GPS测量原理与应用第一章参考资料

专业：测绘工程总学时：56学时考核方式：考试主讲教师：周文国,1,课程简介,学时：56其中实践课：14学时课程性质：必修考试总学分：3.5主要学习内容：重点：难点：考试：笔试70%+实验20%+平时成绩10%教材：GPS测量原理及应用，武汉大学出版社，徐绍铨、张华海等编著（第三版）参考资料：全球导航卫星系统原理与应用，测绘出版社，党亚民等编著。,2,第一章绪论,1-1GPS发展过程一、卫星定位技术的发展过程1957年10月，世界第一颗人造地球卫星的发射成功，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展，迅速跨入一个崭新的时代。1958年底，美国海军武器实验室，着手建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem-NNSS），1964年建成，并在美国军方启用。,3,双击此处添加文字,1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。1973年美国国防部开始组织海陆空三军，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“授时与测距导航系统/全球定位系统”（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystemNAVSTAR/GPS），通常简称为“全球定位系统（GPS）”。,4,二、GPS全球定位系统的建立,GPS系统构成：总共有24颗卫星，其中3颗备用卫星，卫星轨道个数6个，卫星高度为20200公里，轨道倾角为55，卫星运行周期为11小时58分，载波频率为1575.42MHZ和1227.60MHZ，在地球表面上，高度角15以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可观测到9颗卫星，不受高度角限制时，最少能观测到4颗卫星，最多11颗卫星。,5,三、GLONASS系统简介,前苏联1982年10月12日开始到1996年建成，1995年初有16颗卫星，1996年1月18日整个系统正常运行。GLONASS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。由于GLONASS的卫星轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所以在高纬度地区（50度以上）可视性更好。,6,2011年12月10日起，俄罗斯GLONASS卫星导航系统共有31颗卫星在轨，其中24颗卫星正在运行，3颗卫星即将投入运行，2颗卫星处于维护中，1颗卫星正在试验，1颗卫星备用。至此，俄罗斯GLONASS卫星导航系统研发正式完成。,7,四、伽利略系统简介,GARLILEO系统计划是欧洲委员会于1999年2月公布筹建的全球定位导航服务系统，GALILEO系统设计为支持各种领域广泛应用，包括实时导航、位置基准、安全与应急跟踪、体育、休闲服务和支持政府公共事业的需要。GALILEO系统在技术结构上将以30颗MEO轨道卫星为核心星座，其空间信号等效于GPS卫星上的信号，具有在L频段和GPS兼容的多频体制。在经济上除一般的免费入网用户外，加设有控收费入网的高完善性安全导航用户及其他增值收费服务。,8,“伽利略”卫星定位系统将由30颗轨道卫星组成，卫星的轨道高度为2.4万公里，倾角为56度，分布在3个轨道面上，每个轨道面部署9颗工作星和1颗在轨备份星。“伽利略”将为用户提供误差不超过1米、时间精确的定位服务。中国是第一个参与“伽利略”计划的非欧盟国家，承诺提供2亿欧元的研发经费。,9,在中国国家遥感中心和欧洲伽利略联合执行体的共同努力下，中欧已经成功启动了“伽利略”计划合作11个项目的技术谈判，项目涵盖“伽利略”系统的空间段、地面段和应用段等各领域。已经签署合作协议的7个项目合同总金额超过3000万欧元。这些项目包括：渔业应用项目、基于位置服务的标准研究、电离层研究、上行站前端、搜救转发器、激光后向反射器、中国伽利略测试认证环境等。,10,五、北斗导航系统简介,我国开始建设拥有自主知识产权的全球卫星导航系统北斗卫星导航系统，这也是我国自主建立的第一代卫星导航定位系统。北斗卫星导航系统由空间星座、地面控制和用户终端三大部分组成。空间星座部分由5颗地球静止轨道（GEO）卫星和30颗非地球静止轨道（Non-GEO）卫星组成。GEO卫星分别定点于东经58.75度、80度、110.5度、140度和160度。Non-GEO卫星由27颗中圆地球轨道（MEO）卫星和3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星组成。,11,其中，MEO卫星轨道高度21500千米，轨道倾角55度，均匀分布在3个轨道面上；IGSO卫星轨道高度36000千米，均匀分布在3个倾斜同步轨道面上，轨道倾角55度，3颗IGSO卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经118度，相位差120度。,12,北斗卫星导航系统时间基准采用北斗时（BDT），秒长取为国际单位制SI秒，起算历元为2006年1月1日0时0分0秒协调世界时（UTC）。BDT是连续时间，溯源到中国科学院国家授时中心（NTSC)保持的UTC时间，简称UTC（NTSC），与UTC之间的闰秒信息在导航电文中播报。BDT与UTC的偏差保持在100纳秒以内。,13,北斗卫星导航系统的坐标框架采用中国2000大地坐标系统（CGCS2000）。北斗卫星导航系统建成后将为全球用户提供卫星定位、导航和授时服务，并为我国及周边地区用户提供定位精度1米的广域差分服务和120个汉字/次的短报文通信服务。定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。,14,中国北斗导航卫星发射情况统计,15,北京时间2010年1月17日零时12分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第三颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道。按规划，2012年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力；2020年左右可覆盖全球。,16,北京时间2010年6月2日晚23时53分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第四颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道，这标志着北斗卫星导航系统组网建设又迈出重要一步。,17,2010年8月1日5时30分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号甲运载火箭，成功发射第五颗北斗导航卫星。,18,2010年11月1日零时26分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第六颗北斗导航卫星成功送入太空，这是中国今年连续发射的第4颗北斗导航系统组网卫星。,19,2010年12月18日4时20分，我国在西昌卫星发射中心使用“长征三号甲”运载火箭，成功将第七颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。至此，今年我国共进行了15次航天发射，全部获得成功。,20,2011年4月10日4时47分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第八颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。这是一颗倾斜地球同步轨道卫星。这次发射是今年北斗导航系统组网卫星的第一次发射，也是我国“十二五”期间的首次航天发射。,21,2011年7月27日清晨，中国西昌卫星发射中心发射场周边雷电交加、暴雨如注，就在两次雷电间隙，“长征三号甲”点火腾空，宛如一条火龙在暴雨雷电中直刺苍穹，将第九颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道。,22,第九颗卫星发射现场,23,北京时间12月2日清晨5时07分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，将中国第十颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道。,24,2012年2月25日0时12分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第十一颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。这是一颗地球静止轨道卫星，是我国今年发射的首颗北斗导航系统组网卫星。,25,国产北斗导航定位卫星模型,26,1-2GPS系统的组成,GPS全球定位系统主要由三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。一、GPS卫星星座部分（一）、GPS卫星星座的构成全球定位系统的空间卫星星座，由24颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗卫星。,27,卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55，各轨道平面升交点的赤经相差60，在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30。轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分。因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。,28,卫星星座,29,（二）、GPS卫星及其功能,GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg(包括310kg燃料)两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星装有4台高精度原子钟(2台铷钟和2台铯钟)，这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度的时间标准。,30,GPS卫星,31,GPS卫星的基本功能（作用）是接收和储存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；卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准；向用户发送定位信息；在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。,32,二、地面监控部分,GPS地面监控部分，目前主要由分布在全球的5个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。（一）监测站现有5个地面站均具有监测站功能。（二）主控站主控站有一个，设在科罗拉多（ColoradoSprings）。（三）注入站注入站现有3个，分别设在印度洋的迭哥加西亚（DiegoGarcia）、南大西洋的阿松森岛（Ascencion）和南太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein）。,33,地面监控部分,34,三、用户设备部分,全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用GPS定位的目的。,用户设备一,用户设备二,用户设备三,35,用户设备（1）,博飞GTS100,华测X20静态接收机,36,用户设备（2）,中海达8200E,RTK作业,37,用户设备（3）,手持GPS,南方灵锐S82RTK接收机,38,39,同学们正在实习,40,1-3GPS技术特点及对GPS用户限制性政策,一、GPS相对于其它导航系统的特点GPS同其它导航系统相比，其主要特点如下：1、全球地面连续覆盖。2、功能多，精度高。3、实时定位。4、应用广泛。,41,1、观测站之间无需通视。2、定位精度高。3、观测时间短。4、提供三维坐标。5、操作简便。6、全天候作业。,二、GPS定位技术相对于经典测量的特点,42,三、美国政府对GPS用户的限制性政策,由于GPS定位技术与美国的国防现代化发展密切相关，为了保障美国的利益与安全，美国政府采取了限制非经美国特许的用户利用GPS定位的精度措施。该系统除了在设计方面采取了许多保密性措施外，在系统运行中还采取了可能采取的措施，来限制用户获取GPS观测量的精度，其措施主要有三种。,43,1、对不同的GPS用户提供不同的服务方式,GPS卫星发射的无线电信号，含有两种精度不同的测距码，即所谓的P码（也称精测码）和C/A码（也称粗测码）。相应两种测距码GPS提供两种定位服务方式，即精密定位服务和标准定位服务。精密定位服务（PPS）可提供L1和L2载波上的P码，L1载波上的C/A码，导航电文和消除SA影响的密匙。,44,PPS的主要用户对象是美国军事部门和其他经美国特许的用户。P码是不公开的保密码，未经美国政府特许的用户是难以利用的。其单点定位精度约为5m10m。标准定位服务（SPS）仅提供L1载波上的C/A码和导航电文，其主要服务对象是非经美国政府特许的广大用户。其单点定位精度约为20m40m。,45,2、实施选择可用性（SA）政策,为了进一步降低标准定位服务（SPS）的定位精度，对GPS工作卫星发射的信号，实行了SA政策，以进行人为干扰，其干扰是通过所谓的和技术实现的。前者是干扰卫星星历数据，通过降低GPS卫星播发的轨道参数的精度来降低利用C/A码进行单点定位的精度。后者是对GPS基准信号人为的引入一个高频抖动信号，降低C/A码伪距观测两的精度。,46,3、精密测距码加密（A-S）措施,P码的加密措施也叫“反电子欺骗”（A-S）措施。当P码已被解密，或在战时，对方如果知道了特许用户接收机所接收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错锁信号，产生错误的导航信息。为了防止这种电子欺骗，进一步加密P码，美国将在必要时引入机密码W，并通过P码与W码相加，构成Y码。对于一般用户是无法解释Y码来实现精密定位的。,47,四、非特许GPS用户对美国限制性政策的措施,主要措施：1、建立独立的GPS卫星测轨系统2、建立独立的卫星定位系统（如GLONASS全