全球卫星定位系统(第一次)

1、1 l第一章第一章 绪论绪论 l第二章第二章 GPSGPS系统及其信号系统及其信号 l第三章第三章 GPSGPS的坐标系统与定位中的误差源的坐标系统与定位中的误差源 l第四章第四章 卫星运动基础及卫星运动基础及GPSGPS卫星星历卫星星历 l第五章第五章 GPS GPS静态定位基础静态定位基础 l第六章第六章 GPSGPS动态测量原理动态测量原理 l第七章第七章 GPSGPS动态测量原理动态测量原理 l第八章第八章 GPS GPS测量的设计与实施测量的设计与实施 2 l早期的卫星定位技术早期的卫星定位技术将卫星作为空间观测目标将卫星作为空间观测目标 建立卫星三角网建立卫星三角网 建立卫星测距网

2、建立卫星测距网解决联测定位问题解决联测定位问题 缺点：受卫星可见条件及天气影响，费时费力、定位精度低缺点：受卫星可见条件及天气影响，费时费力、定位精度低 l第一代卫星导航系统第一代卫星导航系统开始了卫星多普勒定位、测速的时代开始了卫星多普勒定位、测速的时代 子午卫星导航系统（子午卫星导航系统（NNSSNNSS）6 6颗工作卫星颗工作卫星 l经济快速经济快速 l精度均匀精度均匀 l不受天气和时间的限制不受天气和时间的限制 CICADACICADA导航系统导航系统1212颗宇宙卫星颗宇宙卫星 l双频发送：双频发送：150MHZ150MHZ、400MHZ400MHZ 第一代卫星导航系统的局限性第一代

3、卫星导航系统的局限性 l卫星少，不能实时定位卫星少，不能实时定位 l轨道低，难以精确定轨轨道低，难以精确定轨1070km1070km（低轨卫星）（低轨卫星） l频率低，难以补偿电离层效应的影响频率低，难以补偿电离层效应的影响 3 l第二代卫星导航系统第二代卫星导航系统 1.GPS1.GPS卫星全球定位系统卫星全球定位系统(NAVSTAR/GPS)(NAVSTAR/GPS)：卫星测时测距导航：卫星测时测距导航/ / 全球定位系统全球定位系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，是以卫星为基础的无线电导航定位系统， 具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定具有全能性、全球性、全天候、连续

4、性和实时性的导航、定 位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度 和时间。和时间。 三大研究阶段三大研究阶段 l方案论证阶段（方案论证阶段（1974-19781974-1978年）：发射年）：发射1111颗颗BLOCK IBLOCK I试验卫试验卫 星星 l系统论正阶段（系统论正阶段（1979-19871979-1987年）年） l生产实验究段（生产实验究段（1988-19931988-1993年）：发射年）：发射2828颗颗BLOCK IIBLOCK II以及以及 BLOCK II A BLOCK II A 工作卫星工作卫星 l9

5、090年代末，发射年代末，发射2020颗颗BLOCK II RBLOCK II R卫星，改进卫星，改进GPSGPS系统系统 GPSGPS系统的优点系统的优点 21+3 21+3颗卫星，颗卫星，6 6个轨道面个轨道面 GPSGPS系统的应用前景系统的应用前景 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( (查资料查资料) ) 4 2.GLONASS2.GLONASS全球卫星导航系统全球卫星导航系统 卫星系统的组成卫星系统的组成 l2.1 2.1 卫星星座：卫星星座：2121颗工作卫星颗工作卫星+3+3颗在轨备用卫星；三个等颗在轨备用卫星；三个等 间隔椭圆轨道，轨道面夹角

6、间隔椭圆轨道，轨道面夹角120120度度 发射两种载波信号：发射两种载波信号：f f1 1:1.602-1.616GHZ,(:1.602-1.616GHZ,(民用民用) ) f f2 2:1.246GHZ-1.256GHZ :1.246GHZ-1.256GHZ （军用）（军用） 具有可变的射电频率：每颗卫星具有不同的射电频率具有可变的射电频率：每颗卫星具有不同的射电频率 l2.2 2.2 地面控制地面控制 地面控制站组（地面控制站组（GCSGCS）: :系统控制中心、指令跟踪站系统控制中心、指令跟踪站 （CTSCTS） l2.302.30用户设备：用户设备：GLONASSGLONASS信号接受

7、机信号接受机 俄罗斯联邦政府对俄罗斯联邦政府对GLONASSGLONASS系统的使用政策？系统的使用政策？ 3.NAVSAT3.NAVSAT导航卫星系统导航卫星系统( (西欧欧洲空间局西欧欧洲空间局ESA)ESA)民用系统民用系统 卫星星座卫星星座;6;6颗地球同步卫星（颗地球同步卫星（GEOGEO）+12+12颗高椭圆轨道卫星颗高椭圆轨道卫星 （HEOHEO） 5 l卫星系统卫星系统 GLONASS GPS NAVSAT l卫星颗数（颗）卫星颗数（颗） 21+3 21+3 12+6 l轨道面数（个）轨道面数（个） 3 6 7 l轨道倾角（度）轨道倾角（度） 64.8 55 63.45 l平均

8、高度（平均高度（KM） 19100 20200 20178 l周周 期（期（HM） 11h15m 11h58m 11h58m l卫星射电频率卫星射电频率1 1602-1616 MHZ 1575.42 MHZ 1561-1569 MHZ l卫星射电频率卫星射电频率2 1246-1256MHZ 1227.6 MHZ 1224-1232MHZ lC/A码频率码频率 511KHZ 1.023MHZ 3.937MHZ lC/A码码长码码长 511bit 1023bit 3937bit l 三种卫星系统的比较三种卫星系统的比较 6 l主动式卫星导航系统主动式卫星导航系统 被动测距原理、被动定位（被动测距原

9、理、被动定位（GPSGPS、GLONASSGLONASS、NAVSATNAVSAT）p14p14，P7P7， P23P23下下 主动测距原理、主动定位主动测距原理、主动定位p14p14，P41P41 l卫星激光测距技术卫星激光测距技术 l基本的测距原理基本的测距原理 lGEOSTARGEOSTAR卫星导航通信系统卫星导航通信系统 其它的卫星定位系统其它的卫星定位系统 INMARSATINMARSAT系统：由国际移动卫星组织（原国际海事卫星组织）筹建系统：由国际移动卫星组织（原国际海事卫星组织）筹建 主要功能：全球通讯服务主要功能：全球通讯服务 GNSS GNSS系统：由国际民航组织（系统：由国

10、际民航组织（ICAOICAO）提出，该系统是一个全球性）提出，该系统是一个全球性 的位置和时间的测定系统的位置和时间的测定系统 主要功能主要功能: :导航定位、移动通信导航定位、移动通信 GPSGPS全球大地测量全球大地测量 7 P:P:刘基余编著刘基余编著. . GPSGPS卫星卫星 导航定位原理与方法导航定位原理与方法. .科科 学出版社学出版社.2008.2008年年6 6月第月第2 2版版. . p: p: 刘基余等编著刘基余等编著. . 全球全球 定位系统原理及其应用定位系统原理及其应用. . 测绘出版社测绘出版社.1993.1993年年1010月第月第1 1 版版. . 8 lGP

11、SGPS卫星全球定位系统的系统组成卫星全球定位系统的系统组成 l1 1 GPSGPS卫星星座（空间部分）卫星星座（空间部分）:21+3:21+3颗卫星颗卫星 GPSGPS卫星编号：卫星编号：PRNPRN编号（伪随机噪声码）编号（伪随机噪声码） GPSGPS卫星分步入轨及轨道特点：卫星分步入轨及轨道特点：初始轨道初始轨道转移轨转移轨 道道工作轨道，两万公里高空的工作轨道，两万公里高空的圆形圆形轨道轨道 高精度的时钟高精度的时钟 定位星座定位星座为了解算测站的三维坐标，必须观测的为了解算测站的三维坐标，必须观测的 4 4颗颗GPSGPS卫星卫星 间隙期：定位星座几何结构的优劣间隙期：定位星座几何结

12、构的优劣 9 l2 2 地面监控系统（地面控制部分）地面监控系统（地面控制部分） 地面监控系统的构成地面监控系统的构成 一个主控站：位于美国科罗拉多，以大型计算机为一个主控站：位于美国科罗拉多，以大型计算机为 主体的监控系统主体的监控系统 三个注入站：大西洋阿森松三个注入站：大西洋阿森松, ,印度洋狄哥印度洋狄哥. .伽西亚伽西亚, , 太平洋卡瓦加兰太平洋卡瓦加兰 五个监测站：五个监测站：4+4+夏威夷夏威夷 p2p23 3 10 l3 3 GPSGPS信号接收机（用户设备部分）信号接收机（用户设备部分） 静态定位和动态定位静态定位和动态定位 静态定位静态定位: :跟踪过程中用户天线固定不变

13、，高精度跟踪过程中用户天线固定不变，高精度 测量信号传播时间测量信号传播时间多于观测量大、可靠性强、多于观测量大、可靠性强、 定位精度高定位精度高 动态定位：接收测定运动物体的运行轨迹动态定位：接收测定运动物体的运行轨迹 11 GPSGPS接收机的分类接收机的分类 按按用途用途分类：分类： l导航型：导航型： l测地型接收机：测地型接收机： l授时型接收机授时型接收机: : 按接收机的按接收机的载波频率载波频率分类分类; ; l单频接收机：单频接收机： l双频接收机：双频接收机： l按应用场合分类：按应用场合分类： 12 GPSGPS接收机的组成和工作原理接收机的组成和工作原理 l天线单元天线

14、单元 接收机天线（接收前端）：全向振子天线、小型螺接收机天线（接收前端）：全向振子天线、小型螺 旋天线、微带天线、锥形天线旋天线、微带天线、锥形天线将将GPSGPS卫星信号卫星信号 的极微弱的电磁波能转化为相应的电流。的极微弱的电磁波能转化为相应的电流。 前置放大器前置放大器: :将将GPSGPS信号电流予以放大信号电流予以放大 l接收机主机单元接收机主机单元 l电源电源蓄电池蓄电池 lGPSGPS数据测后处理软件包数据测后处理软件包 13 lGPSGPS卫星的导航电文卫星的导航电文（卫星电文）：是用户用来定位和（卫星电文）：是用户用来定位和 导航的数据基础。以二进制的形式，按规定格式组成，导

15、航的数据基础。以二进制的形式，按规定格式组成， 按帧向外传播。因而卫星电文也叫数据码（按帧向外传播。因而卫星电文也叫数据码（D D码）。码）。 l导航电文的结构（见图导航电文的结构（见图2-62-6）P26P26 l导航电文的主要内容导航电文的主要内容 l第一数据块：第一子帧的第第一数据块：第一子帧的第3-103-10字码字码 l第二数据块：包括第二和第三子帧，表示第二数据块：包括第二和第三子帧，表示GPSGPS卫星的星卫星的星 历历 l第三数据块：包括第四和第五子帧，提供第三数据块：包括第四和第五子帧，提供GPSGPS卫星的历卫星的历 书数据，是第一和第二数据块的简略形式。书数据，是第一和第

16、二数据块的简略形式。 14 lGPSGPS卫星信号卫星信号是是GPSGPS卫星向广大用户发送的用于导卫星向广大用户发送的用于导 航定位的已调波，其在播处于航定位的已调波，其在播处于L L波段，调制波是波段，调制波是卫星电卫星电 文（不归零的二进制码组成的编码脉冲串文（不归零的二进制码组成的编码脉冲串 D D码）码）和和伪伪 随机噪声码（随机噪声码（PRNPRN码）码）的组合码。的组合码。 l数据码的二级调制（扩频）数据码的二级调制（扩频）：有效地进行低码率导航：有效地进行低码率导航 电文的传送，达到节省卫星电能，增强电文的传送，达到节省卫星电能，增强GPSGPS信号的抗干信号的抗干 扰性，实现

17、保密的信息传送的目的。扰性，实现保密的信息传送的目的。 l伪噪声码的产生及特性伪噪声码的产生及特性 l伪噪声码的表现形式：波形信号伪噪声码的表现形式：波形信号x(t)x(t)和信号序列和信号序列xx l码元宽度、时间周期、长度周期码元宽度、时间周期、长度周期 15 l伪随机噪声码的产生伪随机噪声码的产生 lGPSGPS卫星所用的伪噪声码是一种卫星所用的伪噪声码是一种M M序列，产生于最常线序列，产生于最常线 性移位寄存器（抽头式反馈移存器），由性移位寄存器（抽头式反馈移存器），由4 4级级D D触发器触发器 构成。构成。 lM M序列的特点序列的特点 l复合伪噪声码复合伪噪声码: :由两个以上

18、的周期较短的伪噪声码构成，由两个以上的周期较短的伪噪声码构成， 可单值地测量可单值地测量450m450m以上的远距离以上的远距离 lGPSGPS卫星采用伪噪声码的目的卫星采用伪噪声码的目的 传送导航电文传送导航电文 用作测距信号用作测距信号 识别不同的卫星识别不同的卫星 16 lC/AC/A码：用于码：用于粗测距和捕获粗测距和捕获GPSGPS卫星信号卫星信号的伪随机码，的伪随机码， 是由两个是由两个1010级反馈移位寄存器构成的级反馈移位寄存器构成的G G码产生的。根据码产生的。根据 相位平移的不同，共可产生相位平移的不同，共可产生10251025种结果不同的种结果不同的C/AC/A码，码，

19、这些这些C/AC/A码具有相同的码长、码元宽度和相同的周期。码具有相同的码长、码元宽度和相同的周期。 lP P码：是卫星的精测码，用于卫星的码：是卫星的精测码，用于卫星的精密测距精密测距。 lGPSGPS信号的鉴别信号的鉴别 lGPSGPS工作卫星的工作卫星的SASA技术技术 17 l卫星定位中常采用的是空间直角坐标系及其相应的大地坐标系，卫星定位中常采用的是空间直角坐标系及其相应的大地坐标系， 一般以地球质心为坐标系的原点。按坐标轴的指向不同，可分为一般以地球质心为坐标系的原点。按坐标轴的指向不同，可分为: 地球坐标系：地球坐标系：随地球自转，便于描述地面观测站的位置随地球自转，便于描述地面

20、观测站的位置 天球坐标系：天球坐标系：与地球自转无关，便于描述人造地球卫星的位与地球自转无关，便于描述人造地球卫星的位 置。置。 球面坐标系与直角坐标系的关系球面坐标系与直角坐标系的关系 大地坐标系与直角坐标系的关系大地坐标系与直角坐标系的关系 站心赤道直角坐标系站心赤道直角坐标系 站心地平直角坐标系站心地平直角坐标系 WGS-84大地坐标系与我国的坐标系统大地坐标系与我国的坐标系统 GPS定位成果属于定位成果属于WGS-84大地坐标系，即卫星星历是以大地坐标系，即卫星星历是以 WGS-84坐标系为坐标框架的。坐标系为坐标框架的。 18 3.1 概述概述 3.2 钟误差钟误差 3.3 相对论效

21、应相对论效应 3.4 卫星星历误差卫星星历误差 3.5 电离层延迟电离层延迟 19 l概述概述人造地球卫星绕地球的运动状态取决于它所人造地球卫星绕地球的运动状态取决于它所 受到的各种作用力。这些作用力主要由：地球对卫星受到的各种作用力。这些作用力主要由：地球对卫星 的引力、太阳、月亮对地球的引力、大气阻力、太阳的引力、太阳、月亮对地球的引力、大气阻力、太阳 光压、地球潮汐力等。在这些作用中，光压、地球潮汐力等。在这些作用中，地球引力地球引力是主是主 要的。要的。 l通常将卫星受到的作用力分为：通常将卫星受到的作用力分为：中心引力中心引力和和摄动力摄动力两两 大类大类 l卫星的无摄运动（二体问题

22、）：卫星只受地心引力的卫星的无摄运动（二体问题）：卫星只受地心引力的 作用，忽略所用摄动力作用，忽略所用摄动力 开普勒六轨道参数开普勒六轨道参数（常数）（常数） 20 l二体问题的运动方程二体问题的运动方程 l卫星的受摄运动（卫星的精密定轨）卫星的受摄运动（卫星的精密定轨）考虑了摄考虑了摄 动力作用的卫星运动动力作用的卫星运动 瞬时轨道根数：卫星在地球质心引力和各种摄动瞬时轨道根数：卫星在地球质心引力和各种摄动 力总的影响下的轨道根数，卫星运动的真实轨道力总的影响下的轨道根数，卫星运动的真实轨道 称为卫星的摄动轨道或瞬时轨道称为卫星的摄动轨道或瞬时轨道 各种作用力的特性及其影响各种作用力的特性

23、及其影响 21 地球引力：地球引力：地球质心引力和地球引力场摄动力（由于地球形状不规地球质心引力和地球引力场摄动力（由于地球形状不规 则及其质量不均匀而引起的），可建立函数则及其质量不均匀而引起的），可建立函数U U（r,r,）来表示地来表示地 球外部空间一个质点所受的作用力：球外部空间一个质点所受的作用力： U U（r,r,）=G=GM M/r + R /r + R （G GM M/r/r是正常引力位，是正常引力位，R R为慑动伪函数）为慑动伪函数） 日、月引力：日、月引力：在五天弧段对卫星伪值的影响可达在五天弧段对卫星伪值的影响可达1-3KM1-3KM F Fs s+F+Fm m=GM=G

24、Ms s(r(rs s-r)/|r-r)/|rs s-r|-r|3 3-r-rs s/|r|/|r|3 3+GM+GMm m(r(rm m-r)/|r-r)/|rm m-r|-r|3 3-r-rm m/|r|/|r|3 3 太阳辐射光压：太阳辐射光压：在五天弧段对卫星伪值的影响可达在五天弧段对卫星伪值的影响可达1 1千米千米 F Fp p=K=Kp pSrSrs so o 22 地球潮汐力的影响地球潮汐力的影响：在五天弧段对卫星伪值的影响可达：在五天弧段对卫星伪值的影响可达1 1米米 大气阻力：大气阻力：忽略不计忽略不计 lGPSGPS卫星星历卫星星历 预报星历预报星历（广播星历）（广播星历）

25、 参考星历参考星历 广播星历共广播星历共1616个参数，其中个参数，其中1 1个参考时刻，个参考时刻，6 6个对应参考时刻个对应参考时刻 的开普勒轨道根数和的开普勒轨道根数和9 9个反映摄动力影响的参数个反映摄动力影响的参数 lt toe oe星历表参考历元（秒）：是从星期日子夜零时开始 星历表参考历元（秒）：是从星期日子夜零时开始 计算的参考时刻计算的参考时刻 lIODEIODE数据龄期：从数据龄期：从t toe oe时刻至为做预报星历测量的最后 时刻至为做预报星历测量的最后 观测时刻之间的时间。观测时刻之间的时间。 23 lC/AC/A码星历：精度数十米，码星历：精度数十米，1991199

26、1年实施年实施SASA技术之后，精技术之后，精 度下降到近百米。度下降到近百米。 lP P码星历：精度码星历：精度5 5米左右，主要用于军事导航，米左右，主要用于军事导航，C/AC/A码星码星 历交付民用。历交付民用。 l后处理星历后处理星历（精密星历）：不通过导航电文向用户传（精密星历）：不通过导航电文向用户传 递，而是利用磁带或通过电视、电传、卫星通讯等方递，而是利用磁带或通过电视、电传、卫星通讯等方 式有偿地为所需要的用户服务。式有偿地为所需要的用户服务。 特点：是事后向用户提供在其观测时间内的精密轨特点：是事后向用户提供在其观测时间内的精密轨 道信息。道信息。 24 l基本概念基本概念

27、 静态定位静态定位待定点相对与周围的固定点没有可察待定点相对与周围的固定点没有可察 觉到的运动，待定点在地固坐标系中的位置都可以觉到的运动，待定点在地固坐标系中的位置都可以 认为是固定不变的。可通过大量的重复观测来提高认为是固定不变的。可通过大量的重复观测来提高 定位精度，定位精度， 动态定位动态定位在一次观测期间待定点相对与周围的在一次观测期间待定点相对与周围的 固定点有可察觉到的运动或显著的运动，因而在处固定点有可察觉到的运动或显著的运动，因而在处 理该时段的观测资料时待定点的位置将随时变化。理该时段的观测资料时待定点的位置将随时变化。 单点定位单点定位独立确定待定点在坐标系中的绝对位独立

28、确定待定点在坐标系中的绝对位 置的方法，也成为绝对定位。置的方法，也成为绝对定位。 25 相对定位相对定位确定同步跟踪相同的确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的卫星信号的 若干台接收机之间的若干台接收机之间的相对位置相对位置的一种定位方法。相的一种定位方法。相 对定位的结果是个同步跟踪站之间的基线向量（对定位的结果是个同步跟踪站之间的基线向量（三三 维坐标差维坐标差），因而至少需要给出网中一点的坐标后），因而至少需要给出网中一点的坐标后 才能求出其余各点的坐标。才能求出其余各点的坐标。 GPS定位钟的三种误差：定位钟的三种误差： l多台接收机共有的误差：卫星钟误差、电离层误多台接收机共有的误差：

29、卫星钟误差、电离层误 差、对流层物差；差、对流层物差； l传播延迟误差：传播延迟误差：p128 l接收机固有的误差：内部噪声、通道延迟、多路接收机固有的误差：内部噪声、通道延迟、多路 径效应等径效应等 26 l卫星导航定位卫星导航定位 l天文定位天文定位 陆地基准无线电导航定位系统（交会法）陆地基准无线电导航定位系统（交会法） 空间基准无线电导航定位系统空间基准无线电导航定位系统卫星导航系统卫星导航系统 基本原理基本原理 伪距法定位伪距法定位 l如何进行伪距测量如何进行伪距测量基本测距原理：利用基本测距原理：利用码相关法码相关法测定测定 l用码相关法进行伪距测量得到的四点结论：用码相关法进行伪

30、距测量得到的四点结论： l伪距测量的观测方程伪距测量的观测方程 l伪距法定位的基本原理伪距法定位的基本原理 l特殊情况下的定位（参考）特殊情况下的定位（参考） 27 l载波相位测量载波相位测量 l利用载波作为测量信号的目的利用载波作为测量信号的目的提高精度提高精度 测距码波长测距码波长C/AC/A：293.65M293.65M，P P码：码：29.305M29.305M 载波波长载波波长L1L1：19CM19CM，L2L2：24CM24CM l重建载波重建载波 l基本原理基本原理 l载波相位测量的实际观测值载波相位测量的实际观测值 首次量测值首次量测值产生一个产生一个整周未知数整周未知数N N

31、0 0和不足一整和不足一整 周的部分周的部分 其余各次量测值其余各次量测值包括整波段数和不足一整波段包括整波段数和不足一整波段 的部分的部分 l从原理得出的几点结论从原理得出的几点结论 28 l整周跳变整周跳变的探测及修复的探测及修复 产生整周跳变的原因产生整周跳变的原因是由于计数器在是由于计数器在toto到到titi期期 间的累计工作产生中断引起的，丢失的是整周数，间的累计工作产生中断引起的，丢失的是整周数， 对于不足以整周的部分没有影响。对于不足以整周的部分没有影响。 l周跳的探测及修复周跳的探测及修复 屏幕扫描法屏幕扫描法早期的方法早期的方法 用高次差或多项式拟合来探测及修复周跳用高次差

32、或多项式拟合来探测及修复周跳 在卫星件求差在卫星件求差 根据平差后的残差来发现和修复周跳根据平差后的残差来发现和修复周跳 29 l整周未知数整周未知数N N0 0的确定的确定正确地确定正确地确定N N0 0是获得高精度定是获得高精度定 位结果的必要条件。位结果的必要条件。 l确定整周未知数的方法确定整周未知数的方法 伪距法伪距法在进行载波行为测量的同时进行伪距测在进行载波行为测量的同时进行伪距测 量。量。 多普勒法（三差法）多普勒法（三差法） 走走停停法（走走停停法（go and stop)go and stop) 将整周未知数当作平差中的待定参数（参考）将整周未知数当作平差中的待定参数（参考

33、） 30 l载波相位测量的线性组合载波相位测量的线性组合 l必要参数与多余参数必要参数与多余参数 l如何简化平差计算，减少工作量？如何简化平差计算，减少工作量？ l给多余参数以一定的约束给多余参数以一定的约束在多与参数之间建立起在多与参数之间建立起 一种函数关系。一种函数关系。 l求差法求差法 在接收机之间求差在接收机之间求差 在卫星之间求差在卫星之间求差 在历元之间求差在历元之间求差 l这种将直接观测指相减的过程称为求一次差，这种将直接观测指相减的过程称为求一次差，所的结所的结 果被当作虚拟观测值，称为载波相位观测值的一次差果被当作虚拟观测值，称为载波相位观测值的一次差 或单差。或单差。 3

34、1 l若对一次差的结果继续求差，为求二次差，若对一次差的结果继续求差，为求二次差，其结果称其结果称 为二次差获双差。有三种情况：为二次差获双差。有三种情况： 在接收机和卫星间求二次差在接收机和卫星间求二次差 在接收机和历元之间求二次差在接收机和历元之间求二次差 在卫星和历元之间求二次差。在卫星和历元之间求二次差。 l若对二次差的结果继续求差，称为求三次差。若对二次差的结果继续求差，称为求三次差。 32 33 l第一章第一章 绪论绪论 l第二章第二章 GPSGPS系统及其信号系统及其信号 l第三章第三章 GPSGPS的坐标系统与定位中的误差源的坐标系统与定位中的误差源 l第四章第四章 卫星运动基

35、础及卫星运动基础及GPSGPS卫星星历卫星星历 l第五章第五章 GPS GPS静态定位基础静态定位基础 l第六章第六章 GPSGPS动态测量原理动态测量原理 l第七章第七章 GPSGPS动态测量原理动态测量原理 l第八章第八章 GPS GPS测量的设计与实施测量的设计与实施 34 l差分差分GPSGPS定位目的定位目的消除公共误差，提高定位精度消除公共误差，提高定位精度 在一个测站上对两个观测目标进行观测，将观测值求差在一个测站上对两个观测目标进行观测，将观测值求差 在两个测站上对同一个目标进行观测，将观测值求差在两个测站上对同一个目标进行观测，将观测值求差 在一个测站上对一个目标进行两次观测

36、求差在一个测站上对一个目标进行两次观测求差 lGPSGPS定位中存在的误差种类定位中存在的误差种类 多台接收机共有的误差多台接收机共有的误差 传播延迟误差传播延迟误差 接收机固有的误差接收机固有的误差 l差分差分GPSGPS的类型的类型 l单站单站GPSGPS的差分的差分 35 l载波相位差分载波相位差分精度达到厘米级精度达到厘米级 l载波相位差分技术又称为载波相位差分技术又称为PTK(Real Time Kinematic)PTK(Real Time Kinematic) 技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方 法。法。 lPTKPTK技

37、术同样受到基准站到用户距离的限制，为解决这技术同样受到基准站到用户距离的限制，为解决这 个问题，发展了局部区域差分和广域差分定位技术。个问题，发展了局部区域差分和广域差分定位技术。 l局部区域局部区域GPSGPS差分系统（差分系统（LADGPSLADGPS） l基准站与用户之间有无线电数据通信链，用户与基准基准站与用户之间有无线电数据通信链，用户与基准 站之间的距离一般在站之间的距离一般在500km500km以内可获得较好的精度。以内可获得较好的精度。 36 l广域差分（广域差分（WADGPSWADGPS） l具体表现具体表现 l星历误差：星历误差：外推星历，精度外推星历，精度100m100m

38、左右，是左右，是GPSGPS定位的主定位的主 要误差来源之一。解决办法：依赖区域精密定轨，确要误差来源之一。解决办法：依赖区域精密定轨，确 定精密星历，取代广播星历。定精密星历，取代广播星历。 l大气延时误差大气延时误差（包括电离层延时和对流层延时）：建（包括电离层延时和对流层延时）：建 立精确的区域大气延时模型，能够精确地计算出其作立精确的区域大气延时模型，能够精确地计算出其作 用区域内的大气延时量。用区域内的大气延时量。 l卫星钟差误差：卫星钟差误差：考虑在考虑在SASA技术的影响下，卫星钟差的技术的影响下，卫星钟差的 随机变化。随机变化。 37 l广域差分广域差分GPSGPS系统的工作流

39、程系统的工作流程 l广域差分广域差分GPSGPS系统的特点系统的特点 WADGPSWADGPS种用户定位精度对空间距离的敏感程度比种用户定位精度对空间距离的敏感程度比 LADGPSLADGPS低得多。低得多。 监测站数量少，经济效益高监测站数量少，经济效益高 定位精度均匀分布定位精度均匀分布 覆盖区域多样覆盖区域多样 硬件设备及通信工具昂贵，软件技术复杂。硬件设备及通信工具昂贵，软件技术复杂。 38 l卫星射电干涉测量卫星射电干涉测量VLBIVLBI（参考）（参考） l甚长基线干涉测量甚长基线干涉测量 l甚长基线干涉测量技术甚长基线干涉测量技术(VLBA)(VLBA)基本原理基本原理 l利用利

40、用GPSGPS卫星作为射电源进行干涉测量的优势卫星作为射电源进行干涉测量的优势 信号强度大信号强度大 对接收设备的要求低对接收设备的要求低 价格便宜，使用方便价格便宜，使用方便 l射电干涉测量原理射电干涉测量原理 39 l本章主要目的：本章主要目的：讨论如何用讨论如何用GPSGPS信号测量动态用户天信号测量动态用户天 线的七维状态参数（三维位置、三维速度、时间）线的七维状态参数（三维位置、三维速度、时间） lGPSGPS动态定位：实时测的运动载体（动态定位：实时测的运动载体（GPSGPS信号接收机天信号接收机天 线）所在位置线）所在位置 l导航的定义（广义的动态定位）：实时位置导航的定义（广义

41、的动态定位）：实时位置+ +速度速度+ +时时 间间+ +方位，方位，引导引导运动载体准确驶向预定的后续位置。运动载体准确驶向预定的后续位置。 l短程无线电导航系统和惯性导航系统短程无线电导航系统和惯性导航系统 lGPSGPS动态定位的特点动态定位的特点 用户多样性用户多样性车辆、舰船、航空航天器车辆、舰船、航空航天器 速度多异性速度多异性低动态定位（低动态定位（0-100m/s0-100m/s）、中等动态定位）、中等动态定位 （100-1000m/s100-1000m/s）、高动态定位（）、高动态定位（1000m/s1000m/s） 40 l实时定位方法实时定位方法 单点动态定位（绝对动态定

42、位）单点动态定位（绝对动态定位）不是直接求解不是直接求解 用户位置的三维坐标，而是求各个坐标分量的修正用户位置的三维坐标，而是求各个坐标分量的修正 量。量。 伪距差分动态定位伪距差分动态定位 DGPSDGPS用两台接收基用两台接收基 于两个测站上同时量测来自相同于两个测站上同时量测来自相同GPSGPS卫星的卫星的 导航定位信号，用以联合测的动态用的精确导航定位信号，用以联合测的动态用的精确 位置。位置。 41 l后处理差分动态定位：基准点和运动载体之间不必建立无后处理差分动态定位：基准点和运动载体之间不必建立无 线电数据传输。用线电数据传输。用GPSGPS校正值对若干台校正值对若干台共视卫星用

43、户的动共视卫星用户的动 态接收机所采集的定位数据进行测后修正。态接收机所采集的定位数据进行测后修正。 动态载波相位测量动态载波相位测量 lGPSGPS卫星导航方法卫星导航方法 l导航的任务导航的任务引导航行体自起点出发，沿着预定的航线经济而引导航行体自起点出发，沿着预定的航线经济而 安全地到达目的地。安全地到达目的地。 l关于关于导航导航的一些基本概念的一些基本概念 航路点：一系列均匀分布于路径上的坐标点航路点：一系列均匀分布于路径上的坐标点 航线：依次通过若干航路点，由用户自行编辑的行进路线航线：依次通过若干航路点，由用户自行编辑的行进路线 航线方向：起始位置到目的地的方向角度航线方向：起始

44、位置到目的地的方向角度 l制导参数制导参数 待飞距离待飞距离 偏航距：偏离最初航线的距离偏航距：偏离最初航线的距离 42 方位线：两个物体或地点之间的连线方位线：两个物体或地点之间的连线 航迹角：正北方向与目标方位线之间的夹角航迹角：正北方向与目标方位线之间的夹角 偏流角：飞行器的纵轴方向和飞行方向之间的夹角偏流角：飞行器的纵轴方向和飞行方向之间的夹角 地速：飞行器在飞行方向的速度分量（沿地球表面飞行的速地速：飞行器在飞行方向的速度分量（沿地球表面飞行的速 度）度） 真航向：飞行器真实飞行方向与真北方向的夹角真航向：飞行器真实飞行方向与真北方向的夹角 lGPSGPS导航方法导航方法 GPSGP

45、S单机导航单机导航在航行体上仅配备一台在航行体上仅配备一台GPSGPS接收机，单独实接收机，单独实 时导航。时导航。 差分差分GPSGPS导航导航包括地面站和用户包括地面站和用户 l位置差分法位置差分法 l伪距差分法伪距差分法 GPS/GPS/惯性综合系统惯性综合系统 43 lGPSGPS全球定位系统的不足之处全球定位系统的不足之处 卫星星座对地球覆盖不完善，特别是在中纬度地区，卫星星座对地球覆盖不完善，特别是在中纬度地区， 存在存在间隙区间隙区 必须与天空必须与天空通视通视，否则无法接收信号，否则无法接收信号 GPSGPS接收机的工作接收机的工作受飞行器机动受飞行器机动的影响，当飞行器的影响

46、，当飞行器 的机动超过的机动超过GPSGPS接收机的动态范围时，接收机会失接收机的动态范围时，接收机会失 锁。锁。 l惯性导航系统（惯性导航系统（INSINS） lGPS/INSGPS/INS整合系统整合系统 44 GPSGPS与与INSINS的综合方式的综合方式 l松散综合松散综合 用用GPSGPS重调惯导重调惯导 l用用GPSGPS给出的位置、速度信息直接重调惯导系统给出的位置、速度信息直接重调惯导系统 的输出。的输出。 l把惯导和把惯导和GPSGPS输出的位置和速度信息进行加权平输出的位置和速度信息进行加权平 均。均。 用位置、速度信息综合用位置、速度信息综合 l紧密综合紧密综合一体化设

47、计一体化设计 45 lGPSGPS测速测速在进行在进行GPSGPS动态定位的同时，用动态定位的同时，用GPSGPS信号测信号测 得运动载体的运行速度。得运动载体的运行速度。 l多普勒测速仪的基本工作原理多普勒测速仪的基本工作原理主动式测速原理主动式测速原理 l多普勒频移多普勒频移 l差分差分GPSGPS测速测速可以消除星历对测速精度的损失，还可以消除星历对测速精度的损失，还 可以消除至少显著削弱电离层可以消除至少显著削弱电离层/ /对流层效应对测速精度对流层效应对测速精度 的损失。的损失。 lGPSGPS定时定时 以卫星为主体的其他定时技术以卫星为主体的其他定时技术 l卫星单向定时法卫星单向定

48、时法 46 l卫星双向定时法卫星双向定时法 lLASSOLASSO定时法定时法 lShuttleShuttle定时法定时法 上述四种方法定时精度较高、但设备复杂，耗资巨上述四种方法定时精度较高、但设备复杂，耗资巨 大，不利于广大用户使用。大，不利于广大用户使用。 GPSGPS卫星定时法卫星定时法 一站单机定时法一站单机定时法 共视比对定时法共视比对定时法是目前用是目前用GPSGPS信号传递时间的主要信号传递时间的主要 方法。方法。 l该方法不仅可以消除卫星钟差，而且能够消除至该方法不仅可以消除卫星钟差，而且能够消除至 少减少星历误差的影响。少减少星历误差的影响。 47 lGPS/GLONASS

49、GPS/GLONASS集成接收机及其对动态测量集成接收机及其对动态测量 的影响的影响 l什么是什么是GPS/GLONASSGPS/GLONASS集成接收机集成接收机 lGPS/GLONASSGPS/GLONASS集成接收机的优点集成接收机的优点 lGPS/GLONASSGPS/GLONASS卫星及其导航定位信号的异卫星及其导航定位信号的异 同点同点 48 lGPS/GLONASSGPS/GLONASS集成接收机研制的难点集成接收机研制的难点 l寻找接收机的寻找接收机的公共频率源公共频率源 GPSGPS卫星具有相同的两个载波频率：卫星具有相同的两个载波频率：1575.42MHZ1575.42MH

50、Z、 1227.60MHZ1227.60MHZ 每颗每颗GLONASSGLONASS卫星的载波频率不同卫星的载波频率不同 lF Fj1 j1=f =f1 1+(j-1)+(j-1)ff1 1 lF Fj2 j2=f =f2 2+(j-1)+(j-1)ff2 2 GPS/GLONASSGPS/GLONASS集成接收机最基本的要求是集成接收机最基本的要求是 l对于对于GLONASSGLONASS信号而言，需要获得信号而言，需要获得0.5625MHZ0.5625MHZ和和 0.4375MHZ0.4375MHZ的基本信号，然后通过倍频和分频的的基本信号，然后通过倍频和分频的 方法获得各颗方法获得各颗G

51、LONASSGLONASS卫星的载波。卫星的载波。 l对于对于GPSGPS信号而言，需要获得信号而言，需要获得10.23MH10.23MHZ Z的基准频的基准频 率。率。 l处理两种坐标系的处理两种坐标系的坐标差坐标差 49 l建立统一的时间尺度建立统一的时间尺度 l总结：总结：GPS/GLONASSGPS/GLONASS集成接收机需要处理集成接收机需要处理6 6种时种时 间偏差间偏差。 l解决方法：解决方法：建立建立GPSGPS和和GLONASSGLONASS时系的统一时间时系的统一时间 尺度。尺度。 50 l概述概述 l误差存在于发射源误差存在于发射源传播途径传播途径接收源的每个地接收源的

52、每个地 方，按性质可分为方，按性质可分为系统误差系统误差（偏差）和（偏差）和偶然误差偶然误差，其，其 中系统误差的危害最大。中系统误差的危害最大。 l与卫星有关的误差与卫星有关的误差 l卫星星历误差卫星星历误差 l卫星星历数据来源卫星星历数据来源 预报星历预报星历 广播星历提供广播星历提供17个星历参数，由此确定的卫星位置个星历参数，由此确定的卫星位置 的精度约为的精度约为20-40米，甚至米，甚至80米左右。米左右。 51 l实测星历实测星历 需要在观测后需要在观测后1-21-2个星期才能获得，个星期才能获得，对导航和动态对导航和动态 定位毫无意义定位毫无意义，但在静态精密定位中具有重要作用

53、。，但在静态精密定位中具有重要作用。 l星历误差对定位的影响星历误差对定位的影响 52 l解决办法解决办法 建立自己的卫星跟踪网进行独立定轨建立自己的卫星跟踪网进行独立定轨 轨道松弛法轨道松弛法将卫星星历给出的卫星位置当成未知数来处将卫星星历给出的卫星位置当成未知数来处 理，通过平差模型来求解测站位置和轨道改正数。理，通过平差模型来求解测站位置和轨道改正数。 l半短弧法半短弧法将轨道切向、径向和法向三个改正数作为未将轨道切向、径向和法向三个改正数作为未 知数。知数。 l短弧法短弧法把把6 6个轨道偏差改正数作为未知数，通过轨道个轨道偏差改正数作为未知数，通过轨道 模型来建立观测值和未知数之间的

54、关系。模型来建立观测值和未知数之间的关系。 同步观测值求差（相对定位）同步观测值求差（相对定位） lGPSGPS时间系统时间系统 时间系统与坐标系统一样，应具有其时间系统与坐标系统一样，应具有其尺度尺度（时间单位）和（时间单位）和原原 点点（历元），理论上，任何一个周期运动，只要它的运动是（历元），理论上，任何一个周期运动，只要它的运动是 连续的连续的，其周期是，其周期是恒定的恒定的，并且是，并且是可观测和用试验复现的可观测和用试验复现的， 都可作为时间尺度。都可作为时间尺度。 53 l恒星时恒星时STST（Sidereal TimeSidereal Time） 章动的影响章动的影响 真恒星时

55、和真恒星时和平平恒星时恒星时 l平太阳时平太阳时MTMT（Mean Solar TimeMean Solar Time） l世界时世界时UTUT lUT+UT+极移极移 54 l原子时原子时 ATI ATI（International Atomic TimeInternational Atomic Time） l协调世界时协调世界时UTCUTC lGPSGPS时间系统时间系统 55 l物理同步误差物理同步误差直接用卫星钟的读数与直接用卫星钟的读数与GPSGPS标准时相标准时相 比而得出的误差称为比而得出的误差称为物理同步误差。物理同步误差。 l卫星钟改正数卫星钟改正数 l数学同步误差数学同步误

56、差加上卫星钟改正数后的卫星钟读数加上卫星钟改正数后的卫星钟读数 和和GPSGPS标准时间之差称为标准时间之差称为数学同步误差。数学同步误差。 l处理接收机钟误差的方法处理接收机钟误差的方法 码相关接收机码相关接收机 无码接收机无码接收机 把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数。把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数。 认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的，设法建立一个钟认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的，设法建立一个钟 误差模型。误差模型。 通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差 56 相对论效应相对论效应 理想状况下理想状况下 狭义相对

57、论效应的影响：狭义相对论效应的影响： 广义相对论效应的影响：广义相对论效应的影响： 总的相对论效应的影响：总的相对论效应的影响： 解决方法：预先降低时钟频率解决方法：预先降低时钟频率 实际状况下实际状况下 理想状况下的相对论效应附加偏差项理想状况下的相对论效应附加偏差项 l与信号传播有关的误差与信号传播有关的误差 l电离层折射电离层折射 电子密度电子密度 与电子密度有关的因素与电子密度有关的因素 57 电子密度和高度的关系电子密度和高度的关系随着高度的增加，太阳随着高度的增加，太阳 辐射强度增强，气体电离程度增强辐射强度增强，气体电离程度增强 电子密度和地方时的关系电子密度和地方时的关系随地方

58、时的变化作周随地方时的变化作周 日变化日变化 电子含量电子含量通常指底面积为一个平方米贯穿整个通常指底面积为一个平方米贯穿整个 电离层的柱体内所含的总电子数电离层的柱体内所含的总电子数 电子密度和太阳活动程度的关系电子密度和太阳活动程度的关系太阳活动强烈太阳活动强烈 和平稳年份的电子含量相差悬殊和平稳年份的电子含量相差悬殊 电子含量的季节性变化电子含量的季节性变化 电子含量和测站位置间的关系电子含量和测站位置间的关系 l改正电离层影响的方法改正电离层影响的方法 单频接收机的电离层改正单频接收机的电离层改正 58 电离层改正模型电离层改正模型是一种经验估算公式是一种经验估算公式 l特点：把晚上的

59、电离层延迟看作一个常数。特点：把晚上的电离层延迟看作一个常数。 中心电离层中心电离层 双频改正的基本原理双频改正的基本原理 半和改正法半和改正法 l对流层折射对流层折射 59 l站址的选择站址的选择 避免邻近有大面积的平静水面避免邻近有大面积的平静水面 测站不宜选择在山坡、山谷及盆地中测站不宜选择在山坡、山谷及盆地中 尽量离开高层建筑物及汽车尽量离开高层建筑物及汽车 l对接收机的要求对接收机的要求 l与接收机有关的误差与接收机有关的误差 l接收机钟差接收机钟差(高精度的石英钟高精度的石英钟) 60 接收机的位置误差接收机的位置误差接收机天线接收机天线相位中心相位中心相对与相对与 测站测站标示中心标示中心位置的误差。包括天线的置平和对中位置的误差。包括天线的置平和对中 误差，量取天线高误差。误差，量取天线高误差。 天线相位中心位置的偏差天线相位中心位置的偏差观测时观测时相位中心的瞬相位中心的瞬 间位置间位置（一般称为相位中心）与（一般称为相位中心）与理论上的相位中心理论上的相位中心 将有不同，这种差别叫做天线相位中心的位置偏差。将有不同，这种差别叫做天线相位中心的位置偏差