2.GPS定位原理-绪论-概述

无线定位与GPS系统2第一章绪论常规测量的局限性卫星定位技术的发展历程GPS的发展、组成、特点及应用GPS现代化其他的卫星导航定位系统北斗卫星导航系统2023/2/11.1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：直尺，卷尺光学仪器：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高程观测2023/2/11.2常规定位方法的局限性测站间需保持通视限制地面测站间通视的因素地球曲率、地形地物、大气等产生的问题需修建觇标边长受限作业难度大，作业效率低工程中有时需布设过渡点2023/2/11.2常规定位方法的局限性无法同时精确确定点的三维坐标水平位置和垂直位置的基准面不同水平位置和垂直位置测量方法不同水平位置和垂直位置点位设置不同观测受气候等条件限制受雨雪的限制受大气能见度的限制受地面大气稳定度的限制2023/2/11.2常规定位方法的局限性难以避免系统误差的影响地球旁折光由大气密度随纬度的系统性变化所引起对沿纬度线布设的观测路线有影响地区性旁折光由观测路线两侧的地貌、植被的差异所引起难以建立地心坐标参照系大地控制网覆盖面积不够（控制网只能布设在陆地上，无法布设在大洋上）大陆间的大地控制网无法联测2023/2/12.1卫星定位技术的发展历史新形势下定位技术的新要求提供精确的地心坐标(卫星和弹道导弹)提供全球统一的坐标适应长距离高精度定位全天候、快速精确、操作简便的定位技术2023/2/12.2产生卫星定位技术的可能性人造卫星的发射（1957.10）计算机技术的发展现代电子技术的发展通信技术的发展2023/2/12.3卫星定位技术的发展历史卫星定位系统的发展名称建成年代建立国家子午卫星系统1964美国GPS1994美国GLONASS1996前苏联GALILEO2010欧盟北斗系统2000中国2023/2/12.4子午卫星系统子午卫星系统简介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（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（子午卫星系统利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统）其他：美国研制、建立 1964年1月建成1967年7月解密供民用空间部分卫星数6颗卫星离地面的高度约1075km运行周期107min信号频率400MHz、150MHz2023/2/12.4子午卫星系统地面控制部分卫星跟踪站（4个） 亦称监测站，对卫星进行多普勒测量，并将观测数据发送到计算中心计算中心 由跟踪站的数据计算卫星轨道，将结果送往注入站注入站 接收计算中心传送来的导航电文注入卫星控制中心 负责协调和管理整个地面控制系统的工作海军天文台 负责进行时间对比，求出卫星钟的改正数和频率改正数用户部分多普勒接收机2023/2/12.5子午卫星系统的定位原理及精度定位原理多普勒效应定位精度单点定位精度：约10m联测定位精度：约0.5m多普勒联测定位多普勒单点定位2023/2/12.6子午卫星系统缺陷子午卫星系统的缺陷卫星少，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2023/2/13.1GPS简介GPS的英文全称是

NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem

简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。其意为“导航卫星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。2023/2/13.2GPS的发展简史GPS系统的概念构思和分析测试阶段（1973-1979）1973年12月，美国国防部批准研制GPS1978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，并研制了地面接收机及建立地面跟踪网2023/2/13.2GPS的发展简史GPS系统发展建设阶段（1980-1989）发射了11颗组网试验卫星BlockI和1颗工作卫星BlockII进一步完善了地面监控系统发展了GPS用户接收机2023/2/13.2GPS的发展简史GPS建成并进入完全运作阶段(1990-1999)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（21+3GPS星座）已经建成，今后将根据计划更换失效卫星。1995年7月17日，GPS达到

完全运行能力（FullOperationalCapability，FOC）。95年波黑战争发挥威力。2023/2/13.2GPS的发展简史GPS现代化防止敌方破坏增加GPS军用信号的抗干扰能力增加GPS的军用无线电信号的强度-防止敌方利用设计新的GPS卫星型号（ⅡF）设计新的GPS信号结构，将民用频道L1、L2、L5和军用频道L3、L4分开。-改进定位精度在L2中增加CA码（2005年）增加L5民用频道（2007年）GPS系统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GPS的优势不受气候条件的限制无须通视要求可进行高精度大地测量能实现全天候运作省时省力经济效益明显坐标系统通用应用领域广泛具有竞争力的价格2023/2/13.3GPS的系统组成GPS系统由三部分组成空间部分（Spacesegment）地面控制部分（Controlsegment）用户设备部分（Usersegment）GPS的组成控制部分1个主控站5个监控站空间部分导航卫星:导航信息卫星时和卫星钟24颗卫星20200Km用户设备部分接受卫星信号`2023/2/13.4GPS的空间部分（Spacesegment）GPS卫星星座（satelliteconstellation）设计星座24颗（21颗工作卫星+3颗活动的备用卫星）6个轨道面平均轨道高度20200km轨道倾角55°周期11h58min保证在24小时，在高度角15°以上，能够同时观测到4至8颗卫星当前星座：31颗2023/2/13.4GPS的空间部分（Spacesegment）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，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

类型：试验卫星：BlockⅠ工作卫星：BlockⅡ空间部分赤道5524颗卫星分布在互为55度交角的6个轨道平面上，每个轨道面上布有4颗卫星卫星高约20200Km12小时绕轨道一周

可见时间为4-5小时设计寿命为7.5年卫星种类区分Block1(一代),Block2,2A(二代),Block2R，2F(三代)GPS卫星24颗卫星(21+3)6个轨道平面55º轨道倾角20200km轨道高度(地面高度)12小时(恒星时)轨道周期5个多小时出现在地平线以上(每颗星)目前在轨实际运行的卫星个数已经超过32颗卫星编号（1）顺序编号：按照GPS试验卫星发射时间的先后次序对卫星进行编号。（2）PRN编号：根据GPS卫星所采用的伪随机噪声码（PRN码）对卫星进行编号。在导航定位中，均采用PRN编号，这一规则一直沿用至今。（3）IRON编号：IRON为InterRangeOperationNumber的缩写，意思是内部距离操作码。IRON编号是美国加拿大组成的北美空军指挥部给定的一种随机号，以此识别所选择的目标。（4）NASA编号：这是美国航天局在其文件中给GPS试验卫星的编号。（5）国际识别号：它的第一部分表示该卫星的发射年代，第二部分表示该年发射卫星的序列号，字母A表示发射的有效负荷。GPS卫星结构GPS卫星结构双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2m2。采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为1.5m多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的条形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。GPS卫星的核心部件微处理器导航电文存储器高稳定度的原子频标伪噪声码发生器

S波段接收机

L波段双频发射机GPS卫星的作用1.接收和存储由地面监控站发来的导航信息。2.接收并执行监控站的控制指令。3.卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作。4.通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准。5.向用户发送定位信息。6.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。2023/2/1GPS工作卫星星座（21颗工作卫星）2023/2/13.5GPS的地面监控部分（GroundSegment）地面监控部分（GroundSegment）组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统地面监控系统执行的任务1.数据采集。2.编辑导航电文。3.诊断功能。4.调整卫星。主控站：监测站：为主控站提供卫星的观测数据。注入站：将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储系统。2023/2/13.5GPS的地面监控部分（GroundSegment）地面监控部分（GroundSegment）的分布2023/2/1地面控制站一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion)

迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)

卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings2023/2/13.5GPS的地面监控部分（GroundSegment）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。2023/2/13.5GPS的地面监控部分（GroundSegment）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。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）2023/2/13.6GPS的用户部分（Usersegment）GPS信号接收机采用石英钟接收设备GPS信号接收机的类型依用途大地型（测地型）、导航型与授（守）时型依能否接收测距码（伪距码）有码与无码依接收伪距码的种类P码与C/A码依接收不同频率载波的数量：单频与双频GPS接收机的任务和基本结构任务：捕获卫星信号、跟踪卫星运行，并对信号进行变换、放大和处理，测出信号传播时间，译出导航电文，达到实时定位、导航的目的。基本结构天线单元：接收天线、前置放大器接收单元：通道单元、计算和显示单元、存储单元、电源当前美国对GPS用户的主要限制性政策1.对不同的GPS用户，提供不同的服务方式。2.实施选择可用性（SelectiveAvailability—SA）政策。3.精测距码（P码）的加密措施（Anti-spoofing—AS）也叫反电子欺骗措施。非特许GPS用户对美国限制性政策的措施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。3.开发GPS与GLONASS兼容接收机。4.研究和开发差分GPS定位技术。GPS技术现代化1.关闭SA2.增加民用频率3.增大星座4.增加后向天线5增加信号功率2023/2/13.7GPS接收机 JPL于1982年的GPS接收机：接收机73kg，天线18

kgTrimbleR8接收机不到1kg2023/2/13.7GPS接收机带GPS导航的手表手持GPS导航仪2023/2/13.8GPS的定位原理定位原理距离交会2023/2/13.9GPS测距原理测距原理被动式电磁波测距2023/2/13.10GPS在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹

配备GPS的士兵

美国海军核潜艇

2023/2/13.11GPS在交通运输业中的应用在交通运输业的应用航运、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2023/2/13.12GPS在测量中的应用建立和维持全球性的参考框架2023/2/13.13GPS在测量中的应用板块运动和监测2023/2/13.13GPS在测量中的应用建立各级国家、地区平面控制网2023/2/13.13GPS在测量中的应用布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量润扬长江公路大桥首级施工控制网图

2023/2/13.13GPS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2023/2/13.14GPS在其他领域中的应用GPS其他应用领域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….2023/2/1五GPS现代化计划(以下部分为阅读材料，不要求掌握。）GPS卫星现代化的提出和内涵

GPS现代化的提法是1999年1月25日美国副总统戈尔以文告的形式发表的。文告只提出了几项民用GPS导航技术的改进和发展，但其整个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。随后美国军方和波音公司（GPS系统主要制造商）发表的文章都阐明了他的内涵：一是保护，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；二是阻止：即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；三是保持，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。

最新型的BLOCKⅡF已有六颗进入了工厂生产线，并已经发射了一颗。2023/2/11.GPS现代化计划中的军事部分

美国提出GPS现代化的基本目的是满足和适应21世纪美国国防现代化发展的需要，这是GPS现代化中第一位的，根本的。GPS现代化是为了更好地支持和保障军事行动。美国军事用户对GPS的需求大体有以下4个主要方面。在今后“信息战”“电子战”的背景下，GPS必须要有更好的抗电子干扰能力；要有安全的GPS使用范围，这包括两方面的含义，一是GPS用户能安全使用，二是对不同类型GPS用户要有不同使用范围，要区别对待；GPS用户要有更短的首次初始化时间；和其他军事导航系统和各类武器装备要相互配适。

2023/2/12.GPS现代化计划中的军事部分

使用美国GPS精码P（Y）的除美国军方以外，目前美国军方授权所在国家和地区的军方使用的有27个。其中主要是北约国家的军方，在授权亚太地区军方使用的国家和地区主要有：韩国、中国台湾、日本、新加坡、沙特阿拉伯、科威特、泰国等。

美国军方作出以下4项GPS现代化的响应技术措施。增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力。在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），与民用码分开。M码有更好的抗破译的保密和安全性能。军用接受设备比民用设备有更好的保护装置，抗干扰能力和快速初始化功能更强。创造新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS。2023/2/13.GPS现代化计划中的民用部分

为更好地满足民用导航、定位、大气探测等方面的需求，美方认为大体有以下5个主要方面。改善民用导航和定位的精度；扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性；提高导航的安全性（integrity),如增强信号功率,增加导航信号和频道；保持GPS在全球定位系统中技术和销售的领先地位；注意和现有的和将来的民用其他空间导航系统的匹配和兼容。2023/2/14.GPS现代化计划中的民用部分

基于上述需求，美方拟采取的措施有：在一年一度评估的基础上，决定是否将SA信号强度降为零。停止SA的播放，将使民用实时定位和导航的精度提高3—5倍。这已开始实行。这里要说明一点，美国军方已经掌握了GPS施加SA的技术，即GPS可以在局部区域内增加SA信号强度，使敌对方利用GPS时严重降低定位精度，无法用于军事行动。在L2频道上增加第二民用码，即CA码。这样用户就可以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电离层的改正。增加L5民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。2023/2/15.GPS现代化计划的进程安排

（1）GPS现代化第一阶段

发射12颗改进型的GPSBLOCKⅡR型卫星，它们具有一些新的功能。使其能发射第二民用码，即在L2上加载CA码；在L1和L2上播发P（Y）码的同时，在这两个频率上还试验性的同时加载新的军码（M码）；ⅡR型的信号发射功率，不论在民用通道还是军用通道上都有很大提高。（2）GPS现代化第二阶段

发射6颗GPSBLOCKⅡF。GPSBLOCKⅡF型卫星除了有上面提到的GPSBLOCKⅡR型卫星的功能外，还进一步强化发射M码的功率和增加发射第三民用频率，即L5频道。GPSⅡF型卫星的第一颗的发射不迟于2005年。到2008年在空中运行的GPS卫星中，至少有18颗ⅡF型卫星，以保证M码的全球覆盖。到2016年GPS卫星系统应全部以ⅡF卫星运行，共计24+3颗。2023/2/15.GPS现代化计划的进程安排

（3）GPS现代化计划的第三阶段

发射GPSBLOCKⅢ型卫星，在2003年前完成代号为GPSⅢ的GPS完全现代化计划设计工作。目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPSⅢ型卫星系统结构，系统安全性、可靠程度和各种可能的风险，在2008年要发射GPSⅢ的第一颗实验卫星。计划用近20年的时间完成GPSⅢ计划，取代目前的GPSⅡ。2023/2/14.1GLONASSGLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（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GLONASSconstellationGLONASSsatellite其他卫星导航系统2023/2/14.2GLONASS与GPS的比较参数GLONASSGPS系统中的卫星数21＋321＋3轨道平面数36轨道倾角64.8°55°轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率1602~1615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率1246~1256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz2023/2/14.3GLONASS卫星运行状况GLONASS卫星运行状况从1982年10月12日至1995年12月14日共发射了73颗卫星。卫星寿命过短至2006年3月20日，GLONASS系统共有17颗卫星在轨（11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗过期停用）计划到2007年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。2023