GPS定位原理及应用

GPS GPS 定位原理及应用定位原理及应用 授课教案授课教案 第一章 绪论 1 11 1 GPSGPS 卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 1 1 11 1 1 早期的卫星定位技术早期的卫星定位技术 1 1 无线电导航系统 无线电导航系统 1 罗兰 C 工作在 100KHZ 由三个地面导航台组成 导航工作区域 2000KM 一般 精度 200 300M 2 Omega 奥米茄 工作在十几千赫 由八个地面导航台组成 可覆盖全球 精度 几英里 3 多卜勒系统 利用多卜勒频移原理 通过测量其频移得到运动物参数 地速和偏 流角 推算出飞行器位置 属自备式航位推算系统 误差随航程增加而累加 缺点 覆盖的工作区域小 电波传播受大气影响 定位精度不高 2 2 早期的卫星定位技术 早期的卫星定位技术 卫星三角网 卫星三角网 以人造地球卫星作为空间观测目标 由地面观测站对其进行摄影测量 测定测站至卫 星的方向 来确定地面点的位置的三角网 卫星测距网 卫星测距网 用激光技术测定测站至卫星的距离作为观测值的网则称为卫星测距网 20 世纪 60 70 年代 美国国家大地测量局在英国和德国测绘部门协助下 建立了一 个共 45 个点的全球卫星三角网 点位精度 5 米 卫星三角网的缺点 卫星三角网的缺点 易受卫星可见条件和天气条件影响 费时费力 定位精度低 1 1 21 1 2 子午卫星导航 多普勒定位 系统及其缺陷子午卫星导航 多普勒定位 系统及其缺陷 多普勒频移 多普勒频移 多普勒效应是为纪念 Christian Doppler 而命名的 他于 1842 年首先提出了这一理论 他认为电磁波频率在电磁源移向观察者时变高 而在波源远离观察者时变低 因此可 利用频率的变化多少来确定距离的变化量 多普勒效应的一个常被使用的例子是火车 当火车接近观察者时 其汽鸣声会比平常 更刺耳 你可以在火车经过时听出刺耳声的变化 同样的情况还有 警车的警报声和赛车 的发动机声 子午卫星导航系统子午卫星导航系统 NNSS NNSS 将卫星作为空间动态已知点 通过在测站上接受子午卫星发射的无线电信号 利用多 普勒定位技术 进行测速 定位的卫星导航系统 子午卫星导航系统的优点 子午卫星导航系统的优点 经济快速 精度均匀 不受天气和时间的限制 且可获得测站的三维地心坐标 子午卫星导航系统的缺点 子午卫星导航系统的缺点 由于卫星数量少 故不能实时定位 定位时间长 定位精度也低 1958 年 美国为解决北极星核潜艇在深海航行和执行军事任务而需要精确定位的问题 开始研制军用导航卫星 命名为 子午仪计划 1960 年 4 月 美国发射了世界第一颗子 午导航卫星 传统的无线电导航系统从此被这种新的导航方式取代 美国 1964 年建成子午 导航卫星系统 主要由美国海军使用 到 1967 年开始正式向民用开放 由于该系统卫星数 目较小 5 6 颗 运行高度较低 平均 1000KM 从地面站观测到卫星的时间隔较长 平 均 1 5h 因而它无法提供连续的实时三维导航 而且精度较低 单点定位精度约为 30 40 米 每次定位约需 8 10 分钟 而各测站观测了公共的 17 次合格的卫星通过时 联测 定位的精度才能达到 0 5 米左右 子午导航卫星系统是低轨道导航卫星 它集中了远程无 线电导航台全球覆盖和近程无线电导航台定位精度高的优点 仅用 4 颗卫星组成的太空导 航星座就能提供全天候全球导航覆盖和周期性二维 经纬度 定位能力 使全球用户统一 于地心坐标系进行高精度定位 使导航技术产生了革命性突破 70 年代中期 我国利用引进的多普勒接收机进行了西沙群岛的大地测量基准联测 国 家测绘总局和总参测绘局联合测设了全国卫星多普勒大地网 石油和地质勘探部门也在西 北地区测设了卫星多普勒定位网 前苏联卫星导航系统 前苏联卫星导航系统 CICADACICADA 12 颗宇宙卫星组成 也存在上述缺点 1 1 31 1 3 GPSGPS 全球定位系统的建立全球定位系统的建立 GPSGPS 全球定位系统 全球定位系统 全球定位系统 Global Positioning System GPS 是美国从本世纪 70 年代开始研 制 历时 20 年 耗资 200 亿美元 于 1994 年全面建成 具有在海 陆 空进行全方位实 时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统 GPSGPS 计划实施的三个阶段 计划实施的三个阶段 1 第一阶段为方案论证和初步设计阶段 从 1973 年到 1979 年 共发射了 4 颗试验卫 星 研制了地面接收机及建立地面跟踪网 2 第二阶段为全面研制和试验阶段 从 1979 年到 1984 年 又陆续发射了 7 颗试验卫 星 研制了各种用途接收机 实验表明 GPS 定位精度远远超过设计标准 3 第三阶段为实用组网阶段 1989 年 2 月 4 日第一颗 GPS 工作卫星发射成功 表明 GPS 系统进入工程建设阶段 1993 年底实用的 GPS 网即 21 3 GPS 星座已经建成 今后 将根据计划更换失效的卫星 为了改进 GPS 系统 美国计划并发射了第三代 GPS 卫星 表表 1 1 GPSGPS 卫星的发展概况卫星的发展概况 卫星类型卫星数量 颗发射时间 年用途 第一代 Block I11 1978 1985试验 第二代 Block II IIA28 1989 1996正式工作 第三代 Block IIR IIF33 1997 2010改进 GPS 系统 注 Block IIA A Advanced IIR R Replacement IIF F Follow on GPSGPS 系统包括三大部分 系统包括三大部分 1 空间部分 GPS 卫星星座 2 地面控制部分 地面监控系统 3 用户设备部分 GPS 信号接收机 GPSGPS 卫星星座的基本参数 卫星星座的基本参数 1 卫星数 21 3 颗 2 6 个卫星轨道面 轨道倾角 55 度 3 卫星高度为 20200km 卫星运行周期为 11 小时 58 分 4 载波 L1 频率为 1575 42MHz L2 为 1227 60MHz GPSGPS 工作卫星情况 工作卫星情况 1 在轨重量 843 68kg 设计寿命七年半 2 在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电 3 有 12 根螺旋形天线组成的阵列天线 向地面发射张角为 30 度的电磁波束 4 由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整 卫星姿态调整采用三轴稳定方式 使卫星天线始终对准地心 过天顶的卫星可见时间为 5 小时 在地表任意地点及任何时刻 在高度角 15 度以上 平均可同时观测到 6 颗卫星 最多可达 9 颗卫星 但随着第三代 GPS 卫星的发射 可观测 到的卫星个数大大增多 GPSGPS 接收机 接收机 采用码分多址 CDMA 技术 实现了接收机多通道接收卫星信号 提高系统的稳定性 通信领域的联通 CDMA 手机应用了此技术 经近 10 年我国测绘等部门的使用表明 GPS 以全天候 高精度 自动化 高效益等显 著特点 赢得广大测绘工作者的信赖 并成功地应用于大地测量 工程测量 航空摄影测 量 运载工具导航和管制 地壳运动监测 工程变形监测 资源勘察 地球动力学等多种 学科 从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命 1 1 41 1 4 GLONASSGLONASS 全球导航卫星系统全球导航卫星系统 GLONASSGLONASS 全球导航卫星系统的建成 全球导航卫星系统的建成 前苏联于 1982 年开始发射 GLONASS 卫星 至 1996 年共发射 24 1 颗卫星 经数据加载 调整和检验 于 1996 年 1 月 18 日系统正式运行 主要为军用 其原理和系统组成与其原理和系统组成与 GPSGPS 系统类似 系统类似 主要特点 主要特点 1 GLONASS 卫星的识别方法采用频分复用制 L1 频率为 1 602 1 616GHz 频道间隔 为 0 5625MHz L2 频率为 1 246 1 256GHz 频道间隔为 0 4375MHz 2 GLONASS 卫星上均装由激光反射镜 地面控制站组 GCS 对卫星进行激光测距 对测距数据作周期修正 3 GLONASS 系统民用不带任何限制 不收费 4 民用的标准精度通道 CSA 精度数据为 水平精度为 50 70m 垂直精度 75m 测 速精度 15cm s 授时精度为 1 s 卫星定位系统的集成 卫星定位系统的集成 目前已有 GPS 与 GLONSS 集成的接收机 这样 GLONSS 可与 GPS 卫星一起定位 使可接受的 卫星数目增加一倍 提高定位精度 也可有效地削弱美俄两国对各自定位系统的可能控制 提高定位的可靠性和安全性 1 1 51 1 5 伽利略伽利略 Galileo GNSS Galileo GNSS 系统系统 Galileo 系统建设始于 2002 年 计划 2008 年投入使用 我国参与了该系统的投资建 设 是一个全开放型的高精度的民用卫星导航定位系统 卫星星座卫星星座 30 颗卫星均匀分布在 3 个中高度圆轨道平面上 轨道高度 23616km 倾角 56 度 地面任一地点任一时间可见到 4 颗 Galileo 卫星 达到全天候 实时导航和定位 与 GPS GLONASS 有机地兼容 增强系统使用的安全性和完善性 表表 2 2 三种卫星系统比较三种卫星系统比较 卫星系统 GLONASS GPS Galileo 卫星数 颗 21 3 21 3 27 3 轨道面数 个 3 6 3 轨道倾角 度 64 8 55 56 平均高度 km 19100 20200 23616 周期 hm 11h15m 11h58m 14h 卫星射电频率 L1 1602 1616MHz 1575 42MHz 1561 1569MHz 卫星射电频率 L2 1246 1256MHz 1227 6 MHz 1224 1232MHz C A 码频率 511 kHz 1 023 MHz 1176 75 MHz E 1 1 61 1 6 双星导航定位系统双星导航定位系统 北斗一号北斗一号 系统组成 北斗导航定位卫星 地面控制中心 北斗用户终端 星座由 2 颗 1 颗 备用 的地球同步卫星组成 其特点为 主动式 全天候 区域性 短信通讯和低动态 功能 1 定位 2 通讯 3 授时 1 21 2 GPSGPS 系统组成系统组成 GPSGPS 系统包括三大部分 系统包括三大部分 1 1 空间部分 GPS 卫星星座 2 地面控制部分 地面监控系统 3 用户设备部分 GPS 信号接收机 1 2 11 2 1 GPSGPS 工作卫星及其星座工作卫星及其星座 GPSGPS 卫星星座的基本参数 卫星星座的基本参数 1 卫星数 21 3 颗 2 6 个卫星轨道面 轨道倾角 55 度 3 卫星高度为 20200km 卫星运行周期为 11 小时 58 分 4 载波 L1 频率为 1575 42MHz L2 为 1227 60MHz GPSGPS 工作卫星情况 工作卫星情况 1 在轨重量 843 68kg 设计寿命七年半 2 在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电 3 有 12 根螺旋形天线组成的阵列天线 向地面发射张角为 30 度的电磁波束 4 由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整 卫星姿态调整采用三轴稳定方式 使卫星天线始终对准地心 1 2 21 2 2 地面监控系统地面监控系统 G GP PS S 的的地地面面监监控控系系统统 包括一个主控站 五个监控站和三个注入站 主主控控站站 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对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 另外 主 控站也具有监控站的功能 监监控控站站 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 注注入入站站 分别位于阿松森群岛 Ascencion 迭哥伽西亚 Diego Garcia 卡瓦加兰 Kwajalein 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 1 2 31 2 3 GPSGPS 信号接收机信号接收机 GPS 的用户部分由 GPS 接收机 数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象 仪器等所组成 GPS 接收机采用码分多址 CDMA 技术 实现了接收机多通道接收卫星信号 提高系统的稳定性 它的作用是接收 GPS 卫星所发出的信号 利用这些信号进行导航定位等工作 以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS 系统 1 31 3 GPSGPS 在国民经济建设中的应用在国民经济建设中的应用 1 3 11 3 1 GPSGPS 系统的特点系统的特点 GPSGPS 系统的特点系统的特点 高精度 全天候 高效率 多功能 操作简便 应用广泛等 1 1 定位精度高 定位精度高 应用实践已经证明 GPS 相对定位精度在 50KM 以内可达 10 6 100 500KM 可达 10 7 1000KM 可达 10 9 在 300 1500m 工程精密定位中 1 小时以上观测的解其平面其平面 位置误差小于 1mm 与 ME 5000 电磁波测距仪测定得边长比较 其边长较差最大为 0 5mm 较差中误差为 0 3mm 2 2 观测时间短 观测时间短 随着 GPS 系统的不断完善 软件的不断更新 目前 20KM 以内相对静态定位 仅需 15 20 分钟 快速静态相对定位测量时 当每个流动站与基准站相距在 15KM 以内时 流动 站观测时间只需 1 2 分钟 然后可随时定位 每站观测只需几秒钟 3 3 测站间无须通视 测站间无须通视 GPS 测量不要求测站之间互相通视 只需测站上空开阔即可 因此可节省大量的造标 费用 由于无需点间通视 点位位置可根据需要 可稀可密 使选点工作甚为灵活 也可 省去经典大地网中的传算点 过渡点的测量工作 4 4 可提供三维坐标 可提供三维坐标 经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测 GPS 可同时精确测定测站点的三 维坐标 目前 GPS 水准可满足四等水准测量的精度 5 5 操作简便 操作简便 随着 GPS 接收机不断改进 自动化程度越来越高 有的已达 傻瓜化 的程度 接收 机的体积越来越小 重量越来越轻 极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度 使野外工作变得轻松愉快 6 6 全天候作业 全天候作业 目前 GPS 观测可在一天 24 小时内的任何时间进行 不受阴天黑夜 起雾刮风 下雨下 雪等气候的影响 7 7 功能多 应用广 功能多 应用广 GPS 系统不仅可用于测量 导航 还可用于测速 测时 测速的精度可达 0 1M S 测 时的精度可达几十毫微秒 其应用领域不断扩大 GPS 系统的应用前景当初 设计 GPS 系 统的主要目的是用于导航 收集情报等军事目的 但是 后来的应用开发表明 GPS 系统 不仅能够达到上述目的 而且用 GPS 卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级 精度的静态相对定位 米级至亚米级精度的动态定位 亚米级至厘米级精度的速度测量和 毫微秒级精度的时间测量 因此 GPS 系统展现了极其广阔的应用前景 1 3 21 3 2 GPSGPS 系统的应用前景系统的应用前景 1 GPS 的最初用途 GPS 最初就是为军方提供精确定位而建立的 至今它仍然由美国军方控制 军用 GPS 产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标 给海中的军舰导航 为军用 飞机提供位置和导航信息等 2 GPS 系统用途广泛 目前 GPS 系统的应用已将十分广泛 我们可以应用 GPS 信号可以进行海 空和陆地 的导航 导弹的制导 大地测量和工程测量的精密定位 时间的传递和速度的测量等 对 于测绘领域 GPS 卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网 测定全 球性的地球动态参数 用于建立陆地海洋大地测量基准 进行高精度的海岛陆地联测以及 海洋测绘 用于监测地球板块运动状态和地壳形变 用于工程测量 成为建立城市与工程 控制网的主要手段 用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置 实现仅有少量地面控制或无 地面控制的航测快速成图 导致地理信息系统 全球环境遥感监测的技术革命 许多商业和政府机构也使用 GPS 设备来跟踪他们的车辆位置 这一般需要借助无线通 信技术 一些 GPS 接收器集成了收音机 无线电话和移动数据终端来适应车队管理的需要 3 多元化空间资源环境的出现 目前 GPS GLONASS INMARSAT 等系统都具备了导航定位功能 形成了多元化的空间 资源环境 这一多元化的空间资源环境 促使国际民间形成了一个共同的策略 即一方面 对现有系统充分利用 一方面积极筹建民间 GNSS 系统 待到 2010 年前后 GNSS 纯民间系 统建成 全球将形成 GPS GLONASS GNSS 三足鼎立之势 才能从根本上摆脱对单一系统的依 赖 形成国际共有 国际共享的安全资源环境 世界才可进入将卫星导航作为单一导航手 段的最高应用境界 国际民间的这一策略 反过来有影响和迫使美国对其 GPS 使用政策作 出更开放的调整 总之 由于多元化空间资源环境的确立 给 GPS 的发展应用创造了一个 前所未有的良好的国际环境 4 发展 GPS 产业 今后 GPS 将像目前汽车 无线电通信等一样形成产业化 美国已将广域增强系统 WAAS 即将广域差分系统中的发送修正数据链转为地球同步卫星发送 使地球同步卫星也 具有 C A 码功能 形成广域 GPS 增强系统 计划发展成国际标准 我国目前也有一些单位 生产车载 GPS 系统 为发展我国的 GPS 产业 武汉已经成立中国 GPS 工程中心 5 GPS 的应用将进入人们的日常生活 最近几年 越来越多普通消费者买得起的 GPS 接收器出现了 随着技术的进步 这些 设备的功能越来越完善 几乎每月都有新的功能出现 但价格在下跌 尺寸也越来越小了 两三年前 GPS 设备还像艺术品一样令人望而却步 而现在消费者终于可以拥有一款梦想已 久的 GPS 接收器了 还带有以前做梦也想不到的很多先进的功能 消费类 GPS 手持机的价格从几百元到几千元不等 它们基本上都有 12 个并行通道和数 据功能 有些甚至能与便携电脑相连 可以上传 下载 GPS 信息 并且使用精确到街道级的 地图软件 可以在 PC 的屏幕上实时跟踪你的位置或自动导航 GPS 信号接收机在人们生活中的应用 是一个难以用数字预测的广阔天地 手表式的 GPS 接收机 将成为旅游者的忠实导游 尽管目前大多数人还不知道什麽是 GPS 但有人预 言 GPS 将改变我们的生活方式 今后 所有运载器 都将依赖于 GPS GPS 就象移动电话 传真机 计算机互联网对我们生活的影响一样 人们日常生活将离不开它 1 3 31 3 3 我国的我国的 GPSGPS 定位技术应用和发展情况定位技术应用和发展情况 新中国成立后 我国的航天科技事业在自立更生 艰苦创业的征途上 逐步建立和发 展 跻身于世界先进水平的行列 成为世界空间强国之一 从 1970 年 4 月把第一颗人造卫 星送入轨道以来 我国已成功地发射了三十多颗不同类型的人造卫星 为空间大地测量工 作的开展创造了有利条件 70 年代后期 有关单位在从事多年理论研究的同时 引进并试制成功了各种人造卫星观测 仪器 其中有人卫摄影仪 卫星激光测距仪和多普勒接收机 根据多年的观测实践 完成 了全国天文大地网的整体平差 建立了 1980 年国家大地坐标系 进行了南海群岛的联测 80 年代初 我国一些院校和科研单位已开始研究 GPS 技术 十多年来 我国的测绘工作者 在 GPS 定位基础理论研究和应用开发方面作了大量工作 80 年代中期 我国引进 GPS 接收机 并应用于各个领域 同时着手研究建立我国自己的卫 星导航系统 至今十多年来 据有关人士估计 目前我国的 GPS 接收机拥有量约在 4 万台 左右 其中测量类约 500 700 台 航空类约几百台 航海类约 3 万多台 车载类数千台 而且以每年 2 万台的速度增加 足以说明 GPS 技术在我国各行业中应用的广泛性 在大地测量方面 利用 GPS 技术开展国际联测 建立全球性大地控制网 提供高精度的地 心坐标 测定和精化大地水准面 组织各部门 10 多个单位 30 多台 GPS 双频接收机 参加 1992 年全国 GPS 定位大会战 经过数据处理 GPS 网点地心坐标精度优于 0 2m 点间位 置精度优于 10 8 在我国建成了平均边长约 100km 的 GPSA 级网 提供了亚米级精度地心 坐标基 准 此后 在 A 级网的基础上 我国又布设了边长为 30 100km 的 B 级网 全国 约 2500 个点 A B