GPS卫星测量原理解析课件.ppt

1、东华理工学院GSI Japan-21st of June 1999东华理工学院控制测量学1.1 GPS定位技术的兴起与技术特点 1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，40年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域，得到了极广泛应用。1.GPS的由来 人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite SystemNNSS）。由于该系统卫星都通过地极，也称“子午(Transi

2、t)卫星系统”。东华理工学院控制测量学 1964年该系统建成，并在美国军方启用。1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。该系统不受气象条件的限制，自动化程度高，具有良好的定位精度。尽管NNSS在导航技术的发展中具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目少（5-6颗），运行轨道低（1000km）,观测时间长（1.5小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。而从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观测1-2天；精度低，单点定位精度3-5m，相对定位精度1m，使得在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到很大限制。

3、东华理工学院控制测量学 为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部开始组织陆海空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的“导航卫星授时测距/全球定位系统”（Navigation Satellite Timing and ranging/Global Positioning System）简称全球定位系统（GPS）。为使GPS具有高精度连续实时三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性能，在设计上采取了若干改善措施。东华理工学院控制测量学东华理工学院控制测量学GPS与NNSS的主要技术特征系统特征NNSSGPS载波频率MHz400，1501575，122

4、7卫星平均高度km110020200卫星数目 颗5-621+3运行周期 min107720卫星钟稳定度10-1110-12东华理工学院控制测量学2.GPS系统的特点GPS定位技术相对于经典测量技术，有如下特点：1 观测站之间无需通视。但应保证观测站上方开阔。2 定位精度高。目前在小于50km的基线上，相对定位精度可达1-210-6，在100km-500km的基线上可达10-6-10-7，随着观测技术和数据处理方法的改善，在大于1000km的基线上，相对定位精度可望达到10-8。3 观测时间短。对于小于20km的短基线快速相对定位只需几分钟。4 提供三维坐标。5 自动化程度高，操作简便。测量员只

5、需安装并开关仪器、量取仪器高、监视仪器工作状态和采集环境气象数据。而卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。6 全天候作业。任何时间任何地点连续进行，一般不受天气影响。东华理工学院控制测量学东华理工学院控制测量学东华理工学院控制测量学1.空间星座部分空间星座部分（1）GPS卫星星座组成 24颗卫星，其中3颗备用，分布在6个轨道面上。轨道面相对地球赤道面的倾角为550，各轨道平面升交点赤经相差600，相邻轨道上卫星的升交距角相差300。轨道平均高度约20200km，运行周期11h58m。因此，同一测站上每天出现卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5小时在地平线以上，同时

6、位于地平线以上的卫星数目，随时间地点而异，最少4颗，最多达11颗。东华理工学院控制测量学 GPS卫星迄今已设计了三代。第一代Block1型用于系统实验，称实验卫星，共研制和发射了11颗，设计寿命5年，现已停止工作。第二代Block2和2A型卫星称为工作卫星，共研制了28颗，设计寿命7.5年，从1989年初到1994年上半年发射完毕。第三代Block3和2R型卫星尚在设计中，预计20颗，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。东华理工学院控制测量学（2）GPS卫星及其功能 GPS卫星主体呈圆柱形，直径1.5m，重774kg，两侧有两块双叶太阳能电池板，自动对日定向。每颗卫星装有4台高精度原子钟（卫星

7、的核心设备）（2台铷钟和2台铯钟），发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度时间标准。未来卫星将采用更稳定的原子钟。因为10-9s的时间误差将引起30cm的站星距离误差。东华理工学院控制测量学东华理工学院控制测量学钟型时间频率 Hz每日稳定度f/f钟差1s所需时间石英钟500000010-930年铷钟683468261310-1230 000年铯钟919263177010-13300 000年氢钟142040575110-1530 000 000年东华理工学院控制测量学GPS卫星的基本功能1 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。2 利用卫星上的微处理机，对部分必要

8、的数据进行处理。3 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4 向用户发送定位信息。5 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。东华理工学院控制测量学2.地面监控部分地面监控部分GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（1个）和注入站（3）（1）监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。东华理工学院控制测量学东华理工学院控制测量学（2）主控站主控站除协调和管理地面监控系统外，主要任务：除协调和

9、管理地面监控系统外，主要任务：1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。，并将数据传送到注入站。2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。航电文，送入注入站。3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4）启用

10、备用卫星代替失效工作卫星。）启用备用卫星代替失效工作卫星。东华理工学院控制测量学（3）注入站：主要设备为1台直径3.6m的天线、1台c波段发射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。东华理工学院控制测量学东华理工学院控制测量学3.用户设备部分用户设备部分GPS接收机接收机:接收接收GPS卫星发射的无线卫星发射的无线电信号，获得必要的定位信息和观测

11、电信号，获得必要的定位信息和观测量，经数据处理完成定位工作。量，经数据处理完成定位工作。GPS接收机由硬件和数据处理软件、接收机由硬件和数据处理软件、微处理机及终端设备组成。接收机硬微处理机及终端设备组成。接收机硬件包括主机、天线和电源。件包括主机、天线和电源。东华理工学院控制测量学东华理工学院控制测量学1.美国对GPS用户的主要限制性政策 为保障美国的利益和安全，该系统在设计时采取了一些措施来限定非特许用户获取GPS观测量的精度。（1）对不同的用户提供不同的服务方式 GPS卫星发射的无线电信号含有两种不同精度的测距码，即P码（精码）和C/A码（粗码）。相应两种码提供两种定位服务方式，即精密定

12、位服务（Precise Positioning ServicePPS）和标准定位服务（Standard Positioning ServiceSPS）。东华理工学院控制测量学 PPS可提供L1、L2载波上的P码（不公开的保密码），L1载波上的C/A码、导航电文和消除SA影响的密匙，服务对象是美国军事部门和其它特许用户。利用P码能获得较高精度的观测量，且通过两种频率测距可消除电离层折射的影响，单点实时定位精度5-10m。SPS只能利用L1载波上的C/A码和导航电文，获得精度较低的观测量，无法利用双频技术消除电离层的影响，单点实时定位精度20-40m。东华理工学院控制测量学（2）实施选择可用性政策

13、（SA）为进一步降低SPS的定位精度，对工作卫星发射的信号进行人为干扰，通过所谓的（epsilon)和（delta)两种技术来实现。技术是干扰卫星星历数据，通过降低技术是干扰卫星星历数据，通过降低GPS卫卫星播发的轨道参数精度，来降低利用星播发的轨道参数精度，来降低利用C/A码码进行实时单点定位的精度。进行实时单点定位的精度。技术是在技术是在GPS的基准信号中人为地引入一个的基准信号中人为地引入一个高频抖动信号，以降低高频抖动信号，以降低C/A码伪距观测量的码伪距观测量的精度。精度。在在SA的影响下，的影响下，SPS实时单点定位实时单点定位精度降为100m（水平）和150m（垂直），且此影响是

14、可变的。东华理工学院控制测量学（3）精密测距码的加密措施（AS）P码的加密措施也称反电子欺骗措施。当P码被解密，或在战时，对方如果知道了特许用户接收机所接收的卫星信号的频率和相位，便可以发射适当频率的干扰信号，诱使特许用户的接收机锁错信号，产生错误的导航信息。为防止这种电子欺骗，进一步加密P码，美国将在必要时引入机密码W，通过P码和W码的模2相加，将P码转换成Y码。东华理工学院控制测量学实时单点定位的平面精度实时单点定位的平面精度 m实施政策SPSPPSSAASC/APC/AP关关40104010开关100954010开开1004010关开404010东华理工学院控制测量学2.非特许用户对美国

15、限制性政策的措施非特许用户对美国限制性政策的措施 为摆脱和减弱美国限制性政策影响，各国广泛开展研究、开发和实验，取得了有效结果。（1）建立独立的GPS卫星测轨系统：利用GPS卫星，建立独立的跟踪系统，精密的测定卫星轨道，为用户提供服务。我国已经建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性GPS跟踪站，对GPS进行精密定轨，为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务。东华理工学院控制测量学（2）建立独立的卫星定位系统建立独立的卫星定位系统 最具代表性的是前苏联建立的全球导航卫星系统（最具代表性的是前苏联建立的全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite

16、 SystemGLONASS）。）。该系统与该系统与GPS相似，相似，21+3颗卫星，均匀分布在三个轨道颗卫星，均匀分布在三个轨道面上，轨道面倾角面上，轨道面倾角64.80，运行周期，运行周期11h15m，1995年建年建成。导航精度平面为成。导航精度平面为100m，速度为速度为15cm/s，时间为时间为1 s。定位系统卫星数目平均高度运行周期L1L2GPS21+320200718min1565-15861217-1238GLONASS21+319100675min1603-16161246-1256NAVSAT12+6201787201561-15691224-1232东华理工学院控制测量学

17、uGLONASS星座星座东华理工学院控制测量学（3）开发GPS与GLONASS兼容接收机 由于GPS和GLONASS在系统的构成、工作卫星的数目、工作频段和定位原理上都相似，开发能同时跟踪观测两系统的兼容接收机，不仅可增加可观测卫星数目，而且可有效地减弱美国限制性政策（SA）的影响，提高导航定位的安全性、可靠性和准确性。东华理工学院控制测量学（4）研究与开发差分GPS定位技术 差分GPS（Differential GPSDGPS）通常指用户应用测距码进行实时相对定位技术。由于在相邻观测站上，SA对同一卫星观测值的影响具有强相关性。在一定范围内可明显减弱SA等误差影响，显著提高定位精度。此外，进一步改善GPS接收机对卫星信号的跟踪技术，研究和完善GPS定位的工作模式和数据处理方法，开发相应软件，对克服美国对用户的限制，提高定位精度均有重要意义。