GPS原理与应用第一章.ppt

GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 GPS原理及应用 05级地信专业 王宇明 电话：23540105 Email: 1 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 全球定位系统（全球定位系统（GPSGPS） Navigation System Time and RangingNavigation System Time and Ranging / / Global Positioning System NAVSTAR/GPS w三维位置（经度、纬度、高度） w三维速度 w时间 n根据Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系 统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部 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。 Date2 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 内容提要 一、 概述（1） 二、坐标系统和时间系统（2） 三、卫星运动基础及GPS卫星星历（3） 四、GPS卫星的导航电文和卫星信号（4） 五、GPS卫星定位基本原理（4，5，6，7） 六、GPS卫星导航（8） 七、GPS测量的误差来源及其影响（9，10） 八、GPS测量的设计与实施（11） 九、GPS测量数据处理（12） 十、GPS应用（13） Date3 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 课程要求及考核 课程的要求 基本概念的掌握 知识面的拓展 课程成绩 理论考试70，平时成绩（考勤,作业和问答）30 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 考试范围为课程的讲授范围 17周上复习课，18周考试 Date4 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 参考文献 1 .周忠谟等，GPS卫星测量原理与应 用， 测绘出版 社，1997 2. 徐绍铨等，GPS测量原理及应用 ， 武汉大学出版 社，2003 3. 刘基余，GPS卫星导航定位原理 与方法， 科学出版社，2003 4. 李征航，空间定位技术及应用， 武汉大学出版社，2003 1. 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 York, 1998. Date5 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 第一章 概论 GPS的发展与由来 GPS 的特点 GPS的组成 美国政府的GPS政策（限制） 非特许用户的对策（反限制） Date6 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 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 n提供全球统一的坐标的需要 n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 Date7 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 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 Date8 TRANSIT系统 卫星：6颗 极地轨道 轨道高度：1100km 信号频率：400MHz、 150MHz 卫星通过时间间隔： 100min，有时达到 10h 绝对定位精度：1m 相对定位精度： 0.1m0.5m 定位原理：多普勒定位 *9 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 子午卫星导航系统存在什么问题？ 1.GPS的发展与由来（续） Date10 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 TRANSIT （子午卫星系统）缺点： w卫星数小：56颗，无法实现连续导航定位； w高度低：1000km ，难以精密定轨； w一次定位所需时间过长（1.5h） w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） Date11 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 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） Date12 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 2. GPS 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 Date13 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 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 Date14 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 GPS卫星星座 n设计星座(21+3) ：21颗 正式的工作卫星+3颗活 动的备用卫星 n6个轨道面，平均轨道高 度20200km，轨道倾角 55，周期11h 58min（ 地球-卫星的几何关系每 天提前4min重复一次） n保证在24小时，在高度角 15以上，能够同时观测 到4至12颗卫星 n当前星座：28颗 n作用（基本功能）： n接收、存储导航电文 n生成用于导航定位的信号（ 测距码、载波） n发送用于导航定位的信号（ 采用双向调制法调制在载波上 的测距码和导航电文） n接受地面指令，进行相应操 作 n铯钟和铷钟提供精密的时间 标准 Date15 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 Block IIR Block IIA Block IIR Block IIF Block IIR GPS卫星类型 Date16 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 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、 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 Date17 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 地面监控部分 （Ground Segment ） 主控站：1个监测站：5个 注入站：3个 Date18 主控站 管理、协调地面监控系统各部分的 工作 编算广播星历,轨道参数,卫星钟差和 大气层改正数等送给注入站 调整卫星状态(轨道纠偏) 调度卫星(用备用卫星代替失效工作 卫星) 监测站 对卫星进行跟踪 观测 记录气象数据 将数据传送到主 控站 注入站 向卫星注入导 航电文和指令等 地面监控部分的主要任务 *19 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 用户部分 （User Segment） n组成 w用户 w接收设备 n接收设备 wGPS信号接收机 Date20 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 GPS信号接收机 w组成 天线单元 天线前置放 大器 接收天线 接收单元 信号通道（ channel） 存储器 微处理器 输入输出设 备 电源 w任务 按一定高度截止角 捕获卫星，跟踪卫星运行 对接收到的GPS 信号，具有变换、放大、 处理功能 n 测量信号传播时间 ，解译导航电文；实时计 算用户位置、速度与时间 Date21 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 3. GPS的特点 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 n观测点之间需要保证通视 w作业难度大 w需要修建觇标 w边长受到限制 w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 n观测受气候、环境条件限 制 n受系统误差影响大 n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，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 Date22 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 3. GPS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 Date23 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 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 Date24 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 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 Date25 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05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=24.42cm Date26 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 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 P W Y 特许用户和非特许用户定位精度 Date27 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 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/INS 5 .非特许用户的对策（反限制） Date28 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 wGLONASS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 。 wGLONASS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。 wGLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码 和P码。 wGLONASS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。 wGLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为 25m。 GLONASS系统 Date29 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 GLONASS系统 (GLObal NAvigation Satellite System, 俄罗斯) n 星座组成 w24颗卫星（21 3） w三个轨道平面 w每个轨道面上卫星 均匀分布 w轨道高度： 19100km w轨道倾角：64.8 w卫星运行周期： 11h15min w1995年底建成 Date30 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 GLONASS信号 w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。2005年后 nL1: 1598.06251604.2500MHz nL2: 1242.93751247.7500MHz w各颗卫星也有C/A码与P码，且不同卫星间相同 w无SA与AS技术，但不向民用用户提供P码 nGLONASS单点定位精度 w平面 20m左右；高程 40m左右（95%） Date31 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 Date32 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 Date33 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 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： 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）系统建成并投入使用； 伽俐略系统 Date34 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 GALILEO系统 (欧洲) n 星座组成 w30颗卫星 （273） w三个轨道平面 w轨道高度：23616km w轨道倾角：56 nGalileo信号 w根据公开、安全、商业、政 府四种服务模式采用不同信号 w载波频率：L波段（ E1,E2,E5a, E5b和E6） Date35 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 05地信专业 星座建立计划 w2004，发射 GSTB (Galileo System Test Bed)试验卫星 w2005 2006，发射4颗 工作卫星，在轨 作业试验 w2008，建立 Galileo工作星座 Date36 GPS原理与应用 城市与环境科学学院王宇明 0