GPS原理与应用一课件.ppt

1、GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业GPS原理及应用05级地信专业电话：23540105Email:1GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业Global Positioning SystemNAVSTAR/GPS三维位置（经度、纬度、高度）三维速度时间n根据根据Wooden 1985Wooden 1985年所给出的定义：年所给出的定义：NAVSTARNAVSTAR全球定位系全球定位系统（统（GPSGPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开

2、发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。参照系中的位置、速度和时间信息的要求。1/1/20232GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业内容提要一、一、概述（概述（1 1）二、坐标系统和时间系统（二、坐标系统和时间系统（2 2）三、卫星运动基础及三、卫星运动基础及GPSGPS卫星星历（卫星星历（3 3）四、四、GPSGPS卫星的导航电文和卫星信号（卫星的导航电文和卫星信号（4 4）五、五、GPSGPS卫星定位基本原理（卫星定位基本原理（4 4，5

3、5，6 6，7 7）六、六、GPSGPS卫星导航（卫星导航（8 8）七、七、GPSGPS测量的误差来源及其影响（测量的误差来源及其影响（9 9，1010）八、八、GPSGPS测量的设计与实施（测量的设计与实施（1111）九、九、GPSGPS测量数据处理（测量数据处理（1212）十、十、GPSGPS应用（应用（1313）1/1/20233GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业课程要求及考核课程要求及考核课程的要求课程的要求基本概念的掌握基本概念的掌握知识面的拓展知识面的拓展课程成绩课程成绩理论考试理论考试7070，平时成绩（考勤，平时成绩（考

4、勤,作业和问答）作业和问答）3030主要考核基本概念和基本知识主要考核基本概念和基本知识考核包括简单的计算，无公式推导考核包括简单的计算，无公式推导考试范围为课程的讲授范围考试范围为课程的讲授范围1717周上复习课，周上复习课，1818周考试周考试1/1/20234GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业参考文献参考文献1.周忠谟等，周忠谟等，GPS卫星测量原理与应用，卫星测量原理与应用，测绘出版测绘出版 社，社，199719972.徐绍铨等，徐绍铨等，GPS测量原理及应用，测量原理及应用，武汉大学出版武汉大学出版 社，社，200320033

5、.刘基余，刘基余，GPS卫星导航定位原理与方法，卫星导航定位原理与方法，科学出版社，科学出版社，200320034.李征航，空间定位技术及应用，李征航，空间定位技术及应用，武汉大学出版社，武汉大学出版社，200320031.B.Hofmann-Wellenhof,H.Lichtenegger,J.Collins,Global Positioning System Theory and Practice,Fourth,revised edition,Springer-Verlag/Wien,1997.2.GPS for Geodesy,2nd ed.,Springer-Verlag,New Yo

6、rk,1998.1/1/20235GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业第一章 概论1.GPS的发展与由来2.GPS 的特点3.GPS的组成4.美国政府的GPS政策（限制）5.非特许用户的对策（反限制）1/1/20236GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业卫星定位技术产生的必然性卫星定位技术产生的必然性n提供精确的地心坐标的需要提供精确的地心坐标的需要n提供全球统一的坐标的需要提供全球统一的坐标的需要n长距离高精度定位的需要长距离高精度定位的需要n全天候、快速、精确、简便定位方式的需要

7、全天候、快速、精确、简便定位方式的需要1/1/20237GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业 1957年10月4日前苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星；美国海军武器实验室利用多普勒频移原理于1967年7月建成了海军导航卫星定位系统（Navy Navigation Satellite System-NNSS）即TRANSIT（子午卫星系统，卫星轨道通过地极）；1.GPS的发展与由来1/1/20238TRANSITTRANSIT系统系统卫星：卫星：6颗颗极地轨道极地轨道轨道高度：轨道高度：1100km信号频率：信号频率：400MHz、150M

8、Hz卫星通过时间间隔：卫星通过时间间隔：100min，有时达到有时达到10h绝对定位精度：绝对定位精度：1m相对定位精度：相对定位精度：0.1m0.5m定位原理：多普勒定位定位原理：多普勒定位1/1/20239GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业子午卫星导航系统存在什么问题？子午卫星导航系统存在什么问题？1.GPS的发展与由来（续）1/1/202310GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业TRANSIT（子午卫星系统）缺点：卫星数小：56颗，无法实现连续导航定位；，无法实现连续导航定位

9、；高度低：1000km，难以精密定轨；，难以精密定轨；一次定位所需时间过长一次定位所需时间过长（1.5h）频率低，难以消除电离层影响。频率低，难以消除电离层影响。因而，满足不了军事需要。1.GPS的发展与由来（续）1/1/202311GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业 美国国防部从1973年开始筹建GPS，整个GPS系统于1994年3月全部建成。GPS系统是20世纪空间技术上最重大的成就之一。1.GPS的发展与由来（续）1/1/202312GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2.G

10、PS 组成 空间卫星部分 24颗卫星 6个轨道 轨道高度20200KM 运行周期11小时58分地面监控部分 监测站 主控站 注入站 用户设备部分 GPS 接收机 天线 硬件 软件包1/1/202313GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业2.GPS 组成（续）GPS卫星的发展可分为五个阶段：Block Block、BlockA BlockR、BlockF GPS空间卫星部分1/1/202314GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业GPS卫星星座卫星星座n设计星座设计星座(21+3)：21

11、颗颗正式的工作卫星正式的工作卫星+3颗活颗活动的备用卫星动的备用卫星n6个轨道面，平均轨道高个轨道面，平均轨道高度度20200km，轨道倾角轨道倾角55，周期，周期11h 58min（地球地球-卫星的几何关系卫星的几何关系每天提前每天提前4min重复一次）重复一次）n保证在保证在24小时，在高度角小时，在高度角15以上，能够同时观测以上，能够同时观测到到4至至12颗卫星颗卫星n当前星座：当前星座：28颗颗n作用（基本功能）：作用（基本功能）：n接收、存储导航电文接收、存储导航电文n生成用于导航定位的信号生成用于导航定位的信号（测距码、载波）（测距码、载波）n发送用于导航定位的信号发送用于导航定

12、位的信号（采用双向调制法调制在载波（采用双向调制法调制在载波上的测距码和导航电文）上的测距码和导航电文）n接受地面指令，进行相应操接受地面指令，进行相应操作作n铯钟和铷钟提供精密的时间铯钟和铷钟提供精密的时间标准标准1/1/202315GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业Block IIRBlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIRGPS卫星类型卫星类型1/1/202316GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业GPS 的控制部分由分布在全球的由若干个跟踪站所

13、组成。分为主控站、监控站和注入站。主控站位于美国克罗拉多Colorado的法尔孔Falcon 空军基地。它的作用是根据各监控站根据GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去。同时它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时调度备用卫星替代失效的工作卫星工作。主控站也具有监控站的功能。监控站有五个。除了主控站外其它四个分别位于夏威夷(Hawaii)、阿松森群岛(Ascencion)、迭哥伽西亚(Diego Garcia)、卡瓦加兰(Kwajalein)。监控站的作用是接收卫星信号、监测卫星的工作状态。注入站有三个。分别位于阿松森群岛

14、、迭哥伽西亚、卡瓦加兰。注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。地面监控部分1/1/202317GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业地面监控部分地面监控部分（Ground Segment）主控站：主控站：1个个监测站：监测站：5个个注入站：注入站：3个个1/1/202318主控站主控站管理、协调地面监控系统各部分的管理、协调地面监控系统各部分的工作工作编算广播星历编算广播星历,轨道参数轨道参数,卫星钟差和卫星钟差和大气层改正数等送给注入站大气层改正数等送给注入站调整卫星状态调整卫星状态(轨道纠偏轨道纠偏)调

15、度卫星调度卫星(用备用卫星代替失效工作用备用卫星代替失效工作卫星卫星)监测站监测站对卫星进行跟踪对卫星进行跟踪观测观测记录气象数据记录气象数据将数据传送到主将数据传送到主控站控站注入站注入站向卫星注入导航向卫星注入导航电文和指令等电文和指令等地面监控部分的主要任务地面监控部分的主要任务1/1/202319GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业用户部分用户部分（User Segment）n组成组成w用户用户w接收设备接收设备n接收设备接收设备wGPS信号接收机信号接收机1/1/202320GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市

16、与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业GPS信号接收机信号接收机w组成组成天线单元天线单元天线前置放大器天线前置放大器接收天线接收天线接收单元接收单元信号通道（信号通道（channel）存储器存储器微处理器微处理器输入输出设备输入输出设备电源电源w任务任务 按一定高度截止角捕获卫按一定高度截止角捕获卫星，跟踪卫星运行星，跟踪卫星运行 对接收到的对接收到的GPS信号，具信号，具有变换、放大、处理功能有变换、放大、处理功能 测量信号传播时间，解译测量信号传播时间，解译导航电文；实时计算用户位导航电文；实时计算用户位置、速度与时间置、速度与时间1/1/202321GPSGPS原理与应用原理与应用城市

17、与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业3.GPS的特点的特点w 传统定位方法的局限性传统定位方法的局限性n需要事先布设大量的地面控制点需要事先布设大量的地面控制点n观测点之间需要保证通视观测点之间需要保证通视w作业难度大作业难度大w需要修建觇标需要修建觇标w边长受到限制边长受到限制w效率低：无用的中间过渡点效率低：无用的中间过渡点n无法同时精确确定点的三维坐标无法同时精确确定点的三维坐标n观测受气候、环境条件限制观测受气候、环境条件限制n受系统误差影响大受系统误差影响大n难以确定地心坐标难以确定地心坐标 GPS 相对传统的测量技术 观测站间无需通视 定位精度高（绝对精度10米

18、，相对精度2毫米）观测时间短 提供3维坐标 操作简单 全天候作业1/1/202322GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业3.GPS的特点（续）的特点（续）GPS 相对其它导航系统 全球地面连续覆盖 功能多，精度高 实时定位 应用广泛1/1/202323GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业4.美国政府的GPS政策(限制)(1)提供不同的用户服务方式(2)实施SA（选择可用性）政策(3)实施AS（精码加密）政策1/1/202324GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环

19、境科学学院王宇明王宇明05地信专业4.美国的GPS政策(续）(1)提供不同的用户服务方式 精密定位服务 PPS（Precise Positioning Service）标准定位服务 SPS(Standard Positioning Service)GPS卫星发射的无线电信号含有二种精度不同的测距码 P码（又称精码）军用 PPS定位服务 C/A码（又称粗码）民用 SPS定位服务 P码获得较高的定位精度，单点实时定位精度可优于10米C/A码获得较低的定位精度，单点实时定位精度约为30-40米左右1/1/202325GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05

20、地信专业4.美国GPS的政策(续）(2)实施SA政策 SA-Selective Availability（选择可用性）SPS定位服务中加干扰技术-技术-技术干扰卫星星历引入高频抖动实施SA政策：水平定位100米，垂直定位150米（2000年5月前）卫星原子钟的基频1=19.03cm 2=24.42cm1/1/202326GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业(3)实施AS政策 AS-Anti-Spoofing(精码P码加密)AS-反电子欺骗PWY特许用户和非特许用户定位精度 1/1/202327GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学

21、学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业研究差分GPS技术建立独立卫星定位系统GLONASS 伽利略(Galileo)北斗开发组合接收机和组合系统 GPS/GLONASS GPS/INS5.非特许用户的对策（反限制）1/1/202328GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业GLONASS是GLObale NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)的字头缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLO

22、NASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。GLONASS系统从理论上有24颗卫星，但由于卫星使用寿命和资金紧张等问题，实际上目前只有8颗。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。GLONASS系统 1/1/202329GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业GLONASS系统系统(GLObal NAvigation Satellite S

23、ystem,俄罗斯俄罗斯)n 星座组成星座组成w24颗卫星（颗卫星（213）w三个轨道平面三个轨道平面w每个轨道面上卫星均每个轨道面上卫星均匀分布匀分布w轨道高度：轨道高度：19100kmw轨道倾角：轨道倾角：64.8w卫星运行周期：卫星运行周期：11h15minw1995年底建成年底建成1/1/202330GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业111222(1)(1)1,2,3,.24jjffjfffjfjGLONASS信号信号w每颗卫星载波频率不同每颗卫星载波频率不同w计划调整载波频率，使同轨道上相对的卫星载波频率相同。计划调整载波频率

24、，使同轨道上相对的卫星载波频率相同。2005年后年后nL1:1598.06251604.2500MHznL2:1242.93751247.7500MHzw各颗卫星也有各颗卫星也有C/A码与码与P码，且不同卫星间相同码，且不同卫星间相同w无无SA与与AS技术，但不向民用用户提供技术，但不向民用用户提供P码码nGLONASS单点定位精度单点定位精度w平面平面 20m左右；高程左右；高程 40m左右（左右（95%）1/1/202331GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业1/1/202332GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与

25、环境科学学院王宇明王宇明05地信专业1/1/202333GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业系统组成系统组成：卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星）。卫星的轨道倾角i=56；卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km。地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。定位原理：与GPS相同。定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。计划实施计划实施：1994年开始进入方案论证阶段；2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段；2008年整个伽利略（GNSS）系统建

26、成并投入使用；伽俐略系统1/1/202334GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业GALILEO系统系统(欧洲欧洲)n 星座组成星座组成w30颗卫星颗卫星（273）w三个轨道平面三个轨道平面w轨道高度：轨道高度：23616kmw轨道倾角：轨道倾角：56nGalileo信号信号w根据公开、安全、商业、政府四根据公开、安全、商业、政府四种服务模式采用不同信号种服务模式采用不同信号w载波频率：载波频率：L波段（波段（E1,E2,E5a,E5b和和E6）1/1/202335GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王

27、宇明05地信专业 星座建立计划星座建立计划w2004，发射，发射GSTB(Galileo System Test Bed)试验卫星试验卫星w20052006，发射发射4颗工作卫星，颗工作卫星，在轨作业试验在轨作业试验w2008，建立，建立Galileo工作星座工作星座1/1/202336GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统(中国中国)n 系统组成系统组成w导航卫星：导航卫星：2颗地球同步卫星（颗地球同步卫星（Sat-31/32静地卫静地卫星），东经星），东经80度与度与140度上空度上空w地面中心站：地面控

28、制中心地面数据处理中心地面中心站：地面控制中心地面数据处理中心w定轨观测网：定轨观测网：3个以上地面定轨观测站个以上地面定轨观测站w校准站校准站w测高站测高站w用户发收机用户发收机n 系统建成时间：系统建成时间：2000年底年底1/1/202337GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业北斗星系统定位原理北斗星系统定位原理w主动式：用户设主动式：用户设备既接收也发送备既接收也发送信号，地面中心信号，地面中心站解算用户位置站解算用户位置并告知用户；需并告知用户；需要高程约束解算要高程约束解算用户位置，且用用户位置，且用户不能自己解算户不能自己解

29、算坐标。坐标。w定位精度：平面定位精度：平面 20m1/1/202338GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业GPS、GLONASS、GALILEO等统称全球导航卫星等统称全球导航卫星系统系统GNSS（GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEM）1/1/202339GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业1/1/202340GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业 GPS在国民经济建设中的应用在国民经济建设中的应用n将在第十章中详细介绍将在第十章中详细介绍w陆地应用陆地应用w海洋应用海洋应用w航空应用航空应用w航天应用航天应用1/1/202341GPSGPS原理与应用原理与应用城市与环境科学学院城市与环境科学学院王宇明王宇明05地信专业3.简述GPS的基本组成4.简述GPS的定位服务方式及相应的定位精度5.举例说明GPS的应用(提示：精密测量，智能交通，城市规化，军事应用，旅游探险)习 题1.子午卫星系统与GPS定位原理有何区别？2.为什么在卫星原子钟基准频率中加入干扰可以降低定位精度？1/1/202342