GPS原理及其應(yīng)用

課程的要求——基本概念的掌握——知識面的拓展課程成績——閉卷考試70％，平時成績（作業(yè)和提問）30％——主要考核基本概念和基本知識——考核包括簡單的計算，無公式推導(dǎo)——考試范圍為課程的講授范圍——13周上復(fù)習(xí)課，14周考試第1頁/共83頁參考文獻——1.徐紹銓等，GPS測量原理及應(yīng)用，武漢大學(xué)出版社，2003——2.周忠謨等，GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用，測繪出版社，1997——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第2頁/共83頁一、緒論（1）二、坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)（2）三、衛(wèi)星運動基礎(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（4）五、GPS衛(wèi)星定位基本原理（5，6，7）六、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航（8）七、GPS測量的誤差來源及其影響（9，10）八、GPS測量的設(shè)計與實施（11）九、GPS測量數(shù)據(jù)處理（12）十、GPS應(yīng)用（13）內(nèi)容提要第3頁/共83頁1.1GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展一、緒論常規(guī)定位方法古人的定位方法利用自然天體定向：日、月、特別的星體利用自然景觀、自然現(xiàn)象定向：樹木的生長態(tài)勢，植物的生長態(tài)勢（如苔蘚、年輪）利用人造器械定向：司南，指南針第4頁/共83頁常規(guī)定位方法近、現(xiàn)代的常規(guī)定位方法采用的儀器設(shè)備尺：銦鋼尺光學(xué)儀器：經(jīng)緯儀，水準儀電磁波或激光儀器：測距儀綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀觀測值角度或方向觀測距離觀測天文觀測方法第5頁/共83頁第6頁/共83頁常規(guī)定位方法的局限性需要事先布設(shè)大量的地面控制點觀測點之間需要保證通視需要修建覘標邊長受到限制作業(yè)難度大效率低：無用的中間過渡點無法同時精確確定點的三維坐標觀測受氣候、環(huán)境條件限制受系統(tǒng)誤差影響大難以確定地心坐標第7頁/共83頁衛(wèi)星定位技術(shù)產(chǎn)生的必然性提供精確的地心坐標的需要提供全球統(tǒng)一的坐標的需要長距離高精度定位的需要全天候、快速、精確、簡便定位方式的需要第8頁/共83頁早期的衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星作為光學(xué)觀測目標子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（美國）CICADA衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（蘇聯(lián)）第9頁/共83頁子午衛(wèi)星系統(tǒng)子午衛(wèi)星系統(tǒng)（NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem）也稱為Transit衛(wèi)星沿著地球子午圈軌道運行，即軌道繞過地球南北極上空，故又成子午衛(wèi)星系統(tǒng)系統(tǒng)組成空間部分衛(wèi)星及衛(wèi)星星座控制部分跟蹤站計算中心注入站控制中心海軍天文臺用戶部分接收機衛(wèi)星星歷廣播星歷精密星歷定位方法單點定位聯(lián)測定位短弧定位第10頁/共83頁TRANSIT系統(tǒng)衛(wèi)星：6顆極地軌道軌道高度：1100km信號頻率：400MHz、150MHz衛(wèi)星通過時間間隔：~100min，有時達到10h絕對定位精度：1m相對定位精度：0.1m~0.5m定位原理：多普勒定位第11頁/共83頁多普勒定位原理多普勒頻移與多普勒計數(shù)單點定位第12頁/共83頁多普勒定位對觀測時間的要求多普勒計數(shù)的時間間隔一般取4.6s，通常合成5～7個4.6s（約0.5min）的長計數(shù)為多普勒觀測值一顆子午衛(wèi)星一次通過用戶上空時間約10～18min，一次通過可采集20～40次有效觀測值以5顆子午衛(wèi)星計算，低緯度地區(qū)每天15次左右的衛(wèi)星通過，高緯度地區(qū)約30次兩次衛(wèi)星通過時間間隔0.8~1.6h，同一顆衛(wèi)星間隔更長些一臺接收機需觀測15次合格的衛(wèi)星通過，單點定位精度10m左右；各測站觀測公共的17次合格衛(wèi)星通過，聯(lián)測定位精度0.5m左右第13頁/共83頁問題：子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在什么問題？第14頁/共83頁存在的主要問題：一次定位所需時間過長；衛(wèi)星少，無法實現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)航定位；軌道低，難以精密定軌；頻率低，難以消除電離層影響。全球定位系統(tǒng)概述美國為軍事目的而建立通過由多顆衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星星座提供導(dǎo)航定位服務(wù)定位原理：被動式電磁波測距、距離交會第16頁/共83頁1.2GPS系統(tǒng)組成什么是全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)GPS的英文全稱是NAVigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem（授時與測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)），簡稱GPS有時也被稱作NAVSTARGPS。根據(jù)Wooden1985年所給出的定義：NAVSTAR全球定位系統(tǒng)（GPS）是一個空基全天侯導(dǎo)航系統(tǒng)，它由美國國防部開發(fā)，用以滿足軍方在地面或近地空間內(nèi)獲取在一個通用參照系中的位置、速度和時間信息的要求。第17頁/共83頁GPS的系統(tǒng)組成由空間部分、地面部分和用戶部分等組成第18頁/共83頁空間部分（SpaceSegment）GPS衛(wèi)星星座設(shè)計星座：21+321顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動的備用衛(wèi)星6個軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55

，周期11h58min（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，在高度角15°以上，能夠同時觀測到4至12顆衛(wèi)星當前星座：28顆第19頁/共83頁GPS衛(wèi)星作用：接收、存儲導(dǎo)航電文生成用于導(dǎo)航定位的信號（測距碼、載波）發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號（采用雙向調(diào)制法調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文）接受地面指令，進行相應(yīng)操作其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測核暴等。主要設(shè)備太陽能電池板原子鐘（2臺銫鐘、2臺銣鐘）信號生成與發(fā)射裝置衛(wèi)星重量：890kg(BlockⅡ)第20頁/共83頁GPS衛(wèi)星類型試驗衛(wèi)星：BlockⅠ(1978~1985)工作衛(wèi)星：BlockⅡ(1989~)BlockⅡ：存儲星歷能力為14天，具有SA和AS功能BlockⅡA（Advanced）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲星歷能力為180天，SV35和SV36帶有激光反射棱鏡BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：衛(wèi)星間可相互跟蹤相互通訊BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS衛(wèi)星,增設(shè)第三民用頻率GPS衛(wèi)星編號：PRN（PseudorandomNoisecode）編號SVN(SpaceVehicleNumber)編號第21頁/共83頁BlockIIRBlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR第22頁/共83頁地面監(jiān)控部分（GroundSegment）主控站：1個監(jiān)測站：5個注入站：3個通訊與輔助系統(tǒng)第23頁/共83頁GPS的地面監(jiān)控部分第24頁/共83頁主控站管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作編算廣播星歷－軌道參數(shù)、衛(wèi)星鐘改正數(shù)等調(diào)整衛(wèi)星狀態(tài)調(diào)度衛(wèi)星監(jiān)測站對衛(wèi)星進行跟蹤觀測記錄氣象數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)傳送到主控站注入站向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文和指令等第25頁/共83頁用戶部分（UserSegment）組成用戶接收設(shè)備接收設(shè)備GPS信號接收機第26頁/共83頁GPS信號接收機組成天線單元天線前置放大器接收天線接收單元信號通道（channel）存儲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)星運行對接收到的GPS信號，具有變換、放大、處理功能測量信號傳播時間，解譯導(dǎo)航電文；實時計算用戶位置、速度與時間第27頁/共83頁美國政府的GPS政策：限制非特許用戶利用GPS進行導(dǎo)航定位的能力測距碼：P碼與C/A碼；載波：L1與L2SPS與PPSSPS－標準定位服務(wù)（StandardPositioningService）只提供L1載波上的C/A碼和導(dǎo)航電文單點實時定位精度：20～40mPPS－精密定位服務(wù)（PrecisePositioningSystem）提供L1、L2載波上的P碼，L1載波上的C/A碼，導(dǎo)航電文和消除SA的密匙單點實時定位精度：5～10m第28頁/共83頁SA–SelectiveAvailability（選擇可用性）技術(shù)－在廣播星歷中加入長周期的干擾技術(shù)－在衛(wèi)星的基準頻率（原子鐘信號）中加入快速的抖動AS–Anti-Spoofing（反電子欺騙）P+WY自2000年5月1日起，停止實施SA技術(shù)第29頁/共83頁GLONASS系統(tǒng)(GLObalNavigationSatelliteSystem,俄羅斯)

星座組成24顆衛(wèi)星（21＋3）三個軌道平面每個軌道面上衛(wèi)星均勻分布軌道高度：19100km軌道傾角：64.8°衛(wèi)星運行周期：11h15min1995年底建成第30頁/共83頁GLONASS信號每顆衛(wèi)星載波頻率不同計劃調(diào)整載波頻率，使同軌道上相對的衛(wèi)星載波頻率相同。2005年后L1:1598.0625~1604.2500MHzL2:1242.9375~1247.7500MHz各顆衛(wèi)星也有C/A碼與P碼，且不同衛(wèi)星間相同無SA與AS技術(shù)，但不向民用用戶提供P碼GLONASS單點定位精度平面±20m左右；高程±40m左右（95%）第31頁/共83頁GALILEO系統(tǒng)(歐洲)

星座組成30顆衛(wèi)星（27＋3）三個軌道平面軌道高度：23616km軌道傾角：56°Galileo信號根據(jù)公開、安全、商業(yè)、政府四種服務(wù)模式采用不同信號載波頻率：L波段（E1,E2,E5a,E5b和E6）第32頁/共83頁

星座建立計劃2004，發(fā)射GSTB(GalileoSystemTestBed)試驗衛(wèi)星2005～2006，發(fā)射4顆工作衛(wèi)星，在軌作業(yè)試驗2008，建立Galileo工作星座第33頁/共83頁北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(中國)

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)處理中心定軌觀測網(wǎng)：3個以上地面定軌觀測站校準站測高站用戶發(fā)收機系統(tǒng)建成時間：2000年底第34頁/共83頁定位原理主動式：用戶設(shè)備既接收也發(fā)送信號，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。定位精度：平面±20m第35頁/共83頁1.3GPS在國民經(jīng)濟建設(shè)中的應(yīng)用將在第十章中詳細介紹陸地應(yīng)用海洋應(yīng)用航空應(yīng)用航天應(yīng)用第36頁/共83頁思考題1：子午衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS定位原理有何區(qū)別？思考題2：為什么在衛(wèi)星原子鐘基準頻率中加入干擾可以降低定位精度？第37頁/共83頁二、坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)天球坐標系與地球坐標系與地球體固連在一起且與地球同步運動的坐標系，其中以地心為原點的坐標系則稱為地心地固坐標系另一類是空間固定的坐標系，與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，稱為慣性坐標系或天球坐標系，主要用于描述衛(wèi)星和地球的運行位置和狀態(tài)。第38頁/共83頁地球坐標系大地坐標系空間直角坐標系天球坐標系天球空間直角坐標系天球球面坐標系第39頁/共83頁地心空間直角坐標系坐標原點在地球質(zhì)心，Z軸與地球平均自轉(zhuǎn)軸重合，即指向某一時刻的平均北極點；X軸指向格林尼治平均子午面與赤道面的交點Ge，Y軸與此平面垂直，指向東為正構(gòu)成右手系。地球坐標系第40頁/共83頁第41頁/共83頁地心大地坐標系大地經(jīng)度B大地緯度L大地高H第42頁/共83頁第43頁/共83頁

設(shè)P點的大地經(jīng)度為L，在過P點的子午面上，以子午圈橢圓中心為原點，建立x,y平面直角坐標系。在該坐標系中，P點的位置用L,x,y表示。子午面直角坐標系第44頁/共83頁大地站心地平坐標系是以測站法線和子午線方向為依據(jù)的坐標系。原點位于測站，z軸與該點的法線重合，x軸垂直于z軸指向橢球短軸，y軸垂直于xoz平面，構(gòu)成左手坐標系。點的坐標可用(x,y,z)或(S,A,Z)表示。站心地平坐標系第45頁/共83頁地球橢球基本參數(shù)及其互相關(guān)系

地球橢球是經(jīng)過適當選擇的旋轉(zhuǎn)橢球,旋轉(zhuǎn)橢球的形狀和大小常用子午橢圓的五個基本幾何參數(shù)(或稱元素):橢圓的長半軸ａ橢圓的短半軸ｂ橢圓的扁率橢圓的第一偏心率橢圓的第二偏心率

各種地球坐標系間的關(guān)系第46頁/共83頁

克拉索夫斯基橢球體1975國際橢球體ＷGS-84橢球體a6378245.0000000000(m)6378140.0000000000(m)6378137.0000000000(m)b6356863.0187730473(m)6356755.2881575287(m)6356752.3142(m)c6399698.9017827110(m)6399596.6519880105(m)6399593.6258(m)α1/298.31/298.2571/298.257223563ｅ20.0066934216229660.0066943849995880.0066943799013e’２0.0067385254146830.0067395018194730.0067394967422第47頁/共83頁空間直角坐標同子午面直角坐標系的關(guān)系

第48頁/共83頁空間直角坐標系同大地坐標系的關(guān)系

已知大地坐標計算相應(yīng)空間直角坐標在橢球面上的點：不在橢球面上的點：第49頁/共83頁已知空間直角坐標計算相應(yīng)大地坐標第50頁/共83頁不同空間直角坐標系之間的轉(zhuǎn)換原點相同的兩坐標系O-X1Y1Z1和O-X2Y2Z2，通過三次旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)O-X1Y1Z1到O-X2Y2Z2的變換第51頁/共83頁第52頁/共83頁原點不同的兩坐標系：三參數(shù)、七參數(shù)等不同大地坐標系的轉(zhuǎn)換第53頁/共83頁站心地平直角坐標系與地心直角坐標系轉(zhuǎn)換第54頁/共83頁第55頁/共83頁衛(wèi)星測量常用坐標系天球坐標系基本概念：天球：地球質(zhì)心為中心，半徑任意的假想球體天軸與天極：地球自轉(zhuǎn)軸的延伸為天軸，與天球的交點為天極天球赤道面：過地球質(zhì)心與天軸垂直的平面天球子午面：包含天軸與天球上任一點的平面黃道：地球公轉(zhuǎn)軌道面與天球相交的大圓黃極：通過天球中心垂直于黃道面的直線與天球的交點春分點：太陽在黃道上從南到北運行時，黃道與天球赤道的交點第56頁/共83頁第57頁/共83頁天球空間直角坐標系原點o位于地球質(zhì)心，z軸指向天球北極，x軸指向春分點，y軸垂直于xoz平面與x和z軸構(gòu)成右手系天球球面坐標系原點o位于地球質(zhì)心，赤經(jīng)為含天軸和春分點的天球子午面與過天體s的天球子午面的夾角；赤緯為原點至s連線與天球赤道面的夾角，向徑長度r為原點至s的距離第58頁/共83頁瞬時極天球坐標系z軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)軸；x軸指向瞬時春分點也稱真天球（赤道）坐標系平天球坐標系選某一時刻為標準歷元，將此刻地球的瞬時自轉(zhuǎn)軸和地心至瞬時春分點的方向經(jīng)歲差和章動改正后分別作z軸和x軸的指向，稱為標準歷元的平天球坐標系也稱協(xié)議天球坐標系（協(xié)議慣性系CIS）J2000.0(TDB時2000年1月1.5日)為標準歷元第59頁/共83頁瞬時極天球坐標系與平天球坐標系的關(guān)系歲差：由于地球的實際形狀，日月和其它天體引力的影響下，地球自轉(zhuǎn)軸具有周期約25800年繞黃極一周的長周期運動，該運動使得春分點每年約產(chǎn)生50.2“的向西運動章動：地球自轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的一系列短周期變化被統(tǒng)稱為章動第60頁/共83頁第61頁/共83頁第62頁/共83頁地球坐標系瞬時極地球坐標系Z軸指向瞬時地球自轉(zhuǎn)軸；X軸指向瞬時赤道面和格林尼治平子午面的交點協(xié)議地球坐標系(CTS)以協(xié)議地極（CIO）為基準點不同的機構(gòu)組織用不同的方法得到不同的CIO瞬時極地球坐標系與協(xié)議地球坐標系的關(guān)系極移：地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球體位置隨時間而變化的現(xiàn)象第63頁/共83頁瞬時極地球坐標系與協(xié)議地球坐標系的關(guān)系極移：地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球體位置隨時間而變化的現(xiàn)象極移運動規(guī)律：地極坐標系第64頁/共83頁第65頁/共83頁WGS-84世界大地坐標系WGS-84是一個協(xié)議地球參考系CTS原點是地球質(zhì)心，Z軸指向BIH1984.0定義的協(xié)議地極CTP方向，X軸指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的交點，Y軸和Z、X軸構(gòu)成右手坐標系

第66頁/共83頁WGS-84坐標系統(tǒng)采用的4個基本參數(shù)：a=6378137mGM=3986005×108m3s-2C2,0=-484.16685×10-6ω=7292115×10-11rad/s第67頁/共83頁國際地球自轉(zhuǎn)服務(wù)(IERS)的任務(wù)：①維持國際天球參考系統(tǒng)(ICRS)和框架(ICRF)；②維持國際地球參考系統(tǒng)(ITRS)和框架(ITRF)；③為當前應(yīng)用和長期研究提供及時準確的地球自轉(zhuǎn)參數(shù)(EOP)。ITRS與ITRF

第68頁/共83頁國際地球參考系統(tǒng)(ITRS),一種協(xié)議地球參考系統(tǒng)：①原點為地心，并且是指包括海洋和大氣在內(nèi)的整個地球的質(zhì)心；②長度單位為米(m)，并且是在廣義相對論框架下的定義；Z軸從地心指向BIH1984.0定義的協(xié)議地球極(CTP)；④X軸從地心指向格林尼治平均子午面與CTP赤道的交點；⑤Y軸與XOZ平面垂直而構(gòu)成右手坐標系第69頁/共83頁國際地球參考框架(ITRF)ITRF是ITRS的具體實現(xiàn)，是通過IERS分布于全球的跟蹤站的坐標和速度場來維持并提供用戶使用的。IERS每年將全球站的觀測數(shù)據(jù)進行綜合處理和分析，得到一個ITRF框架，并以IERS年報和IERS技術(shù)備忘錄的形式發(fā)布。考慮了框架的隨時間變化，是一個準四維的坐標系統(tǒng)

IGS精密星歷是基于一特定歷元的ITRF框架目前最新、精度最I(lǐng)TRF框架是ITRF2000第70頁/共83頁1954年北京坐標系

地球參心坐標系它的原點不在北京，而在前蘇聯(lián)的普爾科沃。相應(yīng)的橢球為克拉索夫斯基橢球。缺點：

①

橢球參數(shù)有較大誤差。

②

參考橢球面與我國大地水準面存在著自西向東明顯的系統(tǒng)性的傾斜，在東部地區(qū)大地水準面差距最大達+68m。④定向不明確第71頁/共83頁1980年國家大地坐標系

地球參心坐標系特點：

①采用1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會(IUGG)第16屆大會上推薦的4個橢球基本參數(shù)。地球橢球長半徑a=6378140m，地心引力常數(shù)GM=3.986005×1014m3/s2,地球重力場二階帶球諧系數(shù)J2=1.08263×10-8,地球自轉(zhuǎn)角速度ω=7.292115×10-5rad/s。第72頁/共83頁②參心大地坐標系是在1954年北京坐標系基礎(chǔ)上建立起來的。③橢球面同似大地水準面在我國境內(nèi)最為密合，是多點定位。④

定向明確。橢球短軸平行于地球質(zhì)心指向地極原點

的方向

⑤

大地原點地處我國中部，位于西安市以北60km處的涇陽縣永樂鎮(zhèn)，簡稱西安原點。

⑥

大地高程基準采用1956年黃海高程系

第73頁/共83頁不同坐標系統(tǒng)的控制點坐標可以通過一定的數(shù)學(xué)模型，在一定的精度范圍內(nèi)進行互相轉(zhuǎn)換，使用時必須注意所用成果相應(yīng)的坐標系統(tǒng)。

第74頁/共83頁高斯平面坐標系、地方獨立坐標系第75頁/共83頁恒星時ST(SiderealTime)平太陽時MT(MeanSolarTime)世界時UT(UniversalTime)原子時TAI(InternationalAtomicTime)協(xié)調(diào)世界時UTC(CoordinatedUniversalTime)GPS時GPST(GPSTime)時間系統(tǒng)第76頁/共83頁世界時系統(tǒng)恒星時（SiderealTime-ST）參考點：春分點定義：春分點連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一恒星日，并由此派生出“時”、“分”、“秒”等單位是一種地方時*有真恒星時（LAST–LocalApparentSiderealTime）與平恒星時（LMST–LocalMeanSiderealTime）之分第77頁/共83頁平太陽時（MeanSolarTime）參考點：平太陽定義：假設(shè)一個參考點的視運動速度等于真太陽周年運動平均速度，且其在天球赤道上作周年視運動，這個參考點稱為平太陽。平太陽連續(xù)兩次經(jīng)過本地子午圈的時間間隔為一平太陽日是一種地方時民用時使用平太陽時的不便之處平太陽時從正午起算，同一白天日期不同民用時（mc）的定義第78頁/共83頁世界