第7章GPS定位的基本原理

1、第7章 GPS定位原理,GPS技术是一种卫星定位技术，英文全称为：“Navigation Satellite Timing And Ranging /Global Positioning System”，其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”。 GPS全球卫星定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。,71 卫星定位技术概述,1957年10月第一颗人造地球卫星上天，天基电子导航应运而生 卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。,一、卫星定位技术的发展历程,当初，人造地球卫星仅仅作为一种空间的观测目标，通过在地面观测站对卫星的摄影观测，测定测站至卫星的方向，

2、建立卫星三角网。这种方法称为卫星三角测量。 卫星三角测量能够解决常规大地测量难以实现的远距离陆地海岛联测定位的问题，但是受卫星可见条件及天气的影响，费时费力，不仅定位精度低，而且不能测得点位的地心坐标。,20世纪6070年代，美国、英国和德国协作，就花了几年时间，用卫星三角测量测设了有45个测站的全球三角网，点位精度5m。这种技术仅仅把卫星作为空间观测目标，属于卫星定位技术的低级阶段。 20世纪50年代末期，美国开始研制用多普勒卫星定位技术进行测速、定位的卫星导航系统，叫做子午卫星导航系统（NNSS）。70年代，部分导航电文解密交付民用，自此，卫星多普勒定位技术迅速兴起。,多普勒定位具有经济快

3、速、精度均匀、不受天气和时间的限制等优点。只要在测点上能收到从子午卫星上发来的无线电信号，便可在地球表面的任何地方进行单点定位或联测定位，获得测站点的三维地心坐标。子午卫星导航系统的问世，开创了海空导航的新时代，将卫星定位技术发展到了把卫星作为动态已知点的高级阶段，揭开了卫星大地测量学的新篇章。,子午卫星导航系统采用6颗卫星，并都通过地球的南北极运行。地面上一点上空子午卫星通过的间隔时间较长，而对于同一地点两次子午卫星通过的间隔时间为0.81.6小时，对于同一子午卫星，每天通过次数最多为13次。由于一台多普勒接收机一般需观测15次合格的卫星通过，才能使单点定位精度达10m左右，而各个测站观测了

4、公共的17次合格的卫星通过时，联测定位的精度才能达到 0.5m左右。,间隔时间和观测时间长，不能为用户提供实时定位和导航服务； 子午卫星轨道低（平均高度1070km），难以精密定轨，以及子午卫星射电频率低，难以补偿电离层效应的影响，致使卫星多普勒定位精度局限在米级水平（精度极限0.5lm）。 精度较低限制了它的应用领域。,1973年12月，美国国防部批准陆海空三军联合研制新的卫星导航系统： “Navigation Satellite Timing And Ranging /Global Positioning System”，意为“卫星测时测距导航/全球定位系统”，简称GPS。 该系统是以卫星

5、为基础的无线电导航定位系统，具有全性能（陆地、海洋、航空和航天）、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。,全球性连续覆盖，全天候工作 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 功能多，用途广,GPS系统的特点,二、GPS系统的组成,美国从1973年开始筹建全球定位系统GPS，1994年投入使用。经历20年，耗资300亿美元，是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。,GPS定位系统由GPS卫星空间部分、地面控制部分和用户GPS接收机三部分组成。,1、空间部分,21颗工作卫星和23颗备用卫星。,

6、铯原子钟 计算机 2块7m2的太阳能翼板 无线电收发两用机 导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据） 姿态控制和太阳能板指向系统,GPS卫星,GPS的空间部分是由24颗GPS工作卫星组成的GPS卫星星座，其中21颗为可用于导航的卫星，3颗为活动的备用卫星。 24颗卫星分布在6个倾角为55的轨道上绕地球运行，卫星至地球表面的平均高度为20200km，运行周期约为12恒星时。地球上任何地点、任何时刻至少都能观测到4颗卫星。,卫星星座,GPS 卫星星座,1 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。 2 利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。 3 通过星载的原子钟提

7、供精密的时间标准。 4 向用户发送定位信息。 5 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。,GPS卫星的基本功能,地面控制部分,GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（1个）和注入站（3个） 主控站位于科罗拉多。3个注入站分别位于阿森松群岛、迭哥伽西亚、卡瓦加兰。5个监测站中的4个在以上主控站、注入站中，另外1个在夏威夷。 整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。,夏威夷,卡瓦加兰,狄哥伽西亚,阿松森岛,科罗拉多,GPS控制站的分布,

8、主控站主要任务： 1）协调和管理地面监控系统。 2）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。 3）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。 4）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 5）启用备用卫星代替失效工作卫星。,主控站,监测站是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。 注入站主要设备为1台直径3.

9、6m的天线、1台c波段发射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。,监测站和注入站,地面监控系统流程图,负责监控全球定位系统的工作： 监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行 跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户 保持各颗卫星的时间同步 必要时对卫星进行调度,GPS地面控制部分的作用,天线单元接收机天线、前置放大器 主机单元变频器、信号通道、贮存器、微处理机和显示器 电源 软件 接收机加处理软件包，才是完整的GPS用户设备,3. GPS用户设备部分,

10、接收、跟踪、变换和测量GPS信号的无线电设备 GPS接收机的组成 天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源 GPS接收机的作用 接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作,GPS接收机,GPS接收机的作用,能迅速截获按一定卫星截止高度角所选择的待测卫星信号 ，并跟踪这些卫星的运行 对所接收到的卫星信号进行变换、放大和处理 ，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维坐标，速度和时间,GPS接收机的类型,手持型,车载型,GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。 大地型接收机又分单频型和双

11、频型。,导航型GPS机,大地型GPS接收机,单频机,双频机,DSNP LEICA GARMIN,TRIMBLE ASHTECH JAVAD,几种品牌GPS接收机,SPS与PPS SPS 标准定位服务，使用C/A码，民用 PPS 精密定位服务，可使用P码，军用 SA（已于2000年5月1日取消） Selective Availability 选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。 方法 技术：轨道加扰（长周期，慢变化） 技术：星钟加扰（高频抖动，短周期，快变化） AS Anti-Spoofing 反电子欺骗 P码加密，P+W-Y,三、美国政府的GPS政策,实时单点定位的平面精度（m）,四、其它

12、卫星定位系统,俄罗斯建立的 GLONASS全球导航卫星系统 欧盟的伽利略卫星导航定位系统 欧洲空间局正在筹建的 NAVSAT导航卫星系统 由国际移动卫星组织（原名国际海事卫星组织）筹建的INMARSAT系统,1. 欧洲GALILEO计划,概述： 建设目的：市场需求用户潜力大； 政治需求欧洲政治经济独立 基本政策： 2/99 EC要求15个国家支持 Galileo “现在不行动就意味着失去千载难逢的 大好机会” 费用及资金：$ 30-35亿 - 部分来自EU，部 分向公 司自筹（PPP），部分来自各国政府（包 括非欧盟国家） 基本方案：第一步：EGNOS=GPS+GLONASS+GEOSAT（-

13、03） 第二步：GALILEO=完全的类GPS系统（03-）,“伽利略”卫星定位系统由30颗轨道卫星组成。美国GPS的民用定位精度误差为10米，“伽利略”确定物体的误差范围在1米之内。“伽利略” 能够与GPS、格拉纳斯系统实现多系统内的相互兼容。接收机可采集各个系统的数据，或通过各个系统数据的组合来实现定位导航要求。,“伽利略”卫星定位系统组成,“伽利略计划”是民用全球定位系统，欧盟希望从2008年起能够形成对全球定位系统的巨大挑战。目前实施这一计划的是欧洲航天领域著名企业成立的联合集团，参加国家除欧盟15国外，还有6个非欧盟国家（中国、印度、以色列、摩洛哥、沙特阿拉伯和乌克兰）。正在讨论加入

14、该计划的国家还有阿根廷、巴西、墨西哥、挪威、智利、韩国、马来西亚、加拿大和澳大利亚。中国是第一个加入“伽利略计划”的非欧盟国家，2004年10月9日我国与欧盟正式签署中欧“伽利略计划”技术合作协议。,中国加入“伽利略计划”,Galileo Spacecraft,卫星系统功能设计初步考虑,部分卫星具有完备性实时；播发功能； 卫星具有普通或特殊通信功能； 轨道参数初步如下：高度：23616 （km） 倾角：56（deg） 周期：14h4min 地面跟踪重复周期 ：10天,GALILEO系统星座设计初步方案,MEO(30/3/1) （27+3） 星座设计的优先考虑因素： 地区覆盖最优下考虑全球最优；

15、 与组成互补性全球最佳覆盖； 星座构成费用最少； 单点定位垂直方向精度不低于水平方向总精度,altitude 23616 km,inclination 56 degrees,period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 days,GALILEO DATA,27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO),GALILEO系统计划的服务方式,1. OAS（Open Access Service）无须授权即可接收信号，有大量市场应用，精度相当于C/A码结果 2. CAS（Controlle

16、d Access Service）仅授权的特许用户可接受信号，精度相当于p码结果，收费 3. SAS（CAS用户中有生命安全应用需求的）可收到完备性等信息，更高的收费 4. GAS（CAS中的有政府特须应用的用户）可收到特别的政府信息 由于收费，系统为用户承担使用风险！,GALILEO系统的关键特点,独立性：完整的可自行完成全部设计功能的系统 ； 兼容性：用户可在一体化接收机中同时操作处理GALILEO和GPS信号； 可用性：提供全球性使用服务； 安全性：可实时向用户提供定位失败信息服务，它带有一个实时的完备性监测网,2. 俄罗斯GLONASS系统,前苏联1978年开始研制全球轨道导航卫星系统

17、（Global Orbiting Navigation Satellite System，Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, GLONASS），1982年10月开始发射导航卫星。至1987年，共发射了27颗GLONASS试验卫星。 该系统与GPS系统极为相似，由24颗卫星组成卫星星座（21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星），均匀地分布在3个轨道平面内。卫星高度为19100km，轨道倾角为64.8，卫星的运行周期为11 时15分。GLONASS卫星的这种空间配置，保证地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测5颗卫星。,GLONASS导航

18、信号,GLONASS提供两种导航信号：标准精密导航信号（SP）和高精密导航信号（HP）。 SP 定位与授时服务适用所有GLONASS 的国内用户。其水平定位精度为57-70米（99.7%置信），垂直定位精度为70米（99.7%置信），速度矢量测量精度15cm/s（99.7%置信），时间测量精度在1mks（99.7%置信）。,卫星系统 GPS GLONASS GALILEO 星座卫星数 21+3 21+3 27+3 轨道面个数 6 3 3 轨道高度 20200公里 19100公里 23616公里 运行周期 11小时58分 11小时15分 14小时04分 轨道倾角 55度 64.8度 56度 载波

19、频率(兆赫) L1 1575.42 1602.56-1615.5 L2 1227.60 1246.44-1256.5 传输方式 码分多址 频分多址 调制码 C/A码和P码 S码和P码 时间系统 UTC UTC UTC 坐标系统 WGS-84 SGS-E90,3. 三种卫星系统比较,4. 中国北斗导航系统,“北斗导航系统”是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，此系统由二颗卫星、控制站和接收机组成，卫星编号分别为“北斗一号”和“北斗二号”，分别于2000年10月31日凌晨0时02分和2000年12月21日0时20分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。这标志着中国将拥有自主研制

20、的第一代卫星导航定位系统。这个系统建成后，主要为公路交通、铁路运输、海上作业等领域提供导航服务 。,5. 美国海军NNSS/Transit系统,海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System, NNSS）或子午卫星系统（Transit）是世界上第一个卫星导航系统。该系统在美国海军授权下，于1958年底由霍布金斯大学应用物理实验室开始开发，1964年1月研制成功，用于北极星核潜艇的导航定位，并逐步用于各种军舰的导航定位。1967年7月，经美国政府批准，对其广播星历解密，并提供民用，为远洋船舶导航和海上定位服务。,6. 前苏联海军CICADA系统,CICADA是

21、前苏联海军于1965年开始建立的卫星导航系统。与NNSS系统相似，CICADA系统也为第一代卫星导航系统。该系统由12颗所谓的宇宙卫星构成CICADA卫星星座。,7. 美国GEOSTAR系统,1982年7月，美国三位科学家提出了主动式卫星导航通信系统，1982年12月完成了总体设计，1983年GEOSTAR公司开始研制。该系统是利用地球同步定点卫星进行导航定位和通信，目的是想通过廉价的用户设备，来提供美国本土的定位服务。GEOSTAR系统有三颗同步卫星，分别位于西经70、100、130，卫星上装有一个转发机。用户设备为收发机。预计在全球沿赤道均匀地布设6颗地球同步卫星，即可构成全球导航定位通信

22、系统。系统定位时间为6秒，定位精度为210米。自1990年5月起，该系统已停止为用户服务。,8. 欧洲空间局NAVSAT系统,欧洲空间局于1982年提出建议，希望通过国际合作，建立一种民用的NAVSAT(Navigation Satellite)全球卫星导航系统，以满足海、空导航、搜索、营救、进出港、民航机着陆等需要。NAVSAT系统采用6颗地球同步卫星（GEO）和12颗高椭圆轨道卫星（HEO）组成混合卫星星座（如图1.2）。12颗HEO卫星均匀分布在6个轨道平面内，6颗GEO卫星同处于一个轨道平面内，轨道基本参数见表1.4。由此可见，地面上任何一处至少可以见到4颗NAVSAT卫星，故可用它们

23、进行全天候和全球性的实时导航和定位。,9. 原西德GRANAS系统,原西德的劳伦兹标准电气公司于1984年提出建立GRANAS（Global Radio Navigation System）全球无线电导航系统的设想。计划配置20颗卫星，分布在四个轨道上，用测距法定位。该系统兼具通信功能。,后方交会原理：通过测定到若干已知点的距离，来进行定位。,72 GPS定位的基本原理,S1,S2,S3,通过后方交会进行定位需要几个已知点 通常：测定测站到3个已知点的距离。 GPS：测定测站到4个已知点的距离。 已知点GPS卫星,已知点的数量,测距的基本方法电磁波测距： 距离 = 波速传播时间,距离的测定,距

24、 离 测 定 原 理,距 离 测 定 原 理,距离 = 传播时间 x 光速,距 离 测 定 原 理,我 们 必 定 在 以 R1 为 半 径 的 球 面 的 某 个 点 上,R1,点位测定原理,2 个 球 面 相 交 成 一 个 圆 弧 点 位 被 限 制 在 一 曲 线 上,R1,R2,点 位 测 定 原 理,3 个球面相交成一个点 3 个距离段可以确定纬度，经度，和高程 点 的 空 间 位 置 被 确 定,R1,R2,R3,点 位 测 定 原 理,由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度 , 经度 , 大地高程 h , 钟差 t,通过观测电磁波传播

25、时间所确定的站星距离都不可避免地含有卫星钟与接收机钟非同步误差（钟差）的影响。 含钟差影响的距离通常称为伪距。 由码相位观测所确定的伪距简称测码伪距，由载波相位观测所确定的伪距简称为测相伪距。,一、伪距及其分类,码伪距,测量方法 特点 能瞬时完成无模糊度的测距 精密度低，分米级厘米级,载波相位,测量方法 特点 精密度高，毫米级亚毫米级 所测距离含有模糊度,载波相位测定方法,GPS卫星不间断地发射卫星信号，这些信号含有多种定位信息，地面用户利用GPS接收机接收到这些信号后，可以根据不同的要求，从中获得不同的观测量。 无论采取何种GPS定位方法，都是通过获得GPS卫星信号，从而取得某种观测量来实现

26、的。,二、 GPS定位的观测量, 根据码相位观测得出的伪距。 根据载波相位观测得出的伪距。 由积分多普勒计数得出的伪距。 由干涉法测量得出的时间延迟。,GPS定位的观测量主要包括：,采用积分多普勒计数法进行定位时，所需观测时间较长，一般数小时，同时观测过程中，要求接收机的震荡器保持高度稳定。 干涉法测量时，所需设备较昂贵，数据处理复杂。 这两种方法在GPS定位中，尚难以获得广泛应用。 目前广泛应用的基本观测量主要有码相位观测量和载波相位观测量。,码相位观测 是测量GPS卫星发射的测距码信号（C/A码或P码）到达用户接收机天线（观测站）的传播时间。也称时间延迟测量。 载波相位观测 是测量接收机接

27、收到的具有多普勒频移的载波信号，与接收机产生的参考载波信号之间的相位差。,由于载波的波长远小于码长，C/A码码元宽度293m，P 码码元宽度29.3m，而L1载波波长为19.03cm， L2载波波长为24.42cm，在分辨率相同的情况下， L1载波的观测误差约为2.0mm， L2载波的观测误差约为2.5mm。而C/A码观测精度为2.9m，P码为0.29m。 载波相位观测是目前最精确的观测方法。,三、GPS信号,成分 载波： L1 : f1 = 1575.42 MHz 波长 = 19 cm L2 : f2 = 1227.60 MHz 波长 = 24 cm 测距码： C/A Code = f0 /

28、10 = 1 MHz 波长 = 297m P Code = f0 = 10 MHz 波长 = 29.7m L1 载波调制有 C/A 码和 P 码 L2 载波仅调制有 P 码 ( 目前已加载C/A 码) 导航电文,GPS信号生成,GPS信号的特点,选用L波段的两个频率 L波段电离层延迟影响较小，信道带宽分配易实现。采用两个频率，可测定电离层延迟影响，消除其误差 采用伪随机噪声码测距技术 伪随机噪声码测距技术具有良好的抗干扰性和保密性能。C/A码是粗捕获码，很易于捕获，但测距精度低；P码是精密测距码，难于捕获，易于保密，且测距精度高，无模糊度 采用二级调制 这样做，既节省卫星的电能，又增强了抗干扰能力，提高了保密性,四、GPS 定位观测方程,表达GPS观测量与观测站位置X,Y,Z坐标的关系式,1.伪距观测与单点定位,观测量 =ct 测码伪距的观测方程 (k,j)=(k,j)-ctk+ctj+t+i tk接收机钟差 t j卫星钟差，可从卫星发播的导航电文中获得 t电离层改正数 i对流层折射影响改正数 观测