi)星載波信號(hào)L1, L2信號(hào)調(diào)制載波信號(hào)上調(diào)制有測(cè)距碼與導(dǎo)航電文系統(tǒng)基本功能定位、測(cè)速、授時(shí)GPS28全球定位系統(tǒng)的基本定位方式單點(diǎn)定位29全球定位系統(tǒng)的建立（1）前期準(zhǔn)備美國(guó)海軍Timation計(jì)劃始于1964年利用衛(wèi)星播

8、發(fā)的精確時(shí)間參考信號(hào)進(jìn)行測(cè)距和時(shí)間傳遞Timation-1 (1967), Timation-2 (1969),搭載石英鐘NTS-1(1974)搭載2臺(tái)銣鐘, NTS-2 (1977)搭載銫鐘美國(guó)空軍621B計(jì)劃采用偽隨機(jī)噪聲（PRN-Pseudo Random Noise）碼進(jìn)行距離測(cè)量在1968年到1971年間利用飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)30全球定位系統(tǒng)的建立（2）項(xiàng)目開展1973年，美國(guó)國(guó)防部成立聯(lián)合工作辦公室JPO (Joint Program Office)，提出了NAVSTAR/GPS項(xiàng)目方案1973年12月17日，正式批準(zhǔn)NAVSTAR/GPS項(xiàng)目1978年2月22日，第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)

9、射成功1989年2月14日，第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功1991年，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中GPS首次大規(guī)模用于實(shí)戰(zhàn)1993年12月8日，宣布系統(tǒng)具有IOC（Initial Operational Capability）能力1995年4月27日，宣布系統(tǒng)具有FOC（Full Operational Capability）能力311.2 美國(guó)政府的GPS政策 32SPS與PPSSPS 標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)使用C/A碼，民用精度（ 2DRMS ，實(shí)施SA）水平：100 m垂直：150-170 m測(cè)時(shí)：340 nsPPS精密定位服務(wù)可使用P碼,軍用精度（ 2DRMS)水平: 22 m垂直: 27.7 m測(cè)時(shí): 200 n

10、s33SA（1）名稱SA（ Selective Availability ），選擇可用性制定目的降低民用定位精度實(shí)施方法技術(shù)：在廣播星歷中人為加入誤差,降低星歷精度技術(shù)：衛(wèi)星鐘加高頻抖動(dòng)實(shí)施時(shí)間1990.3.252000.5.134SA （2）SA的影響35AS名稱Anti-Spoofing, 反電子欺騙制定目的防止敵方對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行電子欺騙和電子干擾實(shí)施方法在P碼上加上嚴(yán)格保密的W碼, 產(chǎn)生完全保密的Y碼實(shí)施時(shí)間1994.1.31影響非特許用戶無(wú)法使用Y碼增加L2載波相位測(cè)量的難度36美國(guó)GPS政策的新變化終止SA2000年5月2日4時(shí) (UTC)進(jìn)行GPS現(xiàn)代化L2上增加L2C碼, 增加

11、第三民用頻率L5，改善服務(wù)質(zhì)量, 提高系統(tǒng)完備性增加軍隊(duì)專用碼(M碼), 與民用碼分開增強(qiáng)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度, 增加抗電子干擾能力軍用接收機(jī)具有更好的保護(hù)裝置和快速初始化能力使用新技術(shù)防止敵方干擾或使用371.3其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的概況38GLONASS （1）GLONASS Global Navigation Satellite System（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）開發(fā)者俄羅斯（前蘇聯(lián)）系統(tǒng)構(gòu)成衛(wèi)星星座地面控制部分用戶設(shè)備39GLONASS與GPS的比較 參 數(shù)GLONASSNAVSTAR GPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)213213軌道平面數(shù)36軌道傾角64.8 55軌道高度19100km20180km軌道周

12、期（恒星時(shí)）11h15min12h衛(wèi)星信號(hào)的區(qū)分FDMACDMAL1頻率16021615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率12461256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHzGLONASS （2）40GLONASS （3）衛(wèi)星運(yùn)行狀況從1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星起，至今共發(fā)射了80余顆衛(wèi)星。由于衛(wèi)星壽命過(guò)短，加之俄羅斯前一段時(shí)間經(jīng)濟(jì)狀況欠佳，無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充新衛(wèi)星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作。到2010年11月9日,GLONASS系統(tǒng)共有26顆衛(wèi)星在軌，其中工作衛(wèi)星有19顆(http:/www.glonass-ianc.rsa.ru/） 。41G

13、alileo （1）伽俐略（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)2002年3月24日歐盟決定研制組建Galileo衛(wèi)星星座27+33個(gè)軌道平面衛(wèi)星高度為23616km軌道傾角為56信號(hào)頻率E5a, E5b, Eb, E2-L1-E1服務(wù)模式公開服務(wù) （公開）安全服務(wù) （公開）商業(yè)服務(wù) （特許）政府服務(wù) （特許）the Galileo satellite constellation 42Galileo （2）運(yùn)行狀況GlOVE-A (2005.12.28)GIOVE-B (2008.04.25)P28GIOVE A GIOVE B /esaNA/galileo.html: 1. GIOVE-A sa

14、tellite orbit raised (18 September 2009)GIOVE-A, the first Galileo test satellite in orbit, has been moved to a higher orbit to ensure that it does not cross the operational Galileo constellations orbits for more than 100 years.2. Galileo IOV launch services contract signed (16 June 2009)Yesterday a

15、t the Paris Air Show in Le Bourget, ESA and Arianespace signed a contract for the launch of the first four operational Galileo satellites on two Soyuz launch vehicles from Europes Spaceport in French Guiana. The four IOV satellites will be placed in a circular orbit at an altitude of 23600km by the

16、end of 2010. 43中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （1） 概況我國(guó)獨(dú)立研制的區(qū)域性的有源衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)系統(tǒng)由兩顆衛(wèi)星組成，又稱雙星系統(tǒng)2000年10月31日發(fā)射第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星2000年12月20日發(fā)射第二顆試驗(yàn)衛(wèi)星2003年5月25第三顆北斗試驗(yàn)衛(wèi)星也被送入預(yù)定軌道44北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （2）系統(tǒng)組成空間部分23顆GEO衛(wèi)星地面部分以地面控制中心站為主北斗用戶終端45P32北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （4）定位的基本思想由兩顆GEO衛(wèi)星對(duì)用戶雙向測(cè)距由1個(gè)配有電子高程圖庫(kù)的地面中心站進(jìn)行位置計(jì)算定位由用戶終端向地面中心站發(fā)出請(qǐng)求, 中心站對(duì)其進(jìn)行位置解算后將定位信息發(fā)送給該用戶46北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

17、（5）定位原理 (三球交會(huì))以兩顆衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心,各自到用戶的距離為半徑,形成兩個(gè)球面中心站電子高程圖庫(kù)提供的是一個(gè)以地心為球心, 以球心至地球表面距離為半徑的非均勻球面求解圓弧線與地球表面交點(diǎn),并已知目標(biāo)在赤道北側(cè),即可獲得用戶的二維位置信息47北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （3）測(cè)距流程地面中心站對(duì)一顆BD衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送C波段的載波(詢問(wèn)信號(hào))衛(wèi)星將詢問(wèn)信號(hào)擴(kuò)頻、放大并轉(zhuǎn)發(fā)用戶終端接收訊問(wèn)信號(hào)，注入必要信息并向兩顆BD衛(wèi)星發(fā)射作為應(yīng)答兩顆衛(wèi)星接收到應(yīng)答信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)到地面中心站地面中心站處理接收到的應(yīng)答信號(hào)并處理把處理好的信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星發(fā)送到用戶終端用戶終端接收到所需信息48中國(guó)新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)北斗二代（COMPASS）區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)星座：12顆衛(wèi)星（GEO+IGSO+MEO）預(yù)計(jì)