《GPS原理及应用》课件第1章卫星定位技术的发展历史

1、GPS原理及应用,第一章 绪论 卫星定位技术的发展历史,世界上只有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中的崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空。 康德实践理性批判,古代天文学家,国外： 亚里士(斯)多德 （前384前322年），古希腊斯吉塔拉人，是世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家之一。 认为运行的天体是物质的实体，地是球形的，是宇宙的中心；地球和天体由不同的物质组成，地球上的物质是由水气火土四种元素组成，天体由第五种元素“以太”构成。,伽利略（Galileo Galilei，1564-1642），意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者。,1609年，

2、伽利略创制了天文望远镜，并用来观测天体，他发现了月球表面的凹凸不平，并亲手绘制了第一幅月面图。1610年1月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星。借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动，以及银河是由无数恒星组成等等。这些发现开辟了天文学的新时代。,哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473-1543）波兰天文学家、日心说创立者，近代天文学的奠基人。,哥白尼经过长期的天文观测和研究，创立了更为科学的宇宙结构体系日心说，从此否定了在西方统治达一千多年的地心说。,他指出月球本身并不发光，月光其实是日光的反射；他还正确地解

3、释了月食的成因，并且认识到宇宙的无限性和行星运动的快慢与距离地球远近的关系,国内： 张衡，南阳人。他是我国东汉时期伟大的天文学家，为我国天文学的发展作出了不可磨灭的贡献,编制出我国古代最先进、施行最久的历法授时历。计算回归年长度为365.2425日，与现今通行的公历值完全一致。,郭守敬（1231-1316）， 字若思，顺德邢台（今河北邢台）人，元朝天文学家、水利学家、数学家和仪表制造家。,区分了回归年和恒星年，首次把岁差引进历法，岁差的引入是中国历法史上的重大进步。木星公转周期为11.858年（今测为11.862年）。,祖冲之，字文远， 祖籍范阳郡遒县（今河北涞源县），南北朝时期杰出的数学家、

4、天文学家和机械制造家。,技术的跨越,1957年10月4日，前苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星，标志着空间科学技术的发展跨入了一个崭新的时代。,随着人造地球卫星的不断发展，世界各国不仅利用人造地球卫星为军事、经济和科学文化等服务，而且应用于空间定位，从而产生了卫星大地测量学。,1.1早期的卫星定位技术,卫星定位技术 是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。最初，人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标。,卫星三角测量法,在相距数千公里的A、B两个测站，各安设一台卫星摄影机在晴朗的夜晚，以恒星为背景，A、B两个测站对同一颗人造地球卫星(简称卫星)S，进行同步摄影。,由此得到的摄影底片，既

5、有卫星S1的影像Sa、Sb，又有某些恒星的影像；从天文年历中查出有关恒星的坐标，并在摄影底片上精确量测出卫星坐标，依此推算出A、B测站至卫星S的方向as1、bs1，从而获得一个同步平面AS1B。在A、B测站对另一颗卫星S2(或同一颗卫星的另个位置)再进行一次同步摄影，又可推算出A、B测站至卫星s2的方向as2、bs2，得到另一个同步平面AS2B，AS1B平面与AS2B平面的交线，便是连结A、B测站的弦线ab。,同理，当A、C测站进行两次同步摄影时，亦可求得连结A、C测站的弦线AC和B、C测站的弦线BC，若已知A、C测站的坐标，则可求得待定点B的坐标；如果A、C测站位于陆地上，月测站处于远海岛屿

6、上，用上述卫星摄影观测的方法，就可以实现大陆和海岛的联测定位，这是常规定位技术望尘莫及的。,1966年至1972年间，美国国家大地测量局在英国和前联邦德国测绘部门的协作下，用上述卫星三角测量方法测设了一个具有45个测站的全球卫星三角网，获得了5m的点位精度。,缺点 由于卫星三角测量受卫星可见条件及天气的影响，费时费力，定位精度又不甚理想，且不能得到点位的地心坐标，因此卫星三角测量成为种过时的观测技术,1.2 卫星多普勒定位系统,1958年12月，美国海军和霍普金斯(Hopkins)大学应用物理实验室，为了给北极星核潜艇提供全球性导航，开始研制一种卫星导航系统，称之为美国海军导航卫星系统(Nav

7、y NavigationSatellite System)，简称为NNSS。,1.2.1卫星多普勒定位系统,1959年9月发射了第一颗试验性卫星，到1961年11月，先后共发射了9颗试验性导航卫星。经过几年的试验研究，解决了导航卫星的许多技术问题。1963年12月起，陆续发射了6颗上作卫星组成子午卫星星座，使得地球表面上任何一个测站上，平均每隔2h便可观测到其中一颗卫星。由于这些卫星的轨道均经过地球的南北极上空，故称为子午卫星。卫星高度在9501200km之间，卫星运行周期约为107min，轨道近似于圆形。,1.2.2 多普勒定位原理,多普勒效应：当波源与接收器（观测者）作相对运动时，波源的发

8、射频率与观测者接收频率之间成立关系：,fr 接收频率； fs 发射频率； c 光速； 波源运动方向与波源到测站方向间的夹角； v 波源运动速度。,卫星多普勒定位已进入了卫星定位的高级阶段。此时，卫星不再作为一种单纯的空间观测目标，而是一种通过其轨道参数介入定位的动态已知点。观测方式从量测卫星方向转到测量地面测站至卫星的距离或距离差。,测定多普勒频移，即可求出： 为卫星到接收机的距离。,1.2.3 卫星多普勒定位系统组成,由三部分组成，除了以止围绕地球运行的子午卫星外，还有地面跟踪网以及用户接收机。地面跟踪网由跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和控制中心五部分组成。它们的任务是测定各颗卫星的轨

9、道参数，并定时将这些轨道参数和时间信号注入到相应的各颗卫星内，以便卫星按时向地面播发。接收机是用来接收卫星发射的信号、测量多普勒频移、解译卫星的轨道参数，以测定接收机所在位置的设备。由于这些接收机都是采用多普勒效应原理进行接收和定位的，所以也称为多普勒接收机。,1.2.4 NNSS优缺点,NNSS的优点： （1）经济、快速，不受天气和时间限制。采集2天数据，可得分米级精度的三维地心坐标。 （2）实现了全球范围内的核潜艇、导航测量船、军民用舰船的全天候导航，以及海上石油勘探、钻井定位、海底电缆铺设、海洋调查等方面的广泛定位。,NNSS的缺点： （1）子午卫星轨道高度低（1000km左右），难以做

10、到精确定轨。卫星沿经圈运动。 （2）子午卫星仅有六颗，数量少，无法实现全球的实时导航和定位。6颗卫星，950-1200km轨道，107min。 （3）信号频率低，难以补偿电离层折射的影响。,1.3全球定位系统,1973年12月，美国国防部（DOD）批准建立GPS卫星全球导航定位系统（NAVSTAR/GPS），即：测时、测距/全球定位系统，计划投资300亿美元（实际花费130亿美元，管理有方）。,1.3.1 GPS方案,（1）初期方案：24颗卫星组成的实用系统；互成120度的3个轨道平面上，每个轨道平面上分布8颗星，同时能测6-9颗星，定位精度为100米，精码定位精度为10米。 （2）中期方案：

11、1978年，压缩国防预算，减少对GPS计划的拨款。方案改为：18颗卫星分布在互成60度的6个轨道平面上，55度倾角，每个轨道平面上分布3颗星，同时能测4颗星。可靠性低，一旦卫星发生故障，可靠度更低。,（3）最终方案：1990年初，第三次修改。方案是：有21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组称，6个轨道互成60度角，共有24颗卫星，轨道长半轴为26609公里，高度在两万公里以上。,1.3.2计划分三阶段实施,（1）第一阶段原理与可行性（方案论证和初步设计阶段） 由1973 -1979年，共发射4颗试验卫星，结果令人满意。 （2）第二阶段系统全面研制与试验阶段 由1979-1984年，发射了7颗试验卫

12、星，Block卫星（11颗）。定位精度远远超过设计精度。粗码定位精度为14米。 （3）第三阶段最后工程完成与发展（实用组网阶段） 1989年，工作卫星发射，Block、BlockA。DOD于1995年4月27日宣布：“GPS系统已具备全部运作能力。至此，整个历时23年、耗资130亿美元的GPS计划宣告完成。,1.3.3 GPS定位系统的组成,GPS系统的组成： GPS工作卫星星座空间部分； 地面监控系统地面控制部分； GPS接收机用户设备部分。,一、空间部分GPS工作卫星星座,GPS的空间部分的组成 GPS卫星星座,6个轨道面 平均轨道高度20200km 轨道倾角55 周期11h 58min（

13、顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）,GPS卫星星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 保证在每天24小时的任何时刻和地点，能够同时观测到4颗以上卫星,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（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文） 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,二、 GPS的地面监控部分,地面监控部分 （Ground Segment） 组成 主控站：1个 监测站：5

14、个 注入站：3个 通讯与辅助系统,GPS的地面监控部分,地面监控部分 （Ground Segment） 分布,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。,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）,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。,三、 GPS

15、的用户部分,组成 用户 接收设备 接收设备 GPS信号接收机 其它仪器设备,GPS信号接收机 组成 天线单元 带前置放大器 接收天线 接收单元 信号通道 存储器 微处理器 输入输出设备 电源,GPS接收机的组成及作用,（1）天线接收GPS卫星信号，滤波、放大； （2）主机对GPS信号进行“解码”，计算卫星位置，计算站星间的“伪距”（包含钟差改正数），解算出测站坐标。 （3）输入/输出系统操作键盘，显示器，通讯接口，记录器。,1.3.4 GPS的优点,优点： （1）全球地面连续覆盖，卫星数目多且分布合理，在地球上任何地方可连续同步观测到至少4颗卫星。保障了全球、全天候连续实时导航与定位。 （2）

16、功能多、精度高，连续提供动态目标的三维位置信息、三维速度和时间信息。 （3）实时定位速度快，1秒即可完成定位。 （4）抗干扰性能好，保密性强。,GPS为何有如此多的优点、为许多行业带来一场革命？,1.3.5 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： 精密定位服务（Precise Positioning Service-PPS）（P码，精码，军用，单点定位精度约10米）； 标准定位服务（Standard Positioning Service-SPS）（C/A码，粗码，民用，单点定位精度约100米）。 实际定位精度远高于设计精度，利用粗码（C/A码）定位精

17、度为14米，精码（P码）为3米。,2、实施选择可用性（Selective Availability）政策：为了进一步降低标准定位服务（SPS）的定位精度，以保障美国政府的利益与安全，对GPS工作卫星发播的信号，实行了SA政策，以进行人为的干扰，使非特许用户（unauthorized user）不能获得高精度定时定位的方法。 2000年5月1日，美国国防部（DOD）正式宣布，取消SA政策，使普通GPS（包括手持GPS接收机）的单点定位精度提高到15米左右。,3、精测距码的加密（A-S）措施： P码的加密措施，也叫“反电子欺骗”（Anti-Spoofing）措施。当P码已被解密，或在战时，对方如果

18、知道了特许用户接收机所接收卫星信号的频率和相位，便可以发射适当频率的干扰信号，诱使特许用户的接收机错锁信号，产生错误的导航信息。为了防止这种电子欺骗，进一步加密P码，美国将在必要时引入机密码W，将P码转换成Y码。由于W码是严格保密的，所以非特许用户，将无法继续应用P码进行精密定位和进行上述电子欺骗。,1.4 其他卫星导航定位系统,1.4.1 GLONASS： 前苏联于1982年10月开始研究，计划1995年前建成。 GLONASS工作卫星星座：24颗卫星，其中21颗为工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在3个轨道上，轨道平面倾角64.8度； 卫星高度：19100公里； 运行周期：11小时15分；

19、信号频率：1600MHz，1200MHz。,问题,俄罗斯任务控制中心称目前GLONASS系统19颗在轨卫星中只有12颗处于运转状态。未来可能会有4颗在轨卫星开始工作，使GLONASS星座达到16颗卫星。但是，这些卫星中只有7颗是Uragan-M改进型卫星，而其他的都达到或接近服务寿命终结。很有可能在2008年末，所有的陈旧卫星都停止运转。,1.4.2 Galileo,欧洲认为不能依赖于GPS或GLONASS有三个理由： 1）欧洲安全攸关的导航系统的管辖或保安问题不能落到欧洲控制以外； 2）需要确保欧洲用户不至于陷入被独占和垄断服务供应者改变服务或引入收费机制的被动局面和困境； 3）欧盟工业界需

20、要有效地进入有利可图的全球市场。,Galileo系统建设的时间表 1）第一阶段（1999-2001）：定义Galileo系统的框架，制定发展计划； 2）第二阶段（2001-2005）：发展阶段； 3）第三阶段（2006-2007）：实施阶段，进行卫星的研制、卫星的发射及地面设施建设； 4）第四阶段（2008-2020）：运行应用阶段。,1.4.3我国卫星导航定位技术的发展,北斗导航系统 1）概述 2000年10月12日，我国两次成功发射“北斗”导航试验卫星，为我国“北斗”卫星导航定位系统建设奠定了基础。“北斗”卫星导航定位系统为全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统。,“北斗”导航试验卫

21、星由中国航天科技集团空间技术研究院研制。“北斗”卫星导航定位系统目前由定位于赤道上空的2颗地球同步卫星（800E和1400E）、一颗在轨备份卫星（110.5E）、地面中心站、用户终端等部分组成。定位可以由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行定位后将位置信息广播出去由该用户获取，也可以由中心站主动进行指定用户的定位，定位后不将位置信息发送给用户，而由中心站保存。,2）北斗导航系统定位原理,北斗”卫星导航定位系统由两颗经度相差60的地球静止卫星对用户双向测距，由1个配有电子高程图的地面中心站定位，另有几十个分布于全国的参考标校站和大量用户机。其定位原理是：以2颗卫星的已知坐标为圆心，分别以测定

22、的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。电子高程地图提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点即可获得用户位置。 若不附加其他信息，仅凭定位于赤道上空的同步轨道上的2颗卫星所提供的测距数据是难以有效解算目标位置的三维坐标分量的。,在双星定位系统中，具体的定位过程是：首先由中心站发出信号，分别经两颗卫星反射传至接收部分，再由接收部分反射2颗卫星分别传回中心站，中心站计算由2种途径所需时间t1、t2，再经过计算即可完成定位，计算过程如下：,由于卫星1、卫星2是地球同步卫星，所以2颗卫星和中心站的地心坐标都是已知的

23、，而根据数字地面高程，接收部分的高程也是可知的，因此，两式中R1、R2是已知的， C为光速，两个未知数 r1、r2可以通过方程式解出，即 ：,其中，只有x、y两个未知数。至此，就可能确定接收机的二维位置，定位精度在15m左右。,3）系统功能,目前该系统可提供四大功能：快速定位；实时导航；简短通信；精密授时。 简短通信：实现无线电通信的基本条件是：线路要是双向的，每一端即能发射又能接收；双方各有特定识别码，即不会送错又不会被第三者所接收；通信电文预先约定，能够互相译出。本系统的地面中心站和用户终端站收发机具备这几个条件，因为系统是双向闭合环路，每个终端站收发机都有专用识别码。 精密授时：授时与通信、定位是在同一信道中完成的。地面中心站的铯钟产生标准时间和标准频率，通过询问信