GPS測量原理及應(yīng)用：第一章 緒論

1、2022/7/291GPS測量原理及應(yīng)用2022/7/292第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展專業(yè)：測繪類專業(yè)本科生、研究生，遙感與地理信息系統(tǒng)專業(yè)，以及相關(guān)專業(yè)本科生。目的：了解GPS系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r、定位原理和方式，以及有關(guān)數(shù)據(jù)處理的方法，了解在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用，能初步進(jìn)行操作，為今后工作奠定基礎(chǔ)。先修課程：測量學(xué)、控制測量、大地測量、誤差理論與測量平差2022/7/293第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展1957年10月人類把第一顆地球人造衛(wèi)星送人太空，空間科學(xué)（空間技術(shù)）即以非常迅猛的速度發(fā)展。60年代問世的地球人造衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)；70年代已發(fā)展為全球定位系統(tǒng)（以GPS為

2、代表），向人類提供全球、全天候、高精度實(shí)時(shí)導(dǎo)航與定位服務(wù)。2022/7/294第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 什么是GPS？ GPS的英文全稱是：Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System (NAVSTARGPS） 衛(wèi)星測時(shí)測距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng).簡稱GPS，全球定位系統(tǒng)。2022/7/295第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展GPS概述建立國家：美國目的：在全球范圍內(nèi)，提供實(shí)時(shí)、連續(xù)、全天候的導(dǎo)航定位及授時(shí)服務(wù)開始籌建時(shí)間：1973年完全建成時(shí)間：1995年2022/7/296第一章 緒論11

3、 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展2022/7/297第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展接收機(jī)種類-輕便導(dǎo)航定位2022/7/298第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展In-car navigation2022/7/299第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展Building/engineering set out2022/7/2910第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展Crustal motion2022/7/2911第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展Machine guidance2022/7/2912第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展Air navigat

4、ion2022/7/2913第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展Mapping2022/7/2914第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展Deformation monitoring2022/7/2915第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展Missile guidance2022/7/2916第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展1.1.1 早期的衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星三角網(wǎng): 初期1962-1965年，作為一種空間的觀測目標(biāo)，有地面觀測站對它進(jìn)行攝影觀測，測定觀測站至衛(wèi)星的方向，建立衛(wèi)星三角網(wǎng)。 2022/7/2917第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展1.1.1 早期的

5、衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星激光測距 由地面站的激光測距儀向衛(wèi)星發(fā)射激光脈沖，并接收由衛(wèi)星反射鏡反射回來的脈沖，測量脈沖往返傳播時(shí)間，從而計(jì)算距離。 缺點(diǎn): 精度有限，定位精度5m，且觀測條件受到限制。 衛(wèi)星激光測距 2022/7/2918第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展1.1.2 子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用及其缺陷 1958年12月美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室開始研制， 1964年建成 “子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”-(美 國海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)) （Navy Navigation Satellite System-NNSS） 2022/7/2919第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展事情是這樣的：1957年10月

6、前蘇聯(lián)成功發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星。美國霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的吉爾博士和魏分巴哈博士對衛(wèi)星遙測信號的多普勒頻移產(chǎn)生了濃厚的興趣。多普勒衛(wèi)星定位系統(tǒng)的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而當(dāng)時(shí)美國海軍正在尋求一種可以對北極星潛艇中的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行間斷精確修正方法，于是美國軍方便積極資助霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開展進(jìn)一步的深入研究。 2022/7/2920第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展1958年12月克什納博士開展了三項(xiàng)研究工作：研制衛(wèi)星；建立地球重力場模型以便衛(wèi)星的精確定軌和準(zhǔn)確預(yù)報(bào)衛(wèi)星的空間位置；研制多普勒接收機(jī)。1964年1月正式建成并投入軍方使用，直至1967年7月該系統(tǒng)才由軍方解密供

7、民間使用。此后用戶數(shù)量迅速增長，最多達(dá)9.5萬戶，而軍方用戶最多時(shí)只有650個(gè)，不足總數(shù)的1%，可見因生產(chǎn)的需要民間用戶遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軍方。 2022/7/2921第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展系統(tǒng)簡介衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）；利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)航定位，也被稱為多普勒定位系統(tǒng)；美國研制、建立；1964年1月建成；1967年7月解密供民用；子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座2022/7/2922第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 系統(tǒng)組成空間部分衛(wèi)星：發(fā)送導(dǎo)航定位信號（信號：149.988MHz；399.968MHz；星歷）衛(wèi)星星座 由6顆衛(wèi)星構(gòu)成，6軌道面，

8、軌道高度1070km地面控制部分包括：跟蹤站4、計(jì)算中心1、注入站2、控制中心2和海軍天文臺2用戶部分多普勒接收機(jī)大地測量多普勒接收機(jī) - 1（MX1502）大地測量多普勒接收機(jī) - 2（CMA751）2022/7/2923第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展四個(gè)衛(wèi)星跟蹤站（加利福尼亞州的穆古角、明尼蘇達(dá)州、夏威夷、緬因州）。當(dāng)子午衛(wèi)星通過跟蹤站上空時(shí)可以觀測記錄各衛(wèi)星信號的多普勒頻移，并將測到的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算中心。計(jì)算中心（穆古角），計(jì)算中心根據(jù)各跟蹤站最近36小時(shí)的觀測資料計(jì)算各衛(wèi)星的軌道，并外推預(yù)報(bào)16小時(shí)的衛(wèi)星位置，然后按一定的編碼格式寫成導(dǎo)航電文傳送到注入站。地面的2個(gè)注入站分

9、別位于穆古角和明尼蘇達(dá)州，注入站接收并存儲由計(jì)算中心送來的導(dǎo)航電文，每12小時(shí)左右向衛(wèi)星注入1次導(dǎo)航電文。美國海軍天文臺主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星以及地面計(jì)時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間對比，求出衛(wèi)星鐘差改正數(shù)和鐘頻改正數(shù)。2022/7/2924第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn) （1）定軌精度：相同的地球重力場模型且攝動修正精度一定的情況下，衛(wèi)星定軌精度主要取決于地面跟蹤站的數(shù)量及其分布。 廣播星歷：是由美國本土的4個(gè)衛(wèi)星跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)解算的。因測站數(shù)量及分布范圍都小，故衛(wèi)星定軌精度不高。廣播星歷所預(yù)報(bào)的衛(wèi)星位置的誤差17m。 精密星歷：是由美國國防制圖局根據(jù)全球20個(gè)衛(wèi)星跟蹤站的觀測資

10、料解算的。精密星歷所預(yù)報(bào)的衛(wèi)星位置精度為 2m。 2022/7/2925第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展（2）衛(wèi)星性能：星體直徑約為50公分，衛(wèi)星重量為4573公斤。如此輕巧的衛(wèi)星如何保持姿態(tài)穩(wěn)定（重力梯度穩(wěn)定），使衛(wèi)星的天線始終指向地面。他們在衛(wèi)星天線的指向端接了一條30米長的穩(wěn)定桿，桿端配有一個(gè)1.4公斤的重錘，在重力的作用下重錘始終把長桿和天線拉向下方，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的姿態(tài)穩(wěn)定。衛(wèi)星還裝有4塊太陽能電池板，給衛(wèi)星提供所需的電能。 2022/7/2926第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展（3）衛(wèi)星信號：衛(wèi)星配有一臺頻率相當(dāng)穩(wěn)定的時(shí)鐘，由此產(chǎn)生一個(gè)頻率為4.9996MHz基準(zhǔn)鐘頻

11、信號，該信號再經(jīng)過倍頻器分別倍頻30和80倍后，形成兩個(gè)頻率為149.988MHz和399.968MHz的標(biāo)準(zhǔn)信號供衛(wèi)星使用。 2022/7/2927第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展（4）定位精度：多普勒定位儀利用廣播星歷的單機(jī)定位精度一般為10m左右，若觀測100次衛(wèi)星通過后的測量數(shù)據(jù)平差解算后，可獲得精度為35m地心坐標(biāo)；如果利用精密星歷觀測40次衛(wèi)星通過的測量數(shù)據(jù)平差解算后，可獲得精度為0.51m地心坐標(biāo)；2022/7/2928第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展1.3 子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理 通過測定同一顆衛(wèi)星不同間隔時(shí)段其信號的多普勒效應(yīng)，從而確定衛(wèi)星在各時(shí)段相對

12、觀察者的視向速度和視向位移；在不同時(shí)段觀測距同一顆衛(wèi)星的距離差，采用距離交匯來確定位置。再利用衛(wèi)星導(dǎo)航電文所給定的t1、t2、t3、t4時(shí)刻的衛(wèi)星空間坐標(biāo)，結(jié)合對應(yīng)的視向位移則可解算出測站空間坐標(biāo)P（X，Y，Z）。 2022/7/2929第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展（1）衛(wèi)星少，觀測時(shí)間和間隔時(shí)間長，無法提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位服務(wù)；子午衛(wèi)星星座多普勒單點(diǎn)定位系統(tǒng)缺陷2022/7/2930第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展一顆衛(wèi)星通過的時(shí)間約為818分鐘。該系統(tǒng)只能作為船舶等低動態(tài)用戶進(jìn)行輔助導(dǎo)航無法用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等高動態(tài)用戶的實(shí)時(shí)定位。運(yùn)動的物體定位。衛(wèi)星出現(xiàn)時(shí)間間隔過長

13、（0.8-1.6h），無法滿足連續(xù)導(dǎo)航的需要。2022/7/2931第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展按理論上的設(shè)計(jì)，六顆衛(wèi)星應(yīng)當(dāng)均勻分布在相互間隔為30度軌道平面上。但由于早期衛(wèi)星入軌精度不高，各衛(wèi)星周期、傾角、偏心率都存在不同程度的誤差，故各衛(wèi)星軌道進(jìn)動的大小和方向也都不盡相同，這樣經(jīng)過一段時(shí)間后各衛(wèi)星軌道間的間距就變得疏密不一。因而地面可觀測衛(wèi)星的時(shí)間分布就變得更加沒有規(guī)律，中緯度地區(qū)的用戶平均1.5小時(shí)左右可以觀測到一顆衛(wèi)星，有時(shí)在高緯上空可出現(xiàn)多顆衛(wèi)星造成信號的互相干擾。2022/7/2932第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展（2）導(dǎo)航定位精度低單點(diǎn)定位： 15次合格

14、衛(wèi)星通過（兩次通過之間的時(shí)間間隔為0.8h 1.6h），精度約為10m。聯(lián)測定位： 各站共同觀測17次合格衛(wèi)星通過，精度約為0.5m。多普勒聯(lián)測定位2022/7/2933第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展（3）衛(wèi)星軌道低，難以進(jìn)行精密定軌低軌衛(wèi)星形成的圖形較好；受到大氣阻力和地球重力場的影響較大（12m誤差）。 多普勒單點(diǎn)定位2022/7/2934第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展（4）衛(wèi)星信號頻率低，不利于補(bǔ)償電離層折射效應(yīng)的影響； 149.988 MHz；399.968 MHz 此產(chǎn)生的定位誤差大于1米，在太陽活動大年誤差就更大。 （5）觀測時(shí)間長，效率低 為獲得對大地測量

15、有意義的觀測量，需要觀測50100次，約需1周時(shí)間，有效時(shí)間不到20%。 子午衛(wèi)星的衛(wèi)星鐘頻引起的定位誤差可達(dá)0.8米。2022/7/2935第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展TRANSIT系統(tǒng)衛(wèi)星：6顆極地軌道軌道高度：1070km信號頻率：400MHz、150MHz絕對定位精度：1m相對定位精度：0.1m0.5m定位原理：多普勒定位存在問題：衛(wèi)星少，無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位；軌道低，難以精密定軌；頻率低，難以消除電離層影響。2022/7/2936第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展1.1.3 GPS全球定位系統(tǒng)的建立NAVSTARGPS“Navigation Satellite Ti

16、ming and Ranging /Global Positioning System”衛(wèi)星測時(shí)測距導(dǎo)航/全球定位系統(tǒng).以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng),具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位和定時(shí)功能。2022/7/2937第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展GPS的發(fā)展簡史方案論證階段 1973年12月，美國國防部批準(zhǔn)研制GPS。1978年2月22日，第1顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星。研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)。2022/7/2938第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展GPS的發(fā)展簡史全面研制和試驗(yàn)階段 從197

17、9年到1987年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 2022/7/2939第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展GPS的發(fā)展簡史實(shí)用組網(wǎng)階段 1989年2月14日，第1顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功。1991年，在海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用于實(shí)戰(zhàn)。1993年底實(shí)用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。 1995年7月17日，GPS達(dá)到FOC 完全運(yùn)行能力（Full Operational Capability）。方案論證（1974-1978）- 系統(tǒng)論證（1979-1987）-生產(chǎn)試驗(yàn)（1988-1

18、993)2022/7/2940第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展方案論證（1974-1978）- 系統(tǒng)論證（1979-1987）-生產(chǎn)試驗(yàn)（1988-1993)20年，300億美金1989.2.14工作衛(wèi)星發(fā)射1973.12批準(zhǔn)研制GPS1978.2.22試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射1973 1979發(fā)射4顆試驗(yàn)衛(wèi)星1979 - 1987發(fā)射7顆試驗(yàn)衛(wèi)星2022/7/2941第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展GPS由24顆高度為20200 km的衛(wèi)星形成空間部分衛(wèi)星星座，其中21顆作為工作衛(wèi)星，3顆作為備用衛(wèi)星，連同設(shè)在美國本土的地面監(jiān)測部分和采用偽隨機(jī)碼測量技術(shù)的接收機(jī)，滿足了提供全球范圍從

19、地面到9000 km高空之間任一載體高精度的: 三維位置，三維速度和系統(tǒng)時(shí)間信息GPS由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶部分組成。 2022/7/2942第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 空間部分24顆衛(wèi)星分布在六個(gè)等間隔的軌道上，軌道面相對赤道面的傾角為55度，每個(gè)軌道面上有4顆衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道為圓形，運(yùn)行周期為11小時(shí)58分，這樣的衛(wèi)星分布，可保證全球任何地區(qū)、任何時(shí)刻有不少于4顆衛(wèi)星以供觀測。 2022/7/2943第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展從GPS的提出到1993年建成，經(jīng)歷了20年，實(shí)踐證實(shí)，GPS對人類活動影響極大，應(yīng)用價(jià)值極高，所以得到美國政府和軍隊(duì)的高度重視

20、，不惜投資300億美元來建立這一工程，成為繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后的第三項(xiàng)龐大空間計(jì)劃。它從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航和定位問題，可以滿足各種不同用戶的需要。2022/7/2944第一章 緒論12 GPS系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)包括三大部分： 空間部分GPS衛(wèi)星星座； 地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng)； 用戶設(shè)備部分GPS信號接收機(jī)。1.2.1 GPS工作衛(wèi)星及其星座 由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座，記作(21+3)GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道傾角為55度，各個(gè)軌道平面之間相距60度，即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。GPS衛(wèi)星信號構(gòu)成GPS衛(wèi)星信號

21、測距碼數(shù)據(jù)碼(導(dǎo)航電文）載波P碼（Y碼）C/A碼L1載波L2載波偽隨機(jī)碼L波段L1載波L2載波2022/7/2946Signal structureFundamentalFrequency10.23 MHzL11575.42 MHzl = 0.19 mC/A - Code1.023 MHzl = 300 mP-Code10.23 MHzl = 30 mL21227.60 MHzl =0.24 mP-Code10.23 MHzl =30 m50 BPSSatellite Message 1 10 x 120 x 1542022/7/2947第一章 緒論12 GPS系統(tǒng)組成1.2.2地面監(jiān)控系統(tǒng)地

22、面監(jiān)控系統(tǒng)測量和計(jì)算每顆衛(wèi)星的星歷，編輯成電文發(fā)送給衛(wèi)星，然后由衛(wèi)星實(shí)時(shí)地播送給用戶；保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)-GPS時(shí)間系統(tǒng)。工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括:1個(gè)主控站、3個(gè)注入站和5個(gè)監(jiān)測站。 2022/7/2948第一章 緒論12 GPS系統(tǒng)組成2022/7/2949第一章 緒論12 GPS系統(tǒng)組成 主控站的作用1.收集、處理本站和監(jiān)測站收到的全部資料，編制出每顆衛(wèi)星的星歷和GPS時(shí)間系統(tǒng)，將預(yù)測的衛(wèi)星星歷、鐘差、狀態(tài)數(shù)據(jù)及大氣傳播改正編制導(dǎo)航電文傳送到注入站。2.調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定的軌道運(yùn)行，必要時(shí)啟動備用衛(wèi)星以替代失效的工作衛(wèi)星。保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)-GPS時(shí)間系

23、統(tǒng)。2022/7/2950第一章 緒論12 GPS系統(tǒng)組成 注入站位置：分別設(shè)在大西洋的阿森松島、印度洋的迪戈加西亞島和太平洋的卡瓦加蘭。任務(wù)：將主控站發(fā)來的導(dǎo)航電文注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲器。每天注入3次，每次注入14天的星歷。注入站能自動向主控站發(fā)射信號，每分鐘報(bào)告一次自己的工作狀態(tài)。2022/7/2951第一章 緒論12 GPS系統(tǒng)組成2022/7/2952第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 監(jiān)測站為主控站提供衛(wèi)星的觀測數(shù)據(jù)。每個(gè)監(jiān)測站均用GPS信號接收機(jī)對每顆可見衛(wèi)星每6分鐘進(jìn)行一次偽距測量和積分多普勒觀測，采集氣象要素等數(shù)據(jù)。在主控站的遙控下自動采集定軌數(shù)據(jù)并進(jìn)行各項(xiàng)改正，然后將

24、數(shù)據(jù)發(fā)送給主控站。 2022/7/2953第一章 緒論12 GPS系統(tǒng)組成 1.2.3 GPS信號接收機(jī)GPS信號接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理；以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間。2022/7/2954第一章 緒論13 GPS在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用1.3.1 GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)1定位精度高 應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，GPS相對定位精度在50km以內(nèi)可達(dá)10-6，100500km可達(dá)10-7，1 000km

25、以上可達(dá)10-9。在3001 500m工程精密定位中，1小時(shí)以上觀測的解其平面位置誤差小于1mm，與ME5000電磁波測距儀測定的邊長比較，其邊長較差最大為0.5mm，較差中誤差為0.3mm。平面定位精度：1-3mm; 高程5-10mm 2022/7/2955第一章 緒論13 GPS在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用2觀測時(shí)間短20km以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需1520分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動站與基準(zhǔn)站相距在15km以內(nèi)時(shí)，流動站觀測時(shí)間只需12分鐘；動態(tài)相對定位測量時(shí)，流動站出發(fā)時(shí)觀測12分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測僅需幾秒鐘。 3測站間無需通視2022/7/2956第一章 緒論13 GP

26、S在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的應(yīng)用4可提供三維坐標(biāo) 經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。GPS可同時(shí)精確測定測站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測量的精度。5操作簡便6全天候作業(yè)7功能多，應(yīng)用廣 2022/7/2957第一章 緒論14中國的 GPS跟蹤網(wǎng) (一)美國的GPS政策 美國在研制GPS總體方案時(shí)，就已經(jīng)制定了“主要為軍用，同時(shí)也兼顧民用的雙用途 政策”。此后，陸續(xù)出臺了一系列的“雙用途”政策，例如以下幾方面。 1975年規(guī)定，GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，含有兩種不同的測距碼：CA碼(也稱 粗碼)和P碼(也稱精碼)。 前者進(jìn)行單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位的精度約為 2030m，后者利用P碼進(jìn)

27、行單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位的精度可優(yōu)于10m。2022/7/2958第一章 緒論14中國的 GPS跟蹤網(wǎng) 美國從1991年7月起實(shí)施選擇可用性SA(SelectiveAvailability)技術(shù)。 a在廣播星歷中對GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)頻率采用技術(shù)(其變化為無規(guī)律的隨機(jī)變化)，降低星歷精度，使定位中的已知點(diǎn)(衛(wèi)星)的位置精度大為降低。 b有意地在衛(wèi)星鐘的鐘頻信號中采用 技術(shù)(高頻抖動)，使鐘的頻率產(chǎn)生快慢變化，導(dǎo)致測距精度大為降低。 實(shí)施SA技術(shù)后，CA碼實(shí)時(shí)定位精度，平面位置降低至100m，高程位置降低至150m，嚴(yán)重影響了導(dǎo)航定位。2000年5月，美國取消了限制民用精度的“SA”政策，僅在局部或個(gè)別衛(wèi)星上

28、實(shí)施SA技術(shù)。 2022/7/2959第一章 緒論14中國的 GPS跟蹤網(wǎng) (二)擺脫GPS限制政策的途徑1建立獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航與服務(wù)2建立自己的GPS衛(wèi)星跟蹤網(wǎng)，獨(dú)立確定GPS衛(wèi)星精確軌道 北京、武漢、上海、長春、昆明、拉薩和烏魯木齊3改進(jìn)GPS精密定位方法及軟件，削弱SA和AS技術(shù)的影響2022/7/2960第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展1.1.4 GLONASS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASS Global Navigation Satellite System開發(fā)者：俄羅斯（前蘇聯(lián)）系統(tǒng)構(gòu)成：衛(wèi)星星座地面控制部分用戶設(shè)備 2022/7/2961第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位

29、技術(shù)的發(fā)展 GLONASS ConstellationGLONASS Satellite2022/7/2962GLONASS與GPS的比較 參 數(shù)GLONASSGPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)241213軌道平面數(shù)36軌道傾角64.8 55軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時(shí)）11h15min12h衛(wèi)星信號的區(qū)分頻分碼分L1頻率16021615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率12461256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHz2022/7/2963第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 GLONASS衛(wèi)星運(yùn)行狀況從1982年10月12日發(fā)射第一顆GLON

30、ASS衛(wèi)星起，至1995年12月14日共發(fā)射了73顆衛(wèi)星。由于衛(wèi)星壽命過短，加之俄羅斯前一段時(shí)間經(jīng)濟(jì)狀況欠佳，無法及時(shí)補(bǔ)充新衛(wèi)星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作。2022/7/2964第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展(1) GLONASS衛(wèi)星及其星座 保證地球上任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻均至少可以同 時(shí)觀測5顆衛(wèi)星。(2)地面基站控制體系 一個(gè)系統(tǒng)控制中心（Golitsyno-2, 莫斯科地區(qū)） 幾個(gè)分布于俄羅斯大部地區(qū)的指揮跟蹤臺站（CTS）2022/7/2965第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展(3)用戶接收設(shè)備俄羅斯生產(chǎn)用戶設(shè)備的部門：lDesign Bureau NAVIS“ Ru

31、ssia, 109280, Moscow,ul.Tufeleva Roscha, 12. Phone/fax: +7 (095) 274-64-04Email: navissystud.msk.rulZAO Firma KOTLIN“ Russia, 193124, St-Petersberg, Pl. Rastrelli, 2. Phone: +7 (812) 274-18-15; 274-91-61Fax: +7 (812) 274-18-94 l Scientific and Production Enterprise TERMOTEH“ Russia, Korolev, Moscow

32、region, Oktyabrsky blvrd, 12. Phone: +7 (095) 513-49-07 Fax: +7 (095) 513-49-12 Email: pvitin.msk.rulRussian Institute of Space Device Engineering (RNII KP) Russia, 111250, Moscow, ul. Aviamotornaya, 53. Phone: +7 (095) 273-93-03 Fax: +7 (095) 273-47-192022/7/2966第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展GLONASS 是前蘇聯(lián)為滿足

33、授時(shí)、海陸空定位與導(dǎo)航、大地測量與制圖、生態(tài)監(jiān)測研究等建立的。GLONASS提供兩種導(dǎo)航信號： 標(biāo)準(zhǔn)精密導(dǎo)航信號(SP)和高精密導(dǎo)航信號(HP)。 SP定位與授時(shí)服務(wù)適用所有GLONASS的國內(nèi)用 戶。其水平定位精度為57-70米（99.7%置信）， 垂直定位精度為70米（99.7%置信）.2022/7/2967第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 1.1.5 伽俐略(Galileo)GNSS系統(tǒng)2002年3月24日歐盟決定研制組建自己的民用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) Galileo系統(tǒng)。Galileo衛(wèi)星星座將由27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這30顆衛(wèi)星將均勻分布在3個(gè)軌道平面上，衛(wèi)星高度為

34、23616km，軌道傾角為56。Galileo系統(tǒng)是一種多功能的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有公開服務(wù)、安全服務(wù)、商業(yè)服務(wù)和政府服務(wù)等功能，但只有前兩種服務(wù)是自由公開的，后兩種服務(wù)則需經(jīng)過批準(zhǔn)后才能使用。 2022/7/2968第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 the Galileo satellite constellation 2022/7/2969第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展2005年12月28日第一顆Galileo試驗(yàn)衛(wèi)星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GlOVE-A）成功進(jìn)入高度為2.3萬Km的預(yù)定軌道。2006年1月12日

35、已開始向地面發(fā)送信號。這標(biāo)志著總投資為34億歐元（約合41億美元）的計(jì)劃已進(jìn)入實(shí)施階段。到2010年歐洲將發(fā)射30顆服役期約為20年的正式衛(wèi)星，完成伽利略衛(wèi)星星座的部署工作。伽利略系統(tǒng)建成后，美歐兩大相互兼容的導(dǎo)航定位系統(tǒng)將大大有助于提供導(dǎo)航定位的精度和可靠性。2022/7/2970第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 GIOVE A GIOVE B the GIOVE SatelliteGIOVE的主要目標(biāo): 頻率信號測試； 驗(yàn)證一些關(guān)鍵技術(shù)（比如銣原子鐘、氫原子鐘）； 軌道環(huán)境特征測試； 并行2或3通道信號傳輸測試。2022/7/2971第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展美國

36、之所以對伽利略計(jì)劃感到不安。它的衛(wèi)星定位精度小于1米，而GPS的“視力”則是10米。國內(nèi)媒體則多次引用了一個(gè)形象的說法：如果說GPS只能找到街道，伽利略則可以找到車庫門。 也就是說，如果真的用于軍事，伽利略的衛(wèi)星可以“偵察”地面上活動的人，而GPS頂多確定戰(zhàn)斗機(jī)的位置。此外，伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還可兼容美國的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS和俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GLONASS。2022/7/2972第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展1.1.6 雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)定位的基本原理為:空間球面交會測量原理2022/7/2973第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 2022/7/2

37、974第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 于2000年10月31日和12月20日從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心升空并準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定的地球同步軌道（東經(jīng)80和140的赤道上空）；此外另一顆備用衛(wèi)星也被送入預(yù)定軌道（東經(jīng)110.5的赤道上空），標(biāo)志著我國擁有了自己的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)BD1。2022/7/2975第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 有中國特色的 北斗衛(wèi)星定位 系統(tǒng) 2022/7/2976第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展 系統(tǒng):空間衛(wèi)星、地面控制中心站和北斗用戶終端空間部分：兩顆地球同步軌道衛(wèi)星組成。衛(wèi)星上帶有信號轉(zhuǎn)發(fā)裝置，完成地面控制中心站和用戶終端之間的雙向無線電信號

38、的中繼任務(wù)。北斗1代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成圖2022/7/2977雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的定位原理:(1)地面中心站通過2顆同步靜止定位衛(wèi)星傳送測距問詢信號，如果用戶需要定位則馬上回復(fù)應(yīng)答信號。地面中心站可根據(jù)用戶的應(yīng)答信號的時(shí)差計(jì)算出戶星距離，這樣以兩顆定位衛(wèi)星為中心以兩個(gè)戶星距離為半徑可作出兩個(gè)定位球,用戶終端將位于這2個(gè)球面交線的圓弧上。(2)地面中心站配有電子高程地圖，提供一個(gè)以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。用數(shù)學(xué)方法求解圓弧與地球表面的交點(diǎn)即可獲得用戶的位置。(3)地面中心站求出用戶坐標(biāo)后，再根據(jù)坐標(biāo)在地面數(shù)字高程模型讀出用戶高程進(jìn)而讓衛(wèi)星轉(zhuǎn)告用戶 。2022/7/2978第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展衛(wèi)星 1 星下點(diǎn)1星下點(diǎn)2 定位圓 1定位圓 2地面中心站衛(wèi)星 2北斗一號定位原理2022/7/2979第一章 緒論11 GPS衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展北斗系統(tǒng)功能快速定位：北斗系統(tǒng)可為服務(wù)區(qū)域內(nèi)用戶提供全天候、高 精度、快速實(shí)時(shí)定位服務(wù)，定位精度20100m；實(shí)時(shí)導(dǎo)航:短報(bào)文通信：北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報(bào)文通信功能，用戶可以一次傳送40-60個(gè)漢字的短報(bào)文信息；精密授時(shí)：北斗系統(tǒng)具有精密授時(shí)功能，可向用戶提供20ns-100ns時(shí)間同步精度。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段由5顆靜止軌