刘根友 GPS测量原理与应用1 (系统简介)

1、 p第一章第一章 GPSGPS系统简介系统简介 p第二章第二章 GPSGPS定位原理定位原理 p第三章第三章 高精度高精度GPSGPS定位的各项误差改正定位的各项误差改正 p第四章第四章 GPSGPS定位技术应用定位技术应用 p第五章第五章 GPSGPS数据处理数据处理 1.1 1.1 什么是什么是GPS GPS ？ GPS是英文是英文Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System的缩写。的缩写。 是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进

2、行 高精度导航和定位的需要而建立的。高精度导航和定位的需要而建立的。 1973年计划批准，年计划批准，1978第一颗卫星发射，第一颗卫星发射，1994年系统完全建成年系统完全建成, 历时历时20年，耗资年，耗资300亿美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞机亿美元，成为继阿波罗登月计划和航天飞机 计划之后的第三项庞大空间计划。计划之后的第三项庞大空间计划。 实时提供地面和空中三维坐标，从根本上解决了人类在地球上实时提供地面和空中三维坐标，从根本上解决了人类在地球上 的导航和定位问题，给导航和定位技术带来了新的技术革命。的导航和定位问题，给导航和定位技术带来了新的技术革命。 1.2 GPS1.2 G

3、PS定位基本原理定位基本原理 测量学上的空间距离后方交会测量学上的空间距离后方交会 l平面后方距离交会平面后方距离交会 已知两点的坐标，从未知点观测两已知点的已知两点的坐标，从未知点观测两已知点的 距离，可获得待测点的坐标距离，可获得待测点的坐标 l空间后方距离交会空间后方距离交会 已知两点的坐标，从未知点观测两已知点的距已知两点的坐标，从未知点观测两已知点的距 离，可获得待测点的坐标离，可获得待测点的坐标 l卫星的坐标卫星的坐标 由广播星历计算由广播星历计算 2 3 2 3 2 3 3 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 1 zzyyxxR zzyyxxR zzyyxxR s

4、ss sss sss 1.3 1.3 系统组成系统组成 GPS系统包括三大部分：地面控制部分；空间部分；用户分。 空间部分GPS卫星星座。 由由2424颗卫星组成（包括颗卫星组成（包括3 3颗备用卫星），颗备用卫星）， 分布在分布在6 6个轨道面上，轨道倾角个轨道面上，轨道倾角5555, ,升交升交 点赤经相差点赤经相差6060，相邻轨道升交点角距相，相邻轨道升交点角距相 差差3030。近圆轨道，轨道平均高度。近圆轨道，轨道平均高度20200km20200km， 运行周期运行周期12h12h恒星时。恒星时。 保证地球上任意地点颗观测到保证地球上任意地点颗观测到4 4颗以上卫颗以上卫 星。星。

5、可采用可采用STKSTK仿真软件可设计星座方案仿真软件可设计星座方案 卫星参数：（质量、体积、相位偏心等）卫星参数：（质量、体积、相位偏心等） 第一代：第一代：Block :11Block :11颗，颗，1978-19841978-1984 第二代：第二代：Block Block ：2828颗，颗，1989-19941989-1994 第三代：第三代：Block ,Block ,R:20颗，颗，1995- 目前能够观测到的卫星数达到目前能够观测到的卫星数达到29颗颗 地面控制部分：主控站、监控站和注入站。 主控站：主控站：位于美国科罗拉多（位于美国科罗拉多（ Colorado Colorado

6、 ） 的法尔孔（的法尔孔（ Falcon Falcon ）空军基地。）空军基地。 根据各监控站对根据各监控站对 GPS GPS 的观测数据，推算的观测数据，推算 卫星星历、钟差、大气改正参数等，并将卫星星历、钟差、大气改正参数等，并将 这些数据通过注入站注入到卫星中去；这些数据通过注入站注入到卫星中去； 提供提供GPSGPS时间标准，均与主控站的原子钟时间标准，均与主控站的原子钟 同步，调度卫星。同步，调度卫星。 还具有监控站的功能。还具有监控站的功能。 监控站：监控站：主控站、夏威夷（主控站、夏威夷（ Hawaii Hawaii ）、阿）、阿 松森群岛松森群岛 （ AscencionAsce

7、ncion ）、迭哥伽西亚）、迭哥伽西亚 （ Diego Garcia Diego Garcia ）、和卡瓦加兰）、和卡瓦加兰 （ KwajaleinKwajalein ）。）。 功能：功能： 接收卫星信号，传送到主控站。接收卫星信号，传送到主控站。 注入站：注入站：阿松森群岛（阿松森群岛（ AscencionAscencion ）、迭哥）、迭哥 伽西亚（伽西亚（ Diego Garcia Diego Garcia ）、和卡瓦加兰）、和卡瓦加兰 （ KwajaleinKwajalein ）。）。 功能：向卫星注入星历，发送控制指令。功能：向卫星注入星历，发送控制指令。 用户部分：接收机 导航型

8、：导航型：GarMinGarMin, ,测码，不记录原始观测量，定位精度几十米测码，不记录原始观测量，定位精度几十米 测地型：测地型：LeicaLeica，AOA(Rogue-8000)AOA(Rogue-8000)，Trimble,TopconTrimble,Topcon（JavadJavad、 AshtechAshtech）等品牌，观测载波相位，用于大地测量、测绘）等品牌，观测载波相位，用于大地测量、测绘, , 毫米毫米精度精度. . 受时型：受时型：AOAAOA 星载型：星载型： RockwellRockwell，高度，高度18km18km，耐高低温，高动态，耐高低温，高动态, ,低轨卫

9、星定轨。低轨卫星定轨。 1.4 1.4 其它卫星导航系统其它卫星导航系统 GLONASS：前苏联（俄罗斯）：前苏联（俄罗斯） GLONASS constellation GLONASS与GPS的比较 参参 数数GLONASSNAVSTAR GPS 系统中的卫星数系统中的卫星数213213 轨道平面数轨道平面数36 轨道倾角轨道倾角64.8 55 轨道高度轨道高度19100km20180km 轨道周期（恒星时）轨道周期（恒星时）11h15min12h 卫星信号的区分卫星信号的区分FDMACDMA L1频率频率16021615MHz 频道间隔频道间隔0.5625MHz 1575MHz L2频率频率

10、12461256MHz 频道间隔频道间隔0.4375MHz 1228MHz 由于多种原因，目前运行情况不佳 伽俐略（伽俐略（Galileo） ：欧盟：欧盟 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，共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

11、能使用。 the Galileo satellite constellation altitude 23616 km SMA 29993.707 km inclination 56 degrees period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 days G G G G A AL LI I L LE EO OA AL LI I L LE EO OD D A AT TA AD D A AT TA A 27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO) Walker 27/3/1 Const

12、ellation 2005.12.28 已发射一颗试验卫星，项目推迟 北斗导航系统：中国北斗导航系统：中国 属于区域导航系统 由两颗赤道同步卫星和地面控制计算站组成。 覆盖范围有限，经费投入少，建设快。 主动定位 卫星具备通信功能，接收机将接收信号通过卫 星发给地面站，由地面站结合DEM数据，计算出 接收机位置再通知用户。具备监控高空能，用 户量有限。 l 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） 2003年备用卫星发射后（110E），可开展无源定位（被动定位） 1.5 GPS1.5 GPS限制政策限制政策 SPS与PPS SPS 标准定位服务 使用C/A码，民用，20-40m精度 PPS 精密定位服务 可使用P码，军用，5-10m精度 SA政策(可用性选择)