GS原理與應(yīng)用第一章

GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)GPS原理及應(yīng)用05級地信專業(yè)王宇明電話：23540105Email:yuming5025@163.com1GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)全球定位系統(tǒng)（GPS）Navigation

System

Time

and

Ranging

/Global

Positioning

SystemNAVSTAR/GPS根據(jù)Wooden

1985年所給出的定義：NAVSTAR全球定位系統(tǒng)（GPS）是一個空基全天侯導(dǎo)航系統(tǒng)，它由美國國防部開發(fā)，用以滿足軍方在地面或近地空間內(nèi)獲取在一個通用參照系中的位置、速度和時間信息的要求。三維位置（經(jīng)度、緯度、高度）三維速度時間5/24/20232GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)內(nèi)容提要一、概述（1）二、坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)（2）三、衛(wèi)星運動基礎(chǔ)及GPS衛(wèi)星星歷（3）四、GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號（4）五、GPS衛(wèi)星定位基本原理（4，5，6，7）六、GPS衛(wèi)星導(dǎo)航（8）七、GPS測量的誤差來源及其影響（9，10）八、GPS測量的設(shè)計與實施（11）九、GPS測量數(shù)據(jù)處理（12）十、GPS應(yīng)用（13）5/24/20233GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)課程要求及考核課程的要求基本概念的掌握知識面的拓展課程成績理論考試70％，平時成績（考勤,作業(yè)和問答）30％主要考核基本概念和基本知識考核包括簡單的計算，無公式推導(dǎo)考試范圍為課程的講授范圍17周上復(fù)習(xí)課，18周考試5/24/20234GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)參考文獻1.周忠謨等，GPS衛(wèi)星測量原理與應(yīng)用，測繪出版社，19972.徐紹銓等，GPS測量原理及應(yīng)用，武漢大學(xué)出版社，20033.

劉基余，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法，科學(xué)出版社，20034.

李征航，空間定位技術(shù)及應(yīng)用，武漢大學(xué)出版社，20031.

B.Hofmann-Wellenhof,

H.Lichtenegger,

J.

Collins,

GlobalPositioning

System

Theoryand

Practice,

Fourth,

revisededition,

Springer-Verlag/Wien,1997.2. GPS

for

Geodesy,

2nded.,Springer-Verlag,

NewYork,1998.5/24/20235GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)第一章 概論GPS的發(fā)展與由來GPS

的特點GPS的組成美國政府的GPS政策（限制）非特許用戶的對策（反限制）5/24/20236GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)衛(wèi)星定位技術(shù)產(chǎn)生的必然性提供精確的地心坐標(biāo)的需要提供全球統(tǒng)一的坐標(biāo)的需要長距離高精度定位的需要全天候、快速、精確、簡便定位方式的需要5/24/20237GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)1957年10月4日前蘇聯(lián)發(fā)射了人類的第一顆人造地球衛(wèi)星；美國海軍武器實驗室利用多普勒頻移原理于1967年7月建成了海軍導(dǎo)航衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Navy NavigationSatellite System-NNSS）即TRANSIT （子午衛(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星軌道通過地極）；1.GPS的發(fā)展與由來5/24/20238TRANSIT系統(tǒng)衛(wèi)星：6顆極地軌道軌道高度：1100km信號頻率：400MHz、150MHz衛(wèi)星通過時間間隔：~100min，有時達到10h絕對定位精度：1m相對定位精度：0.1m~0.5m定位原理：多普勒定位5/24/20239GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)存在什么問題？1.GPS的發(fā)展與由來（續(xù)）7/21/202310GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)TRANSIT （子午衛(wèi)星系統(tǒng)）缺點：衛(wèi)星數(shù)小：5~6顆，無法實現(xiàn)連續(xù)導(dǎo)航定位；高度低：1000km，難以精密定軌；一次定位所需時間過長（1.5h）頻率低，難以消除電離層影響。因而，滿足不了軍事需要。1.GPS的發(fā)展與由來（續(xù)）7/21/202311GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)美國國防部從1973年開始籌建GPS，整個GPS系統(tǒng)于

1994年3月全部建成。GPS系統(tǒng)是20世紀(jì)空間技術(shù)上最重大的成就之一。1.GPS的發(fā)展與由來（續(xù)）7/21/202312GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)2.

GPS

組成空間衛(wèi)星部分24顆衛(wèi)星 6個軌道軌道高度20200KM運行周期11小時58分注入站地面監(jiān)控部分監(jiān)測站 主控站用戶設(shè)備部分GPS接收機 天線硬件 軟件包7/21/202313GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)2.

GPS 組成（續(xù)）GPS衛(wèi)星的發(fā)展可分為五個階段：

BlockⅠBlockⅡ、BlockⅡABlockⅡR、BlockⅡFGPS空間衛(wèi)星部分7/21/202314GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)GPS衛(wèi)星星座設(shè)計星座(21+3)：21顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動的備用衛(wèi)星6個軌道面，平均軌道高度20200km，軌道傾角55°，周期11h

58min（地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次）保證在24小時，在高度角15°以上，能夠同時觀測到4至12顆衛(wèi)星當(dāng)前星座：28顆作用（基本功能）：接收、存儲導(dǎo)航電文生成用于導(dǎo)航定位的信號（測距碼、載波）發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號（采用雙向調(diào)制法調(diào)制在載波上的測距碼和導(dǎo)航電文）接受地面指令，進行相應(yīng)操作銫鐘和銣鐘提供精密的時間標(biāo)準(zhǔn)7/21/202315GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)Bl沃ock哥I租IR丹Bl臭ock葉I剩IABl守ock樹I萌IR新Bl繩ock樂I沸IF凱Bl殿ock舌I遙IR蘭GPS制衛(wèi)星藏類型5/18/劣2023咽16GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)GPS的控制部分由根分布在全球的育由若干個跟蹤鞋站所組成。分據(jù)為主控站、監(jiān)左控站和注入站撇。主控站位于惑美國克羅拉多Colora乘do的法垮爾孔Fa砍lcon空軍基地。它的作覆用是根據(jù)各監(jiān)認(rèn)控站根據(jù)GPS的觀懸測數(shù)據(jù)，計算謙出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)均星鐘的改正參香數(shù)等，并將這界些數(shù)據(jù)通過注章入站注入到衛(wèi)謊星中去。

同戶時棋它還辯對衛(wèi)蔥星進萍行控跪制，河向衛(wèi)散星發(fā)花布指敬令，泡當(dāng)工傘作衛(wèi)姓星出切現(xiàn)故燙障時渴調(diào)度備用衛(wèi)星碧替代失效的工斤作衛(wèi)星工作。邁主控站也具有民監(jiān)控站的功能樹。監(jiān)控站有五個袋。除了主控站稅外其它四個分壯別位于夏威夷(Haw袋aii)、阿松森群島(Ascencio芹n)、迭哥伽西怎亞(DiegoGarc臉ia)、卡瓦森加蘭(Kwajalein哈)。監(jiān)控枯站的辯作用必是接輩收衛(wèi)陶星信抬號、論監(jiān)測鬼衛(wèi)星泉的工派作狀衛(wèi)態(tài)。注入站有三個葬。分別位于阿戶松森群島、迭哥伽西恢亞、卡瓦加蘭反。注入你站的作用是將亦主控站計算出企的衛(wèi)星星歷和皮衛(wèi)星鐘的改正沸數(shù)等注入到衛(wèi)赴星中去。地面監(jiān)苦控部分5/18/嗓2023亮17GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)地面泡監(jiān)控部分（Gr寧oundS茂egment）主控站：1個監(jiān)測站：5個注入站：3個5/18/有2023媽18–

主控站管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作編算廣播星歷,軌道參數(shù),衛(wèi)星鐘差和大氣層改正數(shù)等送給注入站調(diào)整衛(wèi)星狀態(tài)(軌道糾偏)調(diào)度衛(wèi)星(用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星)–監(jiān)測站對衛(wèi)星進行跟蹤觀測記錄氣象數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)傳送到主控站–注入站向衛(wèi)星注入導(dǎo)航電文和指令等地面監(jiān)控部分的主要任務(wù)5/18/祖2023序19GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)用戶部炊分棒（UserS膝e周gmen褲t）組成用戶接收設(shè)備接收設(shè)備GPS信號接收艦機5/18/注2023鳥20GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)GPS信號接收機組成—天線單元—天線我前置放大芽器—接收秋天線—接收單元—信號頑通道褲（ch犬a(chǎn)nnel）—存儲騎器任務(wù)—按一定高度截止角捕獲衛(wèi)星，跟蹤衛(wèi)賊星運行—對接收到的GPS信號稿，具有變換、更放大、處理功壩能測量信號傳播時間，解譯導(dǎo)航電文；實時計算用戶位置、速度與鴿時間5/18/憲2023套21GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)3.GPS的特點GPS相對傳統(tǒng)的測量技術(shù)觀測站間無需通視定位暴精度照高（尼絕對擔(dān)精度1低0抬米，相對精度2毫米）觀測時間短提供3營維澆坐標(biāo)操作簡單全天扭候作戒業(yè)傳統(tǒng)定位方法的局限性需要廢事先搬布設(shè)耕大量獨的地東面控耗制點觀測點之間需要保證通視作業(yè)難度大需要修建覘標(biāo)邊長受到限制效率名低：恩無用撓的中袋間過糖渡點無法同時精確確定點的三維坐標(biāo)觀測受氣候、環(huán)境條件限制受系統(tǒng)誤差影響大難以確定地心坐標(biāo)5/18/彈2023己22GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)3.GPS的特點（續(xù)）GPS嗚相對其它導(dǎo)航系統(tǒng)全球地?zé)裘孢B續(xù)被覆蓋功能多且，甩精度晉高實時定雖位應(yīng)用廣周泛5/18/吐2023魚23GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)4.美國聞?wù)腉PS政策(限制)潔梁提供礙不同騰的用扶戶服但務(wù)方雀式日實施SA釣（選擇清可用廁性）政征策(3)實施AS霸（精碼加密）政策5/18/要2023修24GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)4.美國仙的GPS政策(續(xù)）(1)提供不同的用戶服務(wù)方式精密定證位仔服務(wù)PPS幟（P汽re痰ci壞se鴉屋Pos器it枯i詞oni柳ng浩S軟er添vi綿ce癢）標(biāo)準(zhǔn)定皺位婆服務(wù)SPS肺(情St圈a恥nda轟rd末哄Pos饑it耗i跳oni脅ng散S末er浴vi堆ce續(xù))GPS受衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號含有二種精度不同的測距碼

P碼（厚又稱精碼）雄軍用PPS定位篩服務(wù)C/A察碼（棋又稱粗碼）民趴用SPS暑定位服務(wù)P碼獲得較杏高的定位精度奇，單點實時定百位精度可優(yōu)于牙10米

C/A語碼獲擦得較低的定位韻精度，單點實蕩時定位精度約撤為30惱-濾40米左右5/18/2023丈25GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)4.美國GPS巖的政策僅(續(xù)）(2)實施SA政策SA-炮--雖-S表el奶ec徹ti末ve蛙色Ava搜il啦ab伶il狐it罷y天（選擇鉤可用陪性）SPS賀定位遣服務(wù)來中加窄干擾逗技術(shù)-技術(shù)跡-技術(shù)毯干擾引入高幫頻裙衛(wèi)星星山歷 抖動實施SA政策：水缺平定位100筒米，垂直定位光150米（2000年5月前）衛(wèi)星原子鐘的暢基頻

1=亮1指9.03嚼cm

2=24筋.礎(chǔ)42矩cm5/18/蓄2023館26GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)(3)實施AS政策AS-鴉-沿Ant瘋i-疼S叮poo捎fi堪ng歡(暫精碼P碼加諒密)AS-費-反電榴子欺勸騙特許用戶和非特許用戶定位精度5/18/酷2023傲27GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)研究地差分GPS技術(shù)建立獨立衛(wèi)星定位系統(tǒng)

GLONASS艱伽利略(Gali擦leo)北斗開發(fā)組合接收機和組合系統(tǒng)GPS/GL帶ONASS鬼GPS/INS5.非特許用戶的對策（反限制）5/18/毅2023有28GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)GLO陶N芒ASS壤是GL寇Oba課le鋤腥NAv曾ig斑at批i鞏onSat棚el系li奪te確碰Sys菊t飼em(礦全球瘦導(dǎo)航傷衛(wèi)星系統(tǒng))的字頭縮寫，是前蘇聯(lián)從80年代初開始建設(shè)的與美國GPS弟系統(tǒng)相類挎似的衛(wèi)星定位捷系統(tǒng)，也由衛(wèi)招星星座、地面矛監(jiān)測控制站和腿用戶設(shè)備三部探分組成?，F(xiàn)在崗由俄羅斯空間限局管理。GLONASS系統(tǒng)的衛(wèi)班星星座由24顆衛(wèi)星組叉成，均勻分布鴨在3個近四圓形糖的軌萌道平蟲面上績，每刷個軌廣道面8顆衛(wèi)每星，姻軌道貪高度19桌100其公里茂，運吹行周秒期11小時15分，脈軌道遷傾角64.巾8幻玉°。GLO菠N罷ASS門衛(wèi)星上的載捆波上擴也調(diào)懷制了丘兩種罩偽隨嚇機噪懂聲碼雕：S碼和P碼。GLONASS系統(tǒng)從理德論上有24顆衛(wèi)星，但吸由于衛(wèi)星使用服壽命和資遠金緊張等問題擴，實際上目前銷只有8顆。GLONASS系統(tǒng)單點穗定位精度水平松方向為16m，垂直歡方向為25m。GLONASS系統(tǒng)5/18/爺2023尼29GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)GLONASS系統(tǒng)傭(GLOb答alNAvigationSa酷t(yī)ellite鄙暑）Sys司te毀m,逆俄羅狗斯)星座快組成24控顆衛(wèi)鬼星（隸21彎＋3三個軌道平面每個軌道面上衛(wèi)星均勻草分布軌道高度：1壺9100km軌道拿傾角層：64豎.8剪°衛(wèi)星運行周期：1銹1h15mi脊n19寄95年底甘建成5/18/杰2023么30GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)GLONASS信號每顆域衛(wèi)星錦載波媽頻率磚不同計劃調(diào)整載波鏈頻率，使同軌勸道上相對的衛(wèi)嗚星載波頻率相語同。2005年后L1:1598.0625~1604.2500MHzL2:1242.9375~1247.7500MHz各顆衛(wèi)星也有C/A碼與P碼，兩且不同衛(wèi)星間惠相同無SA與AS技術(shù)隱，但不向民用根用戶提供P碼GLONASS單點定位精度平面±20m左右造；高譽程±40m左右涌（9竟5%我）5/18/駐2023礦31GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)5/18/爬2023窯32GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)5/18/悲2023藏33GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)系統(tǒng)組成：①衛(wèi)星蕩星恰座：茫由3個獨金立的寄圓形棄軌道興，30匆顆GN狡SS衛(wèi)星很組成嫩（27顆工坐作衛(wèi)刺星，3顆備用衛(wèi)甲星）。剩衛(wèi)星的軌道傾罷角i表=56°；衛(wèi)星的公轉(zhuǎn)周貫期T=14h23m14S恒星尼時；軌道高度H=23秘616km壩。②地面沈系統(tǒng)：在歐洲援建立2個控續(xù)制中心；在全秩球構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)怒。③定位原理：與GPS相同。④定位精度：導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高。計劃實施：①19稿94年開柄始進入方案論撞證階段；②20良03年開輪始發(fā)射兩顆試樸驗衛(wèi)星進入試贈驗階段；③20集08年整好個伽利略（GNSS?。┫到y(tǒng)建成并投入使用；伽俐略腐系穿統(tǒng)5/18/萌2023欣34GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)GALI油LEO系統(tǒng)(欲歐洲)星座組成30顆衛(wèi)星（27＋3）三個軌道平面軌道恨高度括：2思36穗16km軌道浴傾角災(zāi)：56盲°Galileo信號根據(jù)公開、安疑全、商業(yè)、政蟲府四種服務(wù)模式采用不思同信號載波當(dāng)頻率隙：L波段山（E1,擇E2問,它E5a隙,E棋斃5b和E6錢）5/18/答2023芹35GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)星座翼建立計劃2004，發(fā)射GSTB(GalileoSystemTestBed)試驗衛(wèi)星2005～2006，絞發(fā)射4逝顆宋工作愁衛(wèi)星對，在軌作業(yè)試擠驗2008，建立Galileo工作選星座5/18/傲2023息36GPS原理與應(yīng)用城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院王宇明05地信專業(yè)北斗燈衛(wèi)星導(dǎo)航艷系統(tǒng)(催中國)系統(tǒng)組成導(dǎo)航也衛(wèi)星解：2鈴顆地回球同墊步衛(wèi)模星（Sat煤-夕31/蔥