专题三GPS技术及其应用课件

GPS技术与

2/10/20231GPS技术与应用卫星无线电导航系统子午卫星导航系统（TRANSIT）全球定位系统（GPS）全球导航定位系统（GLONASS）双星导航定位系统（北斗一号）伽俐略系统（GAILILEO）1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星由前苏联成功发射，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展，迅速地跨入了一个崭新的时代。2/10/20232GPS技术与应用一、子午卫星导航系统（TRANSIT）子午卫星导航系统，又称多普勒卫星定位系统，它是58年底由美国海军武器实验室开始研制，于64年建成的“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem）。这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。1967年7月该系统由军方解密供民间使用。此后用户数量迅速增长，最多达9.5万户，而军方用户最多时只有650个，不足总数的1%，可见因生产的需要民间用户远远大于军方。2/10/20233GPS技术与应用技术特点定轨精度广播星历所预报的卫星位置的切向误差±17m；径向误差±26m；法向误差±8m。精密星历所预报的卫星位置精度为±2m。卫星性能星体直径约为50公分，卫星重量为45~73公斤。卫星信号4.9996MHz基准钟频信号，倍频30和80倍后，形成149.988MHz和399.968MHz的标准信号。定位精度利用广播星历的单点定位精度约为10m，观测100次卫星通过后的测量数据平差解算后，可获得精度为3~5m；利用精密星历观测40次卫星通过的测量数据平差解算后，可获得精度为0.5~1m；为了消除公共误差提高定位精度，相对定位的精度为0.5m。2/10/20235GPS技术与应用不足之处一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要一次定位一般需要连续观测一颗卫星通过的时间约为15～18分钟卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要。没有采用频分、码分、时分等多路接收技术，确定了该系统不能成为连续导航系统。子午卫星导航系统的定位精度偏低卫星轨道低，信号频率较低受电离层影响大，卫星钟频不够稳定2/10/20236GPS技术与应用二、全球导航定位系统（GLONASS）该系统是82年底由前苏联开始承建，期间因苏联解体，几经周折最后由俄罗斯于96年建成全球导航定位系统（GlobalNavigationSatelliteSystem,GLONASS）。该系统与美国的全球定位系统同属于第二代卫星定位系统。2/10/20237GPS技术与应用技术特点卫星信号两种载波信号，L1载波信号1602~1616MHz，民用；L2载波信号1246~1256MHz，军用。卫星之间的识别方法采用频分多址（FDMA），L1频道间隔为0.5625MHz，L2频道间隔为0.4375MHz。测距粗码（C/A码）的码频0.511MHz码长为511比特，重复周期为1ms；精码P码，尽管前苏联严格保密，英国立茨大学G..R.Lennen博士成功破译。定位精度水平精度：±50~70m；垂直精度：±75m；测速精度：±15cm/s；授时精度：±1μs。2/10/20239GPS技术与应用三、双星导航定位系统（北斗一号）我国已于2000年底（10月31日、12月21日）发射了两颗同步静止定位卫星，并完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位卫星，在2003年5月25日发射，于6月3日5时顺利定点，系统大功告成。2/10/202310GPS技术与应用系统组成卫星星座由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）；轨道倾角i=0°；公转周期T=24h恒星时；轨道高度H=36000km。地面系统一个中心站、定轨观测网、校准站、测高站2/10/202311GPS技术与应用定位原理卫星1☆星下点1☆星下点2定位圆1定位圆2地面中心站卫星2地面中心站通过2颗卫星传送测距问询信号，用户回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出卫地距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个卫地距离为半径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型中读出用户高程，进而让卫星转告用户。2/10/202313GPS技术与应用四、伽俐略系统（GAILILEO）从1994年欧盟开始对伽利略（GAILILEO）系统方案实施论证以来，2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略（GAILILEO）系统的L频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略（GAILILEO）系统的建设。该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资（36亿欧元），是将来精度最高的全开放的新一代卫星定位系统。2/10/202314GPS技术与应用系统组成卫星星座3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星（27颗工作卫星，3颗备用卫星）；轨道倾角i=56°；公转周期T=14h23m14s；轨道高度H=23616km。地面系统在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。定位精度导航定位精度比目前任何系统都高2/10/202315GPS技术与应用服务方式按不同用户层次分为免费服务和有偿服务两种级别。免费服务包括：提供L1频率基本公共服务，与现有的GPS民用基本公共服务信号相似，预计定位精度为10m。有偿服务包括：提供附加的L2或L5信号，可为民航等用户提供高可靠性、完好性和高精度的信号服务。系统定义了三种类型的业务：1.开放接入业务（OAS）：向民用用户开放的免费业务2.一类控制接入业务（CAS1）：为商业应用提供有偿服务。3.二类控制接入业务（CAS2）：为安全和军事提供有偿服务。所有这三类服务的精度都优于10m。CAS2可实现水平4m、垂直16m的定位精度。2/10/202317GPS技术与应用五、全球定位系统（GPS）全球定位系统的全称是：导航卫星测时测距/全球定位系统（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem），简称GPS。1973年12月，美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统——全球定位系统（GPS）。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时等多种功能。能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服务。GPS计划经历了方案论证（1974～1978年），系统论证（1979～1987年），试验生产（1988～1993年）三个阶段，总投资300亿美元。2/10/202318GPS技术与应用GPS系统组成2/10/202319GPS技术与应用GPS卫星发展历程第一代：实验卫星(BlockI)1978-1985共发射11颗，设计寿命5年，停止工作第二代：BlockII、BlockIIA、BlockIIR、BlockIIF1988-1994年共发射28颗BlockII、BlockIIA第三代：BlockIⅢ下一代工作卫星2/10/202321GPS技术与应用BLOCKIBLOCKII/IIA2/10/202322GPS技术与应用BLOCKIIFBLOCKIIR2/10/202323GPS技术与应用用户设备部分用户设备主要是GPS接收机，它由天线前置放大器、信号处理、控制与显示、记录和供电单元组成。2/10/202325GPS技术与应用GPS系统的特点定位精度高观测时间短测站间无需通视可提供三维坐标操作简便全天候作业功能多，应用广2/10/202326GPS技术与应用选择性可用政策（SelectiveAvailability，SA）δ技术将钟频信号加入高频抖动使C/A码波长不稳定ε技术将广播星历的卫星轨道参数加入人为误差，降低定位精度SA政策1991年7月1日实施，因影响美国商业利益，于2000年5月2日取消SA政策2/10/202329GPS技术与应用单点定位:2000年五月以前L1C/A码有SA政策25-100m2/10/202330GPS技术与应用单点定位:目前L1C/A码无SA政策10-20m2/10/202331GPS技术与应用单点定位:到2009年L1C/A码L2C/A码5-10m2/10/202332GPS技术与应用单点定位:到2013L1C/A码L2C/A码L5P码1-5m更好的抗干扰特性2/10/202333GPS技术与应用RTK定位:TodayL1码和载波相位L2载波相位数据链10km2cm精度2/10/202334GPS技术与应用RTK定位:将来L1码和载波相位L2码和载波相位L5码和载波相位数据链100+km信号失锁快速恢复能力2cm精度2/10/202335GPS技术与应用测绘/制图/GIS方面的应用测量精度可达到cm-mm级精度节省时间、成本、劳动力大约100%-300%自动制图各种工程测量石油、天然气、矿藏开发各种等级的控制测量变形监测：路基、桥梁和隧道的水平位移监测，滑坡和高边坡的变形监测2/10/202336GPS技术与应用相对经典的测量技术，GPS技术主要特点如下：1、观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标，这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。2、定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1~2×10-6，而在100km~500km的基线上可达10-6~10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度可达到或优于10-8。2/10/202337GPS技术与应用相对经典的测量技术，GPS技术主要特点如下：3、观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1~3小时。为了进一步缩短观测时间，