移动通信教案G

1、移动通信教案G第六章第三代移动通信系统 3GPPWCDMA技术的标准化工作十分规范，自1999年12月开始，每三个月更新一次。2001年3月份的版本3GPPR99是目前最为完善的版本，并与后面的版本兼容。3GPP制定的WCDMA、TD-SCDMA和3GPP2、cdma2000标准的演进策略总体上都是渐进式的，这是为了保证现有2G投资和运营商利益，有利于现有技术的平滑过渡。 6.1 3G通信概述6.1.1 3G通信的标准化进程第六章第三代移动通信系统 国际电联对第一代移动通信系统IMT-2000划分了230MHz频率，即上行频率为l8852025MHz、下行频率为21102200MHz，共230

2、MHz。其中，19802010MHz(地对空)和21702200MHz(空对地)用于移动卫星业务。在我国，根据目前的无线电频率划分，l7002300MHz频段有移动业务、固定业务和空间业务，该频段内有大量的微波通信系统和一定数量的无线电定位设备正在使用。 6.1.2 3G的频谱分配第六章第三代移动通信系统 IMT-2000在我国的频段分配如下: (1)主要工作频段频分双工(FDD)方式：19201980MHz21102170MHz。时分双工(TDD)方式：l8801920MHz20102025MHz。 (2)补充工作频率频分双工(FDD)方式：1755l785MHz18501880MHz。时分

3、双工(TDD)方式：23002400MHz，与无线定位业务共用，均为主要业务，共用标准另行制定(3)卫星移动通信系统工作作频段：19802010MHz21702200MHz。 第六章第三代移动通信系统 1. CDMA-DS（WCDMA/UTRA）IMT-2000 CDMA-DS又称宽带码分多址（Wide-band CDMA,WCDMA）。WCDMA的技术特点是：可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务；基站收发信机（Base Transceiver Station，BTS）之间可以不用全球定位系统（Global Positioning System，GPS）同步；优化的分组数据传输方式；支持不

4、同载频之间的切换；上、下行快速功率控制；反向采用导频辅助的相干检测（提高反向解调增益，提高功率控制准确率）；充分考虑了信号设计对电磁兼容的影响。 6.1.3 3G通信的关键技术第六章第三代移动通信系统 2. CDMA-MC（cdma2000）ITM2000 CDMA-MC 又称cdma2000，它是北美的朗讯、摩托罗拉、北电、Qualcomm 公司以及韩国三星等公司联合提出的基于cdma One的系统方案。3. CDMA-TDD(TD-SCDMA/UTRA-TDD)IMT-2000 CDMA-TDD目前包括低码片速率TD-SCDMA和高码片速率UTRA-TDD两个技术。TD-SCDMA是时分同

5、步码分多址，UTRA-TDD是通用陆地无线接入时分双工。TD-SCDMA是我国提出的国际标准，一定会在我国得到规模应用，而UTRA-TDD标准制定现在又处于停顿状态，所以通常提到IMT-2000 CDMA-TDD常常指TD-SCDMA。 第六章第三代移动通信系统 4. CDMA-SC(UMC-136)IMT-2000 TDMA-SC又称UMC-136，SC（Single Carrier）表示单载波。UMC-136是在美国IS-136（D-AMPS）网络系统基础上发展的标准，对美国的IS-136网络有继承性，IS-136是FDMA/TDMA系统，UMC-136的双工方式可以是FDD或TDD,此体

6、制在北美以外没有使用价值5. TDMA-MC(EP-DECT)IMT-2000 TDMA-MC又称EP-DECT。MC（Multi Carrier）表示多载波。EP-DECT是在泛欧数字无绳电话（DECT）基础上稍作修改的标准，DECT是FDMA/TDMA系统，EP-DECT对于没采用第二代DECT的地区没有意义。 第六章第三代移动通信系统 1. 语音业务仍占主要地位尽管3G移动通信网络的最大特点是更高的数据业务能力，但对2005年以来所有推出3G网络的运营商来说，语音业务依旧是他们的主要收入来源，即使在数据业务最发达的日本也是如此2. 新的业务品种层出不穷（1）移动音乐下载。（2）移动3D游

7、戏。（3）移动P2P应用。 6.1.4 3G的主要业务第六章第三代移动通信系统 3. 特色业务渐有起色尽管“可视电话业务”是3G标准性业务的这种业务特点还没有发展起来，但其他能体现3G特色的业务正在扮演着越来越重要的角色，其中以移动音乐下载业务的发展引人注目。虽然之前也有移动运营商利用2.5G网络提供音乐下载类业务，但由于网络能力限制了业务质量，因此用户反应平淡。而3G网络改善了用户对该业务的体验，使用户从简单的铃声，歌曲片段中解脱出来，能利用手机欣赏到真正意义上的音乐和歌曲。音乐下载类业务份额成功，说明了适合市场需求才是3G业务开发的真正方向。 第六章第三代移动通信系统 WCDMA的全称是宽

8、带码分多址（Widband CDMA），也称直接扩频宽带码分多址（CDMA Direct Spresad）。WCDMA标准最初提出者是欧洲电信标准组织ETSI，后来与日本的W-CDMA技术融合，成为ITU制定3G五种技术中的三大主流技术之一，即IMT-2000 CDMA-DS。WCDMA系统支持宽带业务，可有效支持电路交换业务（如PSTN、ISDN网）、分组交换业务（如IP网）。 6.2 WCDMA技术6.2.1 WCDMA概述UMTS采用了与2G移动通信系统类似的结构。UTMS由通用陆地接入网络、核心网（、用户设备、操作维护中心和外部网络五大部分构成，其网络系统构成和接口如图所示。第六章第三

9、代移动通信系统 6.2.2 WCDMA系统组成与接口协议第六章第三代移动通信系统 2. UMTS的主要接口（1）Cu接口。Cu接口是USIM和ME质检的电器接口，Cu接口采用标准接口。（2）Uu接口。Uu接口是WCDMA的无线接口（3）Iu接口。Iu接口是链接UTRAN和CN的接口。（4）Iur接口。Iur接口是无线网络控制器之间连接的接口（5）Iub接口。Iub接口是连接节点B与RNC的接口（6）外网连接。CN的电路交换域的GSM通过PSTN/ISDN接口与外部网络如PSTN、ISDN及其他公共陆地移动网相连。 3. UTMS的协议结构UTMS的协议结构共分为两层，即接入层（Access S

10、tratum，AS）和非接入层（Non Access Stratum，NAS），UTMS协议结构分层如图所示第六章第三代移动通信系统 WCDMA信道类型和位置如图所示第六章第三代移动通信系统 6.2.3 WCDMA信道结构第六章第三代移动通信系统 UE和UTRAN之间的空中接口Uu协议层分为三层，最底层是物理层L1，位于物理层之上面的是数据链路层L2和网络层L3。在WCDMA FDD中，数据链路层L2的控制平面上，又划分为媒体接入控制（MAC）层和无线链路控制（RLC）层两个子层。 WCDMA无线接入系统分配给用户宽带及其控制功能，是由无线信道提供承载及交换协议来实现的。WCDMA信道结构和作

11、用明显的与GSM不同。根据不同的用途，WCDMA在Uu接口分配了不同宽带的物理信道，在UE和Node B之间形成了确实存在的物理信道。在GSM中，物理信道和他的结构由BSC来识别，而在WCDMA中物理信道在Uu接口处，RNC根本不必知道他们的接口。 第六章第三代移动通信系统 3G网络系统的主要追求目标是更高的比特率和更好的频谱效率。Cdma2000是IMT-2000的三大主流技术之一。CDMA2000采用CDMA的扩频接口，其网络系统在室内环境、室内外步行环境、车载环境中，均可达到或超过IMT-2000的指标，室内环境下最高数据速率达2Mbit/s，步行环境最高数据速率达384kbit/s，车

12、载环境最高数据速率达144kbit/s。同时支持从2G网络系统向网络系统的演进。 6.3 CDMA2000技术6.3.1 CDMA2000概述第六章第三代移动通信系统 cdma2000是从cdma One演进而来的3G技术，cdma2000标准是一个体系结构，称为cdma2000 family，含有一系列的子标准，其标准由3GPP2制定，正式标准于2000年3月通过。CDMA网络系统技术标准经历了从IS-95、IS-95A、IS-95B到cdma2000建议和IS-2000标准的发展过程。cdma 2000可以指采用IS-2000标准的系统，也可以代表空中接口所采用的技术。到目前为止，cdma

13、 2000的标准有R0、RA、RB、RC、RD多个版本。 1. 3G移动通信的网络演进第六章第三代移动通信系统 CDMA网络系统演进过程示意图第六章第三代移动通信系统 按照使用的带宽划分，cdma2000系统由多种工作方式。其中独立使用一个1.25MHZ载波的方式称为cdma 2000-1X，将三个1.25MHZ载波捆绑在一起使用的方式称为cdma2000-3X。Cdma2000-1X系统的空中接口技术也叫1X无线传输技术Cdma2000-3X系统的空中接口技术也叫3X RTT，属于多载波技术。目前，cdma2000系统已经在世界上多个国家和地区投入了商用，采用的都是cdma2000-1X技术

14、 第六章第三代移动通信系统 （1）多种信道带宽。（2）与现存的TIA/EIA-95-B系统具有无缝的互操作性和切换能力，可实现cdma One 向cdma2000系统平滑过渡演进。（3）核心网协议可使用IS-41、GSM-MAP以及IP骨干网标准。（4）宽松的性能范围，可从语音到低速数据集，直到高速的分组和电路数据业务。（5）提供多种复合性业务，如只传输语音、同时传输语音和数据，只传输数据和定位业务。（6）具有先进的多媒体服务质量（QOS）控制能力，支持多路语音、高速分组数据同时传输。 2. cdma2000的技术特点第六章第三代移动通信系统 （7）在同步方式上，沿用CDMA IS-95方式，

15、采用GPS使基站间严格同步，以取得较高的组网与频谱利用效率，有效的使用无线资源。（8）由于采用新技术，在提高系统性能和容量上有明显的优势，在相同条件下，对普通话音业务，cdma2000系统容量大致为CDMA IS-95系统的两倍。（9）增强的MAC功能，支持高效率的高速分组数据业务。 第六章第三代移动通信系统 （10）为了支持MAC，对物理层进行了优化，如采用了专用控制信道；设计了两类码复用业务信道。基本信道用于传送语音、信令和低速数据，是一个可变速率信道，补充信道用以传送高速率数据。在分组数据传送上应用了ALOHA技术，改善了传输性能。（11）采用短PN码，通过不同的相位偏置来区分不同的小区

16、，采用Walsh码区分不同信道，采用长PN码区分不同用户。（12）支持软切换和硬切换。（13）可选择较长的交换组织。（14）可支持多种空中接口信令，具有灵活的信令结构。 第六章第三代移动通信系统 HRPD的空中接口定义了7层协议，在每一层协议中又定义了若干协议子层。1.应用层应用层用以确保信令、分组数据的可靠性传输。在该层定义了默认信令应用和默认分组应用两个部分。(1)默认信令应用(Default Signaling Application)包括：信令网络协议(Signaling Net-work Protocol，SNP)和信令链路协议(Signaling Link Protocol，SLP

17、)。 6.3.2 CDMA2000无线接口协议第六章第三代移动通信系统 (2)默认分组应用(Default Packet Application)包括：无线链路协议(Radio Link Protocol，RLP)、位置更新协议(Location Update Protocol，LUP)和流控制协议(Flow Control Protocol，FCP)。2. 流层流层的任务是完成不同应用的流数据复用。Stream0专门用于信令，默认对应于默认信令应用(Default Signaling Application)。其它Stream可以分配给不同QoS要求的应用。流协议最多可以复用4个流。在默认情

18、况下不使用stream1，stream 2和Stream3。 协议结构示意图第六章第三代移动通信系统 第六章第三代移动通信系统 3. 会话层会话层提供地址管理、协议协商、协议配置、状态维护业务以及对终端的位置估算。会话层包含的协议如下:(1)会话管理协议(Session Management Protoco1)。该协议提供控制地址管理协议和会话配置协议的激活与去活的方式。(2)地址管理协议(Address Management Protoco1)。该协议规定了管理接入终端标识(UATI)的分配，并维护终端地址的过程。(3)会活配置协议(Session Configuration Protoco

19、1)。用于协商和配置在会话中使用的协议以及所使用的协议配置参数。 第六章第三代移动通信系统 4. 连接协议连接协议负责空中链路的建立和维护。包含的协议如下:(1)空中链路管理协议(Air Link Management Protoco1)。该协议提供在一个连接期间接入终端和接入网络所有状态机的管理。(2)初始状态协议(Initialization State Protoco1)。该协议提供接入终端(AT)捕获网络和接入网络(AN)，支持网络捕获过程。(3)空闲状态协议(Idle State Protoco1)。该协议提供在没有打开一个连接时，接入终端和接入网络的过程。 第六章第三代移动通信系统

20、 (4)连接状态协议(Connected State Protoco1)。该协议提供在打开了一个连接时接入终端和接入网络的过程。(5)路由更新协议(Route Update Protoco1)。该协议提供在接入终端和接入网络之间路由维护的方法。这个协议对导频进行监控完成切换的过程。(6)开销消息协议(Overhead Messages Protoco1)。该协议提供包含主要由连接层协议使用的信息的广播消息。(7)分组整合协议(Packet Con-solidationProtoco1)。该协议为连接层提供优先发送和分组数据封装。 第六章第三代移动通信系统 5. 安全层安全层提供鉴权和加密业务。

21、包含的协议如下:(1)密钥交换协议(Key Exchange Protoco1)。该协议提供接入终端和接入网络为鉴权和加密过程交换密钥的过程。(2)鉴权协议(Authentication Protoco1) 。该协议提供接入终端和接入网络应支持的鉴权过程。(3)加密协议(Encryption Protoco1) 。该协议提供接入终端和接入网络应支持的加密过程。(4)安全协议(Security Protoco1) 。该协议提供鉴权协议和加密协议所用cryptosync的产生过程。 第六章第三代移动通信系统 6. 媒质接入 (MAC) 层MAC层包含的协议如下:(1)控制信道MAC协议(Contr

22、ol Channel MAC Protoco1) 。该协议提供接入网络发送和接入终端接收控制信道的过程。(2)接入信道MAC协议(Access Channel MAC Protoco1) 。该协议提供接入终端发送和接入网络接收接入信道的过程。(3)前向业务信道MAC协议(Forward Traffic Channel MAC Protoco1) 。该协议提供接入网络发送和接入终端接收前向业务信道的过程。(4)反向业务信道MAC协议(Reverse Traffic Channel MAC Protoco1) 。该协议提供接入终端发送和接入网络接收反向业务信道的过程。 第六章第三代移动通信系统 7

23、. 物理层(1)前向信道由导频信道、媒质接入控制信道、业务信道和控制信道组成，其中媒质接入控制信道又分为RAB子信道、DRCLock(数据速率控制锁定)和反向功率控制信道。(2)反向信道由反向接入信道和反向业务信道组成，其中接入信道发送反向导频信道和接入消息。反向业务信道包括反向导频信道、MAC信道、ACK信道和数据信道。 第六章第三代移动通信系统 6.4.1 TD-SCDMA概述1. TD-SCDMA的产生TD-SCDMA的标准是由中国信息产业部电信科学技术研究，大唐移动通信设备有限公司首席科学家李世鹤博士为首的团队具体制定，有中国标准化协会和中国无线通信标准组代表中国提交国际电信联盟（IT

24、U）和第三代移动通信合作伙伴项目组织（3GPP）。 6.4 TD-SCDMA技术第六章第三代移动通信系统 2. TD-SCDMA的特点对语音业务和非对称互联网业务具有最高优先级。基于频分双工（FDD）的3G提案，如WCDMA和cdma2000 是在成对载波频带上的对称传输的模式，他们能使对称的语音和多媒体业务很好地被优化。TD-SCDMA的目标是要确立一个具有高频谱效率和搞经济效益的先进移动通信系统，该系统被设计为不管是对称还是非对称业务，都能表现出最佳性能的系统。TD-SCDMA无线传输方案是FDMA、TDMA和CDMA三种基本传输技术的灵活结合应用。 第六章第三代移动通信系统 1.TD-S

25、CDMA可提供的业务（1）可提供电路交换的对称业务，如语音、可视会议等实时业务。（2）可提供具有多时隙、非对称分组数据交换业务，如视频点播、电子邮件、Internet及Intranet等非实时业务。提供多元化服务业务，如WWW浏览、收发E-Mail、网上银行、娱乐等，以最佳性能实现无线Internet业务。（3）不受地理位置限制获得信息，具有高速下载和永远在线能力，可提供高峰值速率的数据传输能力，并可按流量计费。（4）在传输质量方面已由2G的尽力发送向服务质量（QoS）演进。 6.4.2 TD-SCDMA关键技术第六章第三代移动通信系统 2.TD-SCDMA的组网能力（1）TD-SCDMA的网

26、络系统支持各种无线网络结构，以满足宏区、微区和微微区不同的覆盖和用户密集度要求。（2）TD-SCDMA核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与他们的兼容，TD-CDMA支持多种通信接口，与WCDMA接口Iu、Iub、Iur等多种接口相同，可以单独组网或作为接入网和WCDMA混合组网。（3）TD-SCDMA的信号带宽为1.23MHz，码片速率为1.28Mc/s，由于采用TDD方式，所以频谱利用率远远高于采用FDD方式的其他3G技术，仅需单载波1.6MHz的频带就可提供速率达2Mbit/s的3G业务。 第六章第三代移动通信系统 3.TD-SCDMA使用多种关键新技术（1）采用了智能天线技术

27、和联合检测技术；在上行链路采用了同步CDMA技术，来降低了上行链路用户间的干扰和保持时隙宽度；BTS之间采用GPS或者网络同步方式，在下行链路中，有效的降低BTS间的干扰，系统容量和频谱利用率进一步提高。（2）比其他3G系统更多更早的实用软件无线电技术，为今后发展建立无缝连接网络，解决多频、多模式、多业务的终端和基站建设问题打下了良好的基础。（3）采用接力切换，降低了掉话率，提高切换的效率。 第六章第三代移动通信系统 TD-SCDMA是对UTRA-TDD融合和补充，都是属于IMT-2000 CDMA-TDD标准1. 系统结构TD-SCDMA移动通信系统网络结构与3GPP制定的通用移动通信系统（

28、UMTS）的网络结构一样，包括用户设备（UE）、无线接入网（UTRAN）和核心网（CN），以及相关的网络系统结构、系统实体及功能、接口和有关主要协议，协议栈的分层和平面划分、网络连话也协议工作应用等内容。 6.4.3 TD-SCDMA系统结构与空中接口技术第六章第三代移动通信系统 2.空中接口技术3G的三大主流技术，主要区别在于物理层的空中接口技术。TD-SCDMA系统的空中接口（Uu）协议结构分为三层，即物理层L1，数据链路层L2，和高层L3。其中L2又分为媒体接入子层L2/MAC和无线链路控制子层L2/RLC，高层L3对应OSI的37层，L3包含无线资源控制（RRC）和非接入层NAS的的网

29、络协议。从不同协议分层来讲，承载用户各种业务的信道分为三类，即逻辑信道、传输信道和物理信道。 第六章第三代移动通信系统 B3G（Beyond Third Generation in mobile communication system），即超三代移动通信系统。4G是集3G与WLAN于一体，并能够传输高质量视频图像的通信系统B3G通信从20世纪末3G技术完成标准化之时就开始了。2006年，ITU-R正式将B3G技术命名为IMT-Advanced技术（3G技术名为IMT-2000）。根据原定的工作计划，IMT-Advanced的标准化已经“近在眼前”。 6.5 B3G与4G移动通信系统6.5.1

30、 B3G移动通信系统第六章第三代移动通信系统 1. 4G移动通信系统概念4G系统能够以100Mb/s的速度下载，比目前的拨号上网快2000倍，上传的速度也能达到20Mb/s，能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。4G系统可以自动管理、动态改变自己的结构，以满足系统变化和发展的要求。用户可能使用各种各样的移动设备接入到4G系统中，各种不同的接入系统结合成一个公共的平台，它们互相补充、互相协作，以满足不同的业务要求，移动网络服务趋于多样化，最终会演变为社会上多行业、多部门、多系统与人们沟通的桥梁 6.5.2 4G移动通信系统第六章第三代移动通信系统 2. 4G通信系统的主要优势在2009年构思中

31、的4G通信具有以下特征:（1）通信速度快人们研究4G通信的最初目的是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率，因此4G通信给人们的印象最深刻的特征莫过于它具有更快的无线通信速度（2）网络频谱更宽要想使4G通信达到100Mb/s的传输速率，通信营运商必须在3G通信网络的基础上，进行大幅度的改造和研究，以便使4G网络在通信带宽上比3G蜂窝系统的带宽高出许多。 第六章第三代移动通信系统 （3）通信更加灵活4G手机的功能已不能简单划归“电话机”的范畴了，毕竟语音资料的传输只是4G移动电话的功能之一，因此未来4G手机更像一个小型电脑。（4）智能性能更高第四代移动通信的智能性更高，不仅表现

32、在4G通信终端设备的设计和操作具有智能化，如对菜单和滚动操作的依赖程度会大大降低，更重要的是4G手机可以实现许多难以想象的功能。（5）兼容性能更平滑要使4G通信尽快地被人们所接受，不但要考虑它的功能强大，还应考虑到现有通信的基础，以便让更多的现有通信用户，在投资最少的情况下就能很轻易地过渡到4G通信。 第六章第三代移动通信系统 （6）提供各种增值服务4G通信并不是从3G通信的基础上经过简单的升级而演变过来的，它的核心技术是根本不同的，3G移动通信系统主要是以CDMA为核心技术，而4G移动通信系统技术则以正交多任务分频技术(OFDM)最受瞩目。（7）实现更高质量的多媒体通信尽管第三代移动通信系统

33、也能实现多媒体通信，但未来的4G通信系统，能满足第三代移动通信尚不能达到的效果，例如在覆盖范围、通信质量、造价上支持的高速数据和高分辨率多媒体服务的需要。 第六章第三代移动通信系统 （8）频率利用效率更高相比第三代移动通信技术来说，第四代移动通信技术在开发研制过程中，使用和引入许多功能强大的突破性技术（9）通信费用更加便宜由于4G通信不仅解决了与3G通信的兼容性问题，让更多的现有用户能轻易升级到4G通信，而且4G通信引入了许多尖端的通信技术，这些技术保证了4G通信能提供一种灵活性非常高的系统操作方式 第六章第三代移动通信系统 6.6.1 双网双待的概念“双网双待”也可以通俗地称为“双模双待”、

34、“一机两网”。据专业人士介绍，由于各国管制政策的不同，存在多种通信频段，因此导致用户需要在不同的技术标准和不同的通信频段之间频繁切换，全球畅通的梦想一直难以实现。双网双待手机通过创新技术，成功解决了用户在G网和C网之间自由切换、号码保留等难题，实现了“一机双网，同时在线，一机在手，全球畅行”。 6.6 双网双待基础第六章第三代移动通信系统 双网双待又称双模双待，是指同一部手机，同时支持两个不同网络制式，如同时支持GSM和CDMA。双卡双待是指一部手机，可以同时装下两张SIM卡，并且这两张卡均处于待机状态。双卡双待手机一般可以设置为以下几种情况：仅SIM1卡开；仅SIM2卡开；双卡开。有了双卡双

35、待手机，那么“忙人”就不用再手里拿着两个手机了，简单而方便。 6.6.2 双网双待与双卡双待第七章第七章教学纲要教学要求：1.了解GPS的基本原理； 2.掌握GPS的测量方法、应用范围、测量技术设计与实施、数据处理与实用数学模型； 3.理解GPS卫星导航的原理、方式，掌握其计算方法； 4.掌握GPS导航的方法。教学重点：1.GPS卫星定位技术的发展； 2.GPS系统组成； 3.GPS系统的特点及其应用前景。教学难点：1. GPS系统组成 2.GPS测量主要误差分类 3.与信号传播有关的误差 4.与卫星有关的误差本章教学内容： 以GPS定位坐标系统和时间系统为主线，阐述GPS定位原理，详细介绍G

36、PS测量技术设计与外业施测，GPS定位测量技术应用。 GPS定位测量原理与实施 GPS全球定位系统是美国国防U.5.Department of Defense(DOD)为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的。是结合美国海军的“Timation”计划和美国空军的“621-B”计划而研制，这两个计划在六十年代中期就己经确定，要用测距的方式来发展一种被动导航系统。GPS定位测量原理与实施 第七章7.1 GPS概述卫星定位导航系统是美国国防部始建于1973年，经过方案论证、工程研制和生产作业等三个阶段，历经二十余年，耗资三百多亿美元于1994年全部建成。GPS作为继子午

37、卫星系统发展起来的新一代卫星导航与定位系统，具有全球性、全天候、连续性等优点的三维导航和定位能力，具有良好的抗干扰性和保密性。GPS定位测量原理与实施 第七章7.1.1 卫星定位技术发展概况GPS系统的特点是高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。1.定位精度高2.观测时间短3.功能多，应用广，全球，全天候工作。GPS定位测量原理与实施 第七章7.1.2 GPS的特点1.空间卫星部分全球定位系统的空间卫星部分原计划由21颗GPS工作卫星和3颗在轨备用卫星组成。2.地面监控部分地面监控部分包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。主控站拥有大型电子计算机，作为数据采集、计算、传输、诊

38、断、编辑等功能的主体设备。GPS定位测量原理与实施 第七章7.1.3 GPS系统组成3.用户接收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导航和定位的基础，而用户只有通过GPS信号接收机，才能实现导航和定位的目的。GPS接收机通过接收GPS卫星发射信号，获得必要的导航和定位信息、观测量，经过数据处理而完成导航和定位工作。以上三个部分共同组成一个完整的GPS系统。GPS定位测量原理与实施 第七章全球定位系统（GPS）的最基本任务是确定用户在空间的位置。所谓用户的位置，实际上是指该用户在特定坐标系的位置坐标，位置是相对于参考坐标系而言的，为此，首先要设立适当的坐标系。GPS定位

39、测量原理与实施 第七章7.2 GPS定位坐标系统和时间系统坐标系统是由原点位置O，以及三个坐标轴的指向和尺度所定义，根据坐标轴的指向不同，可划分为两大类坐标系，即天球坐标系和地球坐标系。（1）天球坐标系 天球坐标系分天球空间直角坐标系和天球球面坐标系天球球面坐标系是以地球质心O为坐标原点，春分点轴与天轴所在平面为天球经度（赤经）测量基准基准子午面，赤道为天球纬度测量基准而建立球面坐标GPS定位测量原理与实施 第七章坐标系统1、天球坐标系和地球坐标系（2）地球坐标系地球坐标系分地球直角坐标系和地球大地坐标系地球大地坐标系是以地球椭球的中心与地球质心重合，椭球的短轴与地球自转轴重合。（3）站心坐标

40、系站心坐标系分站心赤道直角坐标系与站心地平直角坐标系。GPS定位测量原理与实施 第七章（1）瞬时极天球坐标系原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转方向（真天极），x轴指向瞬时春分点（真春分点），y轴按构成右手坐标系取向。 （2）瞬时极地球坐标系 原点位于地球质心，z轴指向瞬时地球自转轴方向，x轴指向瞬时赤道面和包含瞬时地球自转轴与平均天文台赤道参考点的子午面之交点，y轴构成右手坐标系取向。 GPS定位测量原理与实施 第七章2、卫星测量中常用坐标系（3）固定极天球坐标系（平天球坐标系）选择某一历元时刻，以此瞬间的地球自转轴和春分点方向，分别扣除此瞬间的章动值作为z轴和x轴指向，y轴按构成右手坐标

41、系取向，建立天球坐标系（平天球坐标系），坐标系原点与真天球坐标系相同。瞬时极天球坐标系与历元平天球坐标系之间的坐标变换通过下面两次变换来实现。GPS定位测量原理与实施 第七章岁差旋转变换。ZM（t0)表示历元J2000.0年平天球坐标系z轴指向，ZM（t）表示所论历元时刻t真天球坐标系z轴指向。两个坐标系间的变换式为式 式中：A ，A，ZA为岁差参数。 章动旋转变换。类似地有章动旋转变换式，如式 式中，为所论历元的平黄赤交角，分别为黄经章动和交角章动参数。GPS定位测量原理与实施 第七章（4）固定极地球坐标系（平地球坐标系）地球瞬时自转轴在地球上随时间而变的现象，称地极移动，简称极移。与观测瞬

42、间相对应的自转轴所处的位置，称为该瞬时的地球极轴，相应的极点称为瞬时极。采用国际上5个纬度服务站国际协定原点CIO的资料，以1900至1905年地球自转轴瞬时位置的平均位置作为地球的固定极称为国际协定原点CIO。GPS定位测量原理与实施 第七章（1）WGS-84坐标系WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系。WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴、Z轴和X轴构成右手坐标系。GPS定位测量原理与实

43、施 第七章3. WGS-84坐标系和我国大地坐标系（2）国家大地坐标系国家大地坐标系主要有BJ54旧坐标系、GDZ80坐标系和BJ54新坐标系。1954年北京坐标系（BJ54旧）。该坐标原点为前苏联的普尔科沃，参考椭球为克拉索夫斯基椭球，平差方法为分区分期局部平差。1980年国家大地坐标系（GDZ80）。该坐标原点为陕西省泾阳县永乐镇，参考椭球为1975年国际椭球，平差方法为天文大地网整体平差 新1954年北京坐标系（BJ54新）是由1980年国家大地坐标（GDZ80）转换得来的。坐标原点在陕西省泾阳县永乐镇，参考椭球为克拉索夫斯基椭球，平差方法为天文大地网整体平差。 GPS定位测量原理与实施

44、 第七章以春分点为参考点，由春分点的周日视运动所确定的时间称为恒星时，恒星时ST可分为真恒星时和平恒星时。其计量时间单位有恒星日、恒星小时、恒星分、恒星秒。换算关系为式（7-12）。恒星日 = 24个恒星小时 = 1440个恒星分 = 86400个恒星秒 (7-12)GPS定位测量原理与实施 第七章7.2.2 时间系统1、恒星时ST假设一参考点视运动速度等于真太阳周年运动的平均速度，且其在天球赤道上作周年视运动，该参考点称为平太阳。平太阳计量时间单位有平太阳日、平太阳小时、平太阳分、平太阳秒。换算关系为式（7-13）平太阳日=24个平太阳小时=1440平太阳分=86400个平太阳秒 (7-13

45、)GPS定位测量原理与实施 第七章2、平太阳时MT3、世界时UT以平子午夜为零时起算的格林威治平太阳时定义为世界时UT。4、原子时IAT原子时是以物质内部原子运动的特征为基础建立的时间系统。原子时的尺度标准是国际制秒（SI）。其原点由式 AT=UT2-0.0039(s） 确定。 GPS定位测量原理与实施 第七章5、协调世界时UTC根据国际规定，协调世界时UTC的秒长与原子时秒长一致，在时刻上则要求尽量与世界时接近。协调时与国际原子时之间的关系为式IAT = UTC+1sn 式中n为调整参数。 6、GPS时间系统GPSTGPST属于原子时系统，它的秒长即为原子时秒长，GPST的原点与国际原子时I

46、AT相差19s。有关系式： IAT-GPST=19（s） GPS定位测量原理与实施 第七章测量学中的交会法测量里有一种测距交会确定点位的方法。与其相似，GPS的定位原理就是利用空间分布的卫星以及卫星与地面点的距离交会，得出地面点位置。简言之，GPS定位原理是一种空间的距离交会原理。GPS定位测量原理与实施 第七章7.3 GPS定位原理基本原理1、动态定位所谓动态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的。2、静态定位所谓静态定位，就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是保持不变的。GPS定位测量原理与实施 第七章7.3.2 GPS定位方

47、法GPS测量技术设计主要依据GPS测量规范及测量任务书。1、GPS测量规范GPS测量规范是国家质量技术监督局或行业部门所制定的技术标准2、测量任务书测量任务书（或测量合同）是测量单位的上级主管单位下达的指令性技术要求文件，包括测量目的、范围、精度、密度等要求。GPS定位测量原理与实施 第七章7.4 GPS测量技术施测7.4.1 GPS测量技术设计依据3、测量精度在国标中，根据用途将GPS测量分为AA、A、B、C、D、E六个精度等级4、基线长度及网点布设GPS控制测量中各等级GPS相邻点间弦长的精度用式（7-18）表示. (7-18)式中，为GPS基线向量等效距离误差（mm），a为GPS接收机标

48、称精度中的固定误差（mm）；b为GPS接收机标称精度中的比例误差；d为GPS网中相邻点间的距离（mm）。GPS定位测量原理与实施 第七章GPS控制网的基准设计包括位置基准、方位基准和尺度基准。方位基准一般由给定的起算方位角值确定。尺度基准由地面的电磁波测距确定。位置基准由以下几方面因素决定。GPS定位测量原理与实施 第七章7.4.2 GPS控制网的设计及优化1.GPS控制网的基准设计（1）为求定GPS点在国家或地方坐标系中的坐标，应联测地方控制地方点，用以坐标变换。（2）GPS网的坐标系统尽量应与测区过去采用的坐标系统一致，应了解所采用的参考椭球体，通常是以国家坐标系的参考椭球为基础；坐标系的

49、中央子午线的经度值；纵、横坐标的加常数；坐标系的投影面高程及测区平均高程异常值；起算点的坐标等几个参数。（3）GPS网平差后得到的是大地高，为了得到GPS点的常高，应使一定数量的GPS点与水准点重合，或者对部分GPS点联测水准。GPS定位测量原理与实施 第七章（1）观测时段。测站上开始接收卫星信号到观测停止，连续工作的时间段简称时段。（2）同步观测。两台或两台以上接收机同时对同一组卫星进行的观测。（3）同步观测环。三台或三台以上接收机同步观测获得的基线向量所构成的闭合环，简称同步环。（4）独立基线。对干N台GPS接收机构成的同步观测环，有J条同步观测基线，其中独立基线数为N-1。独立基线之间没

50、有相关性。GPS定位测量原理与实施 第七章2.GPS控制网图形设计的几个基本概念（5）独立观测环。由独立观测所获得的基线向量构成的闭合环，简称独立环。（6）异步观测环：在构成多边形环路的所有基线向量中，只有非同步观测基线向量，则该多边形环路叫异步观侧环，简称异步环（7）非独立基线。除独立基线外的其他基线叫非独立基线，总基线数与独立基线数之差为非独立基线数。GPS定位测量原理与实施 第七章对于由N台GPS接收机构成的同步图形中，一个时段包含的基线（或简称GPS边）数为：JN(N-1)/2。其中仅有N-1条是独立边，其余为非独立边。当同步观测的GPS接收机数N3时，同步闭合环T的最少个数应为： T

51、J(N1)(N1)(N2)2 (7-19)GPS定位测量原理与实施 第七章3.GPS网特征条件的计算Cn . m/N 上式中，C为观测时段数，n为网点数，m为每点平均设站次数，N为接收机数5.对于同步环和异步环的几点说明（1）在理论上，同步闭合环中各GPS 的坐标差之和，即闭合差应为零，但实际上并非如此，一般规范都规定了同步闭合差的限差。GPS定位测量原理与实施 第七章4.观测时段数计算公式（2）同步闭合环的闭合差较小，只能说明基线向量的计算合格，并不能说明GPS边的观测精高，也不能发现接收的信号受到干扰而产生的某些粗差。（3）对于异步环的构成，一般应按所设计的网图选定，必要时在经技术负责人审

52、定后，也可根据具体情况适当调整。GPS定位测量原理与实施 第七章GPS网的布设通常有四种方式：星形，点连式、边连式和混合式。（1）星形网星形网的结构如图7-12（a）图所示，其特点是几何图形简单，只需两台GPS接收机，是一种快速定位作业方式，但是，由于基线间不构成任何同步闭合图形，因此抗粗差的能力差，一般适用于精度较低的工程测量。GPS定位测量原理与实施 第七章6.GPS控制网的技术设计（2）点连式点连式的结构如图7-12（b）图所示，其相邻同步图形之间只有一个公共点连接。这种布网方式几何强度较弱，抗粗差能力较差，一般可以加测几个时段以增强网的异步图形闭合条件的个数。（3）混连式该方式是把点连

53、式和边连式有机地结合在一起，这种方式既可以提高网的几何强度和可靠性指标，又减少了外业工作量，是一种较为理想的布网方法。GPS定位测量原理与实施 第七章(4)网连式该布设形式是相邻的同步图形间有3个（含3个）以上的公共点相连，如图7-12（c）图所示。其优点是图形强度最强，缺点是作业效率低。 GPS定位测量原理与实施 第七章测区踏测的内容包括交通情况，水系分布情况，植被情况，控制点分布情况，居民点分布情况，当地风俗民情等。应收集资料包括各类图件，各类控制点成果，测区有关的地质、地震、气象、通信等方面的资料，城市及乡、村行政区划图、地籍图等。GPS定位测量原理与实施 第七章7.4.3 GPS测前准

54、备及技术设计书的编写1.测区踏测及收集资料根据观测等级，进行仪器的筹备、计算机及配套设备的配置；结合测区交通情况，筹备运输工具及通信设备；结合测区材料借用情况，筹备施工器材、油料及其他消耗品等；根据测区具体情况，并结合测量技术力量组建施工队伍，拟定施工人员名单及岗位；结合测区情况和测量任务进行详细的投资预算。GPS定位测量原理与实施 第七章2.器材准备及人员组织外业观测计划的拟定包括观测计划拟定的依据；观测计划的主要内容；地面网联测方案。4.技术设计书编写 技术设计书编写的内容包括任务来源及工作量；测区概况；布网方案；选点与埋标；观测；数据处理；完成任务的措施等。GPS定位测量原理与实施 第七

55、章3.外业观测计划的拟定GPS测量的外业实施主要包括GPS点位选埋、观测、数据传输及数据预处理等。1.GPS控制点的选择GPS控制点的选择包括选点与标志埋设2.外业观测外业观测的过程包括观测时依据技术指标，天线安置，开机观测，观测纪录。GPS定位测量原理与实施 第七章7.4.4 GPS测量外业实施3.数据预处理数据预处理包括数据处理软件选择，基线解算（数据预处理）等。4.观测成果外业检测观测成果外业检测包括独立闭合环检核，重复观测边的检核，同步观测环检核和异步观测环检核。5.野外返工GPS定位测量原理与实施 第七章6.GPS网平差处理在各项质量检核符合要求后，经所有独立基线组成闭合图形，以三维

56、基线向量及相应方差协方差阵作为观测信息，并以一个点的WGS-84系三维坐标作为其算点，进行GPS网的无约束平差。在无约束平差确定的有效观测量的基础上，在国家坐标系或城市独立坐标系下进行三维约束平差或二维平差。GPS定位测量原理与实施 第七章技术总结含外业技术总结和内业技术总结。（1）外业技术总结内容包括测区及其位置自然地理条件与气候特点，交通、通信及供电等情况；任务来源，项目名称，测区已有测量成果情况，本次施测的目的及基本精度要求；施工单位，施测起讫时间，技术依据作业人员的数量及技术状况；作业仪器类型、精度、检验及使用状况；点位观测质量的评价，埋石与重合点；联测方法、完成各级点数量、补测与重测

57、情况以及作业中存在问题的说明；外业观测数据质量分析与野外数据检核情况。GPS定位测量原理与实施 第七章7.4.5 技术总结与上交材料1.技术总结（2）内业技术总结内容包括数据处理方案、所采用的软件、所采用的星历、起算数据坐标系统，以及无约束、约束平差情况；误差检验及相关参数与平差结果的精度估计等；上交成果中尚存在的问题和需要说明的其他问题、建议或改进意见；综合附表与附图。GPS定位测量原理与实施 第七章在上交资料中应包含测量任务书及技术设计书；测点的记录、环视图、测量标志委托保管书、选点资料和增石资料；接收设备、气象及其他仪器的检验资料；外业观测纪录、测量记录手簿及其他纪录；数据处理中生成的文

58、件、资料和成果，以及GPS网展点图；技术总结及成果验收报告。GPS定位测量原理与实施 第七章2.上交资料1、基准的建立建立和维持高精度的三维地心参考基准，建立全球或国家的高精度GPS网，加密或扩展地区性的GPS控制网，检核、分析与改进原有的地面控制网，确定高程与进行精化大地水准面研究。GPS定位测量原理与实施 第七章7.5 GPS定位测量技术应用大地测量2、开展国际联测在大地测量应用中，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。1990年3、4月间，我国完成了南海群岛5个岛礁8个点位和陆地上4个大地测量控制点之间的GPS联测，初步建立陆地南海

59、大地测量基准，使海岛与全国大地网联成一个整体。GPS定位测量原理与实施 第七章GPS在遥感遥测领域内，主要用于以下几个方面：测定航片和卫片上的地面控制点，用于航摄飞机的实时导航，进行由GPS辅助的空中三角测量，直接测定摄影机和传感器的空间位置和姿态，GPS用于航摄外业控制点联测。在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也经历了应用GPS技术进行航测外业控制测量，航摄飞行导航，机载GPS航测等航测成图的各个阶段。GPS定位测量原理与实施 第七章7.5.2 航空遥感技术1、地质检测包括山体滑坡地质灾害、水坝、大桥、海上钻井平台等工程建筑物的安全监测与预报。2、地面沉降监测GPS在大城市地面沉降检测、矿井

60、地面沉陷监测中也得到广泛应用，如上海市GPS地面沉降监测就是GPS用于监测城市地面沉降的实例之一。GPS定位测量原理与实施 第七章7.5.3 灾害预测预报3、控制测量控制测量是GPS定位技术应用的一个重要领域，其主要作用是建立和维持高精度三维地心坐标系统，不同大地控制网之间的联测和转换，建立新的地面控制网，检核和改善已有的地面网，对已有地面网进行加密，研究与精化大地水准面。4、工程测量在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。GPS定位测量原理与实施 第七章1、气象分析利用GPS理论和