武汉大学GPS课件总

GPS原理及其应用(一),第一章绪论,1.1全球定位系统的产生、发展及前景1.2GPS在各个领域中的应用,1.1全球定位系统的产生、发展及前景,什么是GPS？,GPS的英文全称是NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。,其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。,绪论全球定位系统的产生、发展及前景什么是全球定位系统,GPS概述,建立国家美国目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间1973年完全建成时间1995年,绪论全球定位系统的产生、发展及前景GPS概述,GPS概述,系统构成空间部分、地面控制部分、用户部分服务方式通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理距离交会测距原理被动式电磁波测距特点全球覆盖、全天候、不间断、精度高,绪论绪论全球定位系统的产生、发展及前景GPS概述,常规（地面）定位方法,近、现代的常规定位方法采用的仪器设备尺：铟钢尺光学仪器：经纬仪，水准仪电磁波或激光仪器：测距仪综合多种技术的仪器：全站仪观测值角度或方向观测距离观测天文观测方法,绪论全球定位系统的产生、发展及前景常规（地面）定位方法,常规定位方法的局限性,需要事先布设大量的地面控制点/地面站无法同时精确确定点的三维坐标观测受气候、环境条件限制观测点之间需要保证通视需要修建觇标/架设高大的天线边长受到限制观测难度大效率低：无用的中间过渡点受系统误差影响大，如地球旁折光难以确定地心坐标,绪论全球定位系统的产生、发展及前景常规（地面）定位方法的局限性,子午卫星系统及其局限性,系统简介NNSSNavyNavigationSatelliteSystem（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统美国研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用,绪论全球定位系统的产生、发展及前景子午卫星系统及其局限性,子午卫星系统及其局限性,系统组成空间部分卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz30=149.988MHz；4.9996MHz80=399.968MHz；星历）卫星星座由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km地面控制部分包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台用户部分多普勒接收机,绪论全球定位系统的产生、发展及前景子午卫星系统及其局限性,子午卫星系统及其局限性,应用领域海上船舶的定位大地测量精度单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h1.6h），精度约为10m联测定位：各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m,绪论全球定位系统的产生、发展及前景子午卫星系统及其局限性,子午卫星系统及其局限性,系统缺陷卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务导航定位精度低卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响卫星轨道低，难以进行精密定轨,绪论全球定位系统的产生、发展及前景子午卫星系统及其局限性,GPS的发展简史方案论证阶段,1973年12月，美国国防部批准研制GPS。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。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。,绪论全球定位系统的产生、发展及前景GPS的发展简史,GPS的发展简史全面研制和试验阶段,从1979年到1987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。,绪论全球定位系统的产生、发展及前景GPS的发展简史,GPS的发展简史实用组网阶段,1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。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。1995年7月17日，GPS达到FOC完全运行能力（FullOperationalCapability）。,绪论全球定位系统的产生、发展及前景GPS的发展简史,1.2GPS在各个领域中的应用,GPS在军事中的应用,绪论GPS在各个领域中的应用,GPS在交通运输业中的应用,航运、航空搜索陆路交通（车辆导航、监控）船舶远洋导航和进港引水,绪论GPS在各个领域中的应用,GPS在测量中的应用,建立和维持全球性的参考框架,绪论GPS在各个领域中的应用,GPS在测量中的应用,板块运动和监测,绪论GPS在各个领域中的应用,GPS在测量中的应用,建立各级国家平面控制网,绪论GPS在各个领域中的应用,GPS在测量中的应用,布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量,绪论GPS在各个领域中的应用,GPS在测量中的应用,在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用,绪论GPS在各个领域中的应用,GPS在其他领域中的应用,精细农业遥感卫星定轨资源勘探个人旅游及野外探险电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递.,绪论GPS在各个领域中的应用,GPS原理及其应用(二),第一章绪论,1.3美国政府的GPS政策1.4其它卫星导航定位系统,1.3美国政府的GPS政策,美国政府的GPS政策,SPS与PPSSPS标准定位服务使用C/A码，民用2DRMS水平=100m2DRMS垂直=150-170m2DRMS时间=340nsPPS精密定位服务可使用P码，军用2DRMS水平=22m2DRMS垂直=27.7m2DRMS时间=200ns,绪论美国政府的GPS政策,美国政府的GPS政策,SA技术（1990.3.252000.5.1）SelectiveAvailability选择可用性人为降低普通用户的测量精度。方法:技术：降低星历精度（加入随机变化）技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）AS技术（1994.1.31至今）Anti-Spoofing反电子欺骗P码加密，P+WY,绪论美国政府的GPS政策,GPS现代化,1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美元，进行GPS现代化。GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。,绪论美国政府的GPS政策,GPS现代化,GPS现代化的内涵：保护。即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。,绪论美国政府的GPS政策,GPS现代化,GPS现代化第一阶段发射12颗改进型的BLOCKR型卫星。GPS现代化第二阶段发射6颗GPSBLOCKF（“FLite”）。GPS现代化计划的第三阶段发射GPSBLOCK型卫星，在2003年前完成代号为GPS的GPS完全现代化计划设计工作。,绪论美国政府的GPS政策,1.4其他卫星导航定位系统的概况,其它卫星导航定位系统GLONASS,GLONASSGlobalNavigationSatelliteSystem（全球导航卫星系统）开发者俄罗斯（前苏联）系统构成卫星星座地面控制部分用户设备,绪论其它卫星导航定位系统GLONASS,GLONASSconstellation,GLONASSsatellite,P24,绪论其它卫星导航定位系统GLONASS,其它卫星导航定位系统GLONASS,GLONASS与GPS的比较,绪论其它卫星导航定位系统GLONASS,其它卫星导航定位系统GLONASS,卫星运行状况从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。,绪论其它卫星导航定位系统GLONASS,其它卫星导航定位系统Galileo,伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统Galileo系统。Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56。Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。,绪论其它卫星导航定位系统Galileo,theGalileosatelliteconstellation,P26,其它卫星导航定位系统Galileo,绪论其它卫星导航定位系统Galileo,其它卫星导航定位系统Galileo,2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（GalileoIn-OrbitValidationElements-GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。,P28,绪论其它卫星导航定位系统Galileo,theGIOVESatellite,P29,其它卫星导航定位系统Galileo,GIOVE的主要目标:频率信号测试；验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；轨道环境特征测试；并行2或3通道信号传输测试。,绪论其它卫星导航定位系统Galileo,其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（东经80和140的赤道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5的赤道上空），标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统BD1。,绪论其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,北斗1代卫星导航系统组成图,P32,其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。,绪论其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,用户终端分为定位通信终端集团用户管理站终端差分终端校时终端等,绪论其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系统相比，BD1有自己的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。,绪论其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,BD2为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（BD2）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由GEO卫星，IGSO卫星和MEO卫星组成。此项工作将成为”十一五”期间的一项重要工作。,P33,绪论其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统,GPS原理及其应用(三),第二章全球定位系统的组成及信号结构,2.1全球定位系统的组成,2.1全球定位系统的组成,GPS的系统组成,GPS系统由三部分组成空间部分地面控制部分用户设备部分,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成,GPS的空间部分,GPS的空间部分的组成GPS卫星星座,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分,6个轨道面平均轨道高度20200km轨道倾角55周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）,GPS的空间部分,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分,GPS卫星星座设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星当前星座：28颗,GPS的空间部分,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分,GPS的空间部分,GPS卫星的地面轨迹,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分,GPS的空间部分,GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分,GPS卫星（续）类型试验卫星：Block工作卫星：BlockBlock：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力BlockA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜BlockR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯BlockF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率,GPS的空间部分,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分,GPS的空间部分,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分,GPS的空间部分,当前的卫星状态,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的空间部分,SUBJ:GPSSTATUS26MAR20041.SATELLITES,PLANES,ANDCLOCKS(CS=CESIUMRB=RUBIDIUM):A.BLOCKI:NONEB.BLOCKII:PRNS1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15PLANE:SLOTF4,B5,C2,D4,B4,C1,C4,A3,A1,E3,D2,F3,F1,D5CLOCK:CS,CS,CS,RB,CS,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,CSBLOCKII:PRNS16,17,18,20,21,22,24,25,26,27,28,29,30,31PLANE:SLOTB1,D6,E4,E1,D3,E2,D1,A2,F2,A4,B3,F5,B2,C3CLOCK:RB,RB,RB,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,RB,RB,RB,GPS的地面监控部分,地面监控部分（GroundSegment）组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的地面监控部分,GPS的地面监控部分,地面监控部分（GroundSegment）（续）分布,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的地面监控部分,GPS的地面监控部分,监测站（5个）作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷、主控站及三个注入站。,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的地面监控部分,GPS的地面监控部分,主控站（1个）作用：管理、协调地面监控系统各部分的工作，收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的地面监控部分,GPS的地面监控部分,注入站（3个）作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的地面监控部分,GPS的用户部分,组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机其它仪器设备,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,GPS的用户部分,GPS信号接收机组成天线单元带前置放大器接收天线接收单元信号通道存储器微处理器输入输出设备电源,天线单元,接收单元,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,GPS的用户部分,天线单元类型单极天线微带天线锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线空间螺旋天线背腔平面盘旋天线,GPS天线,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,GPS的用户部分,天线单元（续）特点单极天线单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单微带天线结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛锥形（螺旋）天线四丝螺旋天线单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板空间螺旋天线双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称背腔平面盘旋天线,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,GPS的用户部分,天线单元天线特性相位中心、增益方式、带宽、极化相位中心平均相位中心与几何中心相位中心的偏移相位中心偏移的消除：归心改正、消去法天线高标志至平均相位中心所在平面的垂直距离,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,GPS的用户部分,接收单元接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等存储器微处理器作用：数据处理、控制输入输出设备电源,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,GPS的用户部分,全球定位系统的组成及信号结构GPS的组成GPS的用户部分,GPS原理及其应用(四),第二章全球定位系统的组成及信号结构,2.2GPS卫星的信号结构,GPS卫星信号结构,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构,概述,GPS卫星信号的组成部分载波（Carrier）L1L2测距码（RangingCode）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）卫星（导航）电文（Message）GPS卫星信号的生成关键设备原子钟,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构概述,GPS卫星的基准频率f0,由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星的基准频率,载波,作用搭载其它调制信号测距测定多普勒频移类型目前L1频率：154f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2频率：120f0=1227.60MHz；波长：24.42cm现代化后增加L5频率：115f0=1176.45MHz；波长：25.48cm,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构载波,载波,特点所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构载波,测距码,作用测距性质为伪随机噪声码（PRNPseudoRandomNoise）不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）对齐的同一组码间的相关系数为1,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构测距码,测距码,类型目前C/A码（Coarse/AcquisitionCode）粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上P（Y）码（PreciseCode）精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上现代化后在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构测距码,卫星（导航）电文,作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息基本结构,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星（导航）电文,卫星（导航）电文,基本内容,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星（导航）电文,卫星（导航）电文,遥测字（TLMTelemetryWord）每一子帧的第1个字用作捕获导航电文的前导交接字（HOWHandOverWord）每一子帧的第2个字主要内容：Z计数,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星（导航）电文,卫星（导航）电文,第一数据块第1子帧的第310个字内容：WNGPS周L2所调制测距码标识符“10”表示C/A码，“01”表示P(Y)码传输参数NURATGD信号在卫星内部的时延星钟数据龄期AODC星钟改正参数a0（钟偏），a1（钟速），a2（钟漂）,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星（导航）电文,卫星（导航）电文,第二数据块第2、3子帧的第310个字内容该发送信号卫星的星历广播星历星历参数,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星（导航）电文,卫星（导航）电文,第三数据块第4、5子帧的第310个字内容：所有卫星历书（概略星历）第三数据块的内容每12.5分钟重复一次,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星（导航）电文,星历参数详解,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构星历参数详解,星历参数详解,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构星历参数详解,星历参数详解,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构星历参数详解,星历参数详解,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构星历参数详解,卫星信号的调制,模二和运算规则二进制信号：“1”表示二进制“0”，“-1”表示二进制“1”，则,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星信号的调制,卫星信号的调制,二进制信号的相位调制,调频FM,调幅AM,调相PM,注：其它调制方式,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星信号的调制,卫星信号的调制,GPS卫星信号的调制示意图卫星信号的调制原理,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构卫星信号的调制,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算思路首先计算卫星在轨道平面坐标系下的坐标然后将上述坐标分别绕X轴旋转-i角、绕Z轴旋转-k角，求出卫星在地固系下的坐标,轨道平面坐标系,轨道参数,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程计算卫星运行的平均角速度计算t时刻卫星的平近点角计算偏近点角,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续）计算真近点角计算升交距角（未经改正的）计算卫星向径,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续）计算摄动改正项进行摄动改正计算卫星在轨道平面坐标系中的位置,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算,GPS卫星位置的计算-根据广播星历计算卫星位置,计算过程（续）计算升交点经度计算卫星在地固坐标系下的坐标,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算,精密星历按一定时间间隔给出卫星在地固坐标系下的三维位置、三维速度和钟差*2004115000.00000000P15945.50963515759.60840420698.949374324.533285P21141.10111122665.35998914690.489309-257.156064P3-10344.44706824021.826531-3968.23332577.825932P422798.349665-6520.82087212310.795279-43.522805P5-12628.924903-23445.674881-1192.03679113.422888P6-13958.380086-7542.10349721489.237683-2.952584P718939.291158-12511.028058-13257.166627635.667094P826246.825668-918.226411-5165.342142383.670428,GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算,任意时刻t卫星位置的计算原理：插值法方法：拉格朗日插值法等,GPS卫星位置的计算-根据精密星历计算卫星位置,全球定位系统的组成及信号结构GPS卫星信号结构GPS卫星位置的计算,GPS原理及其应用(五),第三章GPS定位中的误差源,3.1概述3.2钟误差3.3相对论效应,3.1概述,GPS测量定位的误差源概述,与卫星有关的误差卫星轨道误差卫星钟差相对论效应与传播途径有关的误差电离层延迟对流层延迟多路径效应与接收设备有关的误差接收机天线相位中心的偏移和变化接收机钟差接收机内部噪声,GPS测量误差的来源,GPS测量定位的误差源概述GPS测量误差的来源,GPS测量误差的性质,偶然误差内容卫星信号发生部分的随机噪声接收机信号接收处理部分的随机噪声其它外部某些具有随机特征的影响特点随机量级小毫米级,GPS测量定位的误差源概述GPS测量误差的性质,GPS测量误差的性质,系统误差（偏差-Bias）内容其它具有某种系统性特征的误差特点具有某种系统性特征量级大最大可达数百米,GPS测量定位的误差源概述GPS测量误差的性质,GPS测量误差的大小,SPS（无SA）,GPS测量定位的误差源概述GPS测量误差的大小,GPS测量误差的大小,SPS（有SA）,GPS测量定位的误差源概述GPS测量误差的大小,GPS测量误差的大小,PPS，双频，P/Y-码,GPS测量定位的误差源概述GPS测量误差的大小,消除或消弱各种误差影响的方法,模型改正法原理：利用模型计算出误差影响的大小，直接对观测值进行修正适用情况：对误差的特性、机制及产生原因有较深刻了解，能建立理论或经验公式所针对的误差源相对论效应电离层延迟对流层延迟卫星钟差限制：有些误差难以模型化,GPS测量定位的误差源概述消除或消弱各种误差影响的方法,消除或消弱各种误差影响的方法,求差法原理：通过观测值间一定方式的相互求差，消去或消弱求差观测值中所包含的相同或相似的误差影响适用情况：误差具有较强的空间、时间或其它类型的相关性。所针对的误差源电离层延迟对流层延迟卫星轨道误差限制：空间相关性将随着测站间距离的增加而减弱,GPS测量定位的误差源概述消除或消弱各种误差影响的方法,消除或消弱各种误差影响的方法,参数法原理：采用参数估计的方法，将系统性偏差求定出来适用情况：几乎适用于任何的情况限制：不能同时将所有影响均作为参数来估计,GPS测量定位的误差源概述消除或消弱各种误差影响的方法,消除或消弱各种误差影响的方法,回避法原理：选择合适的观测地点，避开易产生误差的环境；采用特殊的观测方法；采用特殊的硬件设备，消除或减弱误差的影响适用情况：对误差产生的条件及原因有所了解；具有特殊的设备。所针对的误差源电磁波干扰多路径效应限制：无法完全避免误差的影响，具有一定的盲目性,GPS测量定位的误差源概述消除或消弱各种误差影响的方法,3.2钟误差,卫星钟差,定义物理同步误差数学同步误差应对方法模型改正钟差改正多项式其中a0为ts时刻的时钟偏差，a1为钟的漂移，a2为老化率。相对定位或差分定位,GPS测量定位的误差源概述卫星钟差,接收机钟差,定义GPS接收机一般采用石英钟，接收机钟与理想的GPS时之间存在的偏差和漂移。应对方法作为未知数处理相对定位或差分定位,GPS测量定位的误差源概述接收机钟差,3.3相对论效应,狭义相对论效应广义相对论效应,3.3相对论效应,GPS测量定位的误差源相对论效应,狭义相对论和广义相对论,狭义相对论1905运动将使时间、空间和物质的质量发生变化广义相对论1915将相对论与引力论进行了统一,GPS测量定位的误差源相对论效应狭义相对论和广义相对论,相对论效应对卫星钟的影响,狭义相对论原理：时间膨胀。钟的频率与其运动速度有关。对GPS卫星钟的影响：结论：在狭义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变慢,GPS测量定位的误差源相对论效应相对论效应对卫星钟的影响,相对论效应对卫星钟的影响,广义相对论原理：钟的频率与其所处的重力位有关对GPS卫星钟的影响：结论：在广义相对论效应作用下，卫星上钟的频率将变快,GPS测量定位的误差源相对论效应相对论效应对卫星钟的影响,相对论效应对卫星钟的影响,相对论效应对卫星钟的影响狭义相对论广义相对论,令：,GPS测量定位的误差源相对论效应相对论效应对卫星钟的影响,解决相对论效应对卫星钟影响的方法,方法（分两步）：首先考虑假定卫星轨道为圆轨道的情况；然后考虑卫星轨道为椭圆轨道的情况。第一步：第二步：,GPS测量定位的误差源相对论效应解决方法,GPS原理及其应用(六),第三章GPS定位中的误差源,3.4卫星星历误差3.5电离层延迟,3.4卫星星历误差,3.4卫星星历（轨道）误差,定义由卫星星历给出的卫星在空间的位置与卫星的实际位置之差称为卫星星历误差。,广播星历（预报星历）的精度(无SA)2030米(有SA)100米精密星历（后处理星历）的精度可达1厘米应对方法精密定轨(后处理)相对定位或差分定位,GPS测量定位的误差源卫星星历（轨道）误差,星历误差对单点定位的影响星历误差对单点定位的影响主要取决于卫星到接收机的距离以及用于定位或导航的GPS卫星与接收机构成的几何图形星历误差对相对定位的影响,GPS测量定位的误差源卫星星历（轨道）误差,3.5电离层延迟,3.5电离层延迟,GPS测量定位的误差源电离层延迟,地球大气结构,地球大气层的结构,GPS测量定位的误差源电离层延迟地球大气结构,大气折射效应,大气折射信号在穿过大气时，速度将发生变化，传播路径也将发生弯曲。也称大气延迟。在GPS测量定位中，通常仅考虑信号传播速度的变化。色散介质与非色散介质色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应也不同非色散介质：对不同频率的信号，所产生的折射效应相同对GPS信号来说，电离层是色散介质，对流层是非色散介质,GPS测量定位的误差源电离层延迟大气折射效应,相速与群速,相速群速相速与群速的关系相折射率与群折射率的关系,GPS测量定位的误差源电离层延迟相速与群速,相速与群速,GPS测量定位的误差源电离层延迟相速与群速,电离层折射,GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层折射,电离层折射,GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层折射,电子密度与总电子含量,电子密度与总电子含量电子密度：单位体积中所包含的电子数。总电子含量（TECTotalElectronContent）：底面积为一个单位面积时沿信号传播路径贯穿整个电离层的一个柱体内所含的电子总数。,GPS测量定位的误差源电离层延迟电子密度与总电子含量,电子密度与大气高度的关系,GPS测量定位的误差源电离层延迟电子密度与大气高度的关系,电子含量与地方时的关系,GPS测量定位的误差源电离层延迟电子含量与地方时的关系,电子含量与太阳活动情况的关系,与太阳活动密切相关，太阳活动剧烈时，电子含量增加太阳活动周期约为11年,1700年1995年太阳黑子数,GPS测量定位的误差源电离层延迟电子含量与太阳活动情况的关系,电子含量与地理位置的关系,2002.5.151:0023:002小时间隔全球TEC分布,GPS测量定位的误差源电离层延迟电子含量与地理位置的关系,常用电离层延迟改正方法分类,经验模型改正方法：根据以往观测结果所建立的模型改正效果：差双频改正方法：利用双频观测值直接计算出延迟改正或组成无电离层延迟的组合观测量效果：改正效果最好实测模型改正方法：利用实际观测所得到的离散的电离层延迟（或电子含量），建立模型（如内插）效果：改正效果较好,GPS测量定位的误差源电离层延迟常用电离层延迟改正方法分类,电离层改正的经验模型简介,Bent模型由美国的R.B.Bent提出描述电子密度是经纬度、时间、季节和太阳辐射流量的函数国际参考电离层模型（IRIInternationalReferenceIonosphere）由国际无线电科学联盟（URSIInternationalUnionofRadioScience）和空间研究委员会（COSPAR-CommitteeonSpaceResearch）提出描述高度为50km-2000km的区间内电子密度、电子温度、电离层温度、电离层的成分等以地点、时间、日期等为参数,GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层改正的经验模型简介,电离层改正的经验模型简介,Klobuchar模型由美国的J.A.Klobuchar提出描述电离层的时延广泛地用于GPS导航定位中GPS卫星的导航电文中播发其模型参数供用户使用,GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层改正的经验模型简介,Klobuchar模型,中心电离层,中心电离层,GPS测量定位的误差源电离层延迟Klobuchar模型,Klobuchar模型,模型算法,GPS测量定位的误差源电离层延迟Klobuchar模型,Klobuchar模型,模型算法（续）改正效果：可改正60左右,GPS测量定位的误差源电离层延迟Klobuchar模型,电离层延迟的双频改正,GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层延迟的双频改正,电离层延迟的实测模型改正,基本思想利用基准站的双频观测数据计算电离层延迟利用所得到的电离层延迟量建立局部或全球的的TEC实测模型类型局部模型适用于局部区域全球模型适用于全球区域,GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层延迟的实测模型改正,电离层延迟的实测模型改正,局部（区域性）的实测模型改正方法适用范围：局部地区的电离层延迟改正,GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层延迟的实测模型改正,电离层延迟的实测模型改正,全球（大范围）的实测模型改正方法适用范围：用于大范围和全球的电离层延迟改正格网化的电离层延迟改正模型,GPS测量定位的误差源电离层延迟电离层延迟的实测模型改正,GPS原理及其应用(七),第三章GPS定位中的误差源,3.6对流层延迟3.7多路径误差3.8其他误差改正,3.6对流层延迟,3.6对流层延迟,GPS测量定位的误差源对流层延迟,对流层（Troposphere）,GPS测量定位的误差源对流层延迟对流层,对流层延迟,GPS测量定位的误差源对流层延迟对流层延迟,对流层的色散效应,对流层的色散效应折射率与信号波长的关系对流层对不同波长的波的折射效应结论对于GPS卫星所发送的电磁波信号，对流层不具有色散效应,GPS测量定位的误差源对流层延迟对流层的色散效应,大气折射率N与气象元素的关系,大气折射率N与温度、气压和湿度的关系Smith和Weintranb，1954对流层延迟与大气折射率N,GPS测量定位的误差源对流层延迟大气折射率N与气象元素的关系,霍普菲尔德（Hopfield）改正模型,出发点导出折射率与高度的关系沿高度进行积分，导出垂直方向上的延迟通过投影（映射）函数，得出信号方向上的延迟,GPS测量定位的误差源对流层延迟霍普菲尔德（Hopfield）改正模型,霍普菲尔德（Hopfield）改正模型,对流层折射模型,GPS测量定位的误差源对流层延迟霍普菲尔德（Hopfield）改正模型,霍普菲尔德（Hopfield）改正模型,投影函数的修正,GPS测量定位的误差源对流层延迟霍普菲尔德（Hopfield）改正模型,萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型,原始模型,GPS测量定位的误差源对流层延迟萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型,萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型,拟合后的公式,GPS测量定位的误差源对流层延迟萨斯塔莫宁（Saastamoinen）改正模型,勃兰克（Black）改正模型,GPS测量定位的误差源对流层延迟勃兰克（Black）改正模型,对流层改正模型综述,不同模型所算出的高度角30以上方向的延迟差异不大Black模型可以看作是Hopfield模型的修正形式Saastamoinen模型与Hopfield模型的差异要大于Black模型与Hopfield模型的差异,GPS测量定位的误差源对流层延迟对流层改正模型综述,气象元素的测定,气象元素干温、湿温、气压干温、相对湿度、气压测定方法普通仪器：通风干湿温度表、空盒气压计自动化的电子仪器,GPS测量定位的误差源对流层延迟气象元素的测定,气象元素的测定,水气压es的计算方法由相对湿度RH计算由干温、湿温和气压计算,GPS测量定位的误差源对流层延迟气象元素的测定,对流层模型改正的误差分析,模型误差模型本身的误差气象元素误差量测误差仪器误差读数误差测站气象元素的代表性误差实际大气状态与大气模型间的差异,GPS测量定位的误差源对流层延迟对流层模型改正的误差分析,3.7多路径误差,3.7多路径误差,GPS测量定位的误差源多路径误差,多路径误差与多路径效应,多路径（Multipath）误差在GPS测量中，被测站附近的物体所反射的卫星信号（反射波）被接收机天线所接收，与直接来自卫星的信号（直接波）产生干涉，从而使观测值偏离真值产生所谓的“多路径误差”。多路径效应由于多路径的信号传播所引起的干涉时延效应称为多路径效应。,GPS测量定位的误差源多路径误差多路径误差与多路径效应,反射波,反射波的几何特性反射波的物理特性反射系数a极化特性GPS信号为右旋极化反射信号为左旋极化,GPS测量定位的误差源多路径误差反射波,多路径误差,受多路径效应影响的情况下的接收信号,GPS测量定位的误差源多路径误差多路径误差,多路径误差,GPS测量定位的误差源多路径误差多路径误差,多路径误差,多路径的数值特性受多个反射信号影响的情况,GPS测量定位的误差源多路径误差多路径误差,多路径误差的特点,与测站环境有关与反射体性质有关与接收机结构、性能有关,GPS测量定位的误差源多路径误差多路径误差的特点,应对多路径误差的方法,观测上选择合适的测站，避开易产生多路径的环境,GPS测量定位的误差源多路径误差应对多路径误差的方法,易发生多路径的环境,应对多路径误差的方法,硬件上采用抗多路径误差的仪器设备抗多路径的天线：带抑径板或抑径圈的天线，极化天线抗多路径的接收机：窄相关技术MEDLL(MultipathEstimatingDelayLockLoop)等,GPS测量定位的误差源多路径误差应对多路径误差的方法,抗多路径效应的天线,应对多路径误差的方法,数据处理上加权参数法滤波法信号分析法,GPS测量定位的误差源多路径误差应对多路径误差的方法,3.8其他误差改正,引力延迟地球自转改正地球潮汐改正接收机的位置误差天线相位中心偏差,地球自转改正,GPS测量定位的误差源其他误差改正地球自转改正,GPS测量定位的误差源其他误差改正地球自转改正,接收机的位置误差,定义接收机天线的相位中心相对测站标石中心位置的偏差。应对方法正确的对中整平采用强制对中装置（变形监测时）,GPS测量定位的误差源其他误差改正接收机的位置误差,天线相位中心偏差改正,卫星天线相位中心偏差改正接收机天线相位中心变化的改正GPS测量和定位时是以接收机天线的相位中心位置为准的，天线的相位中心与其几何中心理论上应保持一致。可是接收机天线接收到的GPS信号是来自四面八方，随着GPS信号方位和高度角的变化，接收机天线的相位中心的位置也在发生变化。,GPS测量定位的误差源其他误差改正天线相位中心偏差改正,天线相位中心偏差改正,应对方法使用相同类型的天线并进行天线定向（限于相对定位）模型改正,GPS测量定位的误差源其他误差改正天线相位中心偏差改正,GPS原理及其应用(八),第四章距离测量与GPS定位,4.1利用测距码测定卫地距,4.1利用测距码测定卫地距,GPS定位的基本原理,需解决的两个关键问题如何确定卫星的位置如何测量出站星距离,？,测距方法,双程测距用于电磁波测距仪单程测距用于GPS,距离测量与GPS定位利用测距码测定卫地距测距方法,测距码,C/A码（测距时有模糊度）,P码,距离测量与GPS定位利用测距码测定卫地距测距码,测距码测距原理,距离测定的基本思路信号（测距码）传播时间的测定,信号传播时间的测定,距离测量与GPS定位利用测距码测定卫地距测距码测距原理,测距码测距原理,利用测距码测距的必要条件必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点采用的是CDMA（码分多址）技术易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度便于对系统进行控制和管理（如AS）,每颗GPS卫星都采用特定的伪随机噪声码,微弱信号的捕获,距离测量与GPS定位利用测距码测定卫地距测距码测距原理,Z跟踪技术,ASP码+W码Y码W码的码元宽度比Y码大几十倍Z跟踪技术原理将相关间隔（积分间隔）限定在一个W码码元内,距离测量与GPS定位利用测距码测定卫地距Z跟踪技术,伪距测量的特点,优点无模糊度缺点精度低,距离测量与GPS定位利用测距码测定卫地距伪距测量的特点,GPS测量的基本观测方程,距离测量与GPS定位利用测距码测定卫地距GPS测量的基本观测方程,测距码测距的观测方程,距离测量与GPS定位利用测距码测定卫地距测