GPS-全球定位系統(tǒng)原理與應用

GPS全球定位系統(tǒng)原理與應用GPS導航儀GPS新聞（2010年9月）申通快遞應用GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)運輸透明化管理江津283輛客運班車裝GPS不良駕駛將“現(xiàn)形”市民帶上GPS爬鳳凰山迷路救援隊員凌晨上山將其救出時代：美國政府可使用GPS監(jiān)視公民行蹤GPS監(jiān)控寧夏偏遠山村電影放映陽光作業(yè)提高運動員成績GPS定位系統(tǒng)幫大忙?緒論GPS定位技術(shù)及其發(fā)展GPS是什么？GPS的英文全稱是:NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositionSystem，簡稱GPS，有時也被稱作NAVSTARGPS。其意為“導航星測時與測距/全球定位系統(tǒng)”，或簡稱全球定位系統(tǒng)。定義：GPS是美國研制的新一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息。GPS技術(shù)的發(fā)展利用測深桿沿著海岸航行根據(jù)盛行風和風向。探險家估計離陸地已近便把烏鴉放出去。水手依據(jù)氣味的方向判斷陸地的位置和船所在的位置最古老，最簡單的導航方法是星歷導航；天文測量的思想早已經(jīng)出現(xiàn)在了測量學中；1405~1433年，中國明朝鄭和率領(lǐng)船隊七次橫渡印度洋，提出了利用恒星高度來測定地理緯度的方法；最早的導航儀是中國人發(fā)明的指南針；進入20世紀，人們逐漸發(fā)現(xiàn)發(fā)明了很多新的技術(shù)：1、海員通過測量船體的速度進行外推確定位置，“拖繩計節(jié)”；2、慣性導航技術(shù)，第二次世界大戰(zhàn)期間，德國以馮·布勞思為首的研究小組研制出了V-2火箭，它從歐洲本土飛越英吉利海峽，直奔英國首都，在倫敦市區(qū)爆炸了世界上第一枚投入戰(zhàn)爭的彈道式導彈，被希特勒稱為“第三帝國的秘密武器”。由于電子技術(shù)和電磁波技術(shù)的發(fā)展，人們從懂得利用宇宙中的參照物（星體）擴展到主動建立人為的參照物，即電子導航系統(tǒng)。首先是地基無線電導航系統(tǒng)，由在世界各地適當?shù)攸c建立的無線電參考站組成；1957年，蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星；1958年，美國著手建立為軍用艦艇導航服務的衛(wèi)星系統(tǒng)，即海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)（NavaNavigationingSatelliteSystem–NNSS）,也稱子午衛(wèi)星系統(tǒng)；1960年發(fā)射第一顆衛(wèi)星；1964年1月該系統(tǒng)正式運行；1967年7月系統(tǒng)解密以供民用。前蘇聯(lián)于1965年建立了一個類似的系統(tǒng)：CICADA1973年，美國DOD批準其海陸空三軍聯(lián)合研制第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)GPS，設(shè)計24顆衛(wèi)星，投資300億美元，分三個階段：第一階段：方案論證（1974—1978）；第二階段：系統(tǒng)論證（1979—1987）；第三階段：生產(chǎn)實驗（1988—1993）；1995年7月，GPS達到FOC(FullOperationalCapability)；GPS的功能用途測量、航空、衛(wèi)星定位、軍事、精細農(nóng)業(yè)、車載導航、廣播、電視、探險、航運向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置，三維速度和時間信息.GPS的特點：全球性連續(xù)覆蓋，全天候工作；定位精度高；觀測時間短；測站間無需通視；可提供三維坐標；操作簡便；功能多，用途廣。軍事上的應用協(xié)同作戰(zhàn)方面GPS可為各級指揮系統(tǒng)提供各種目標及事件所發(fā)生的時間和地點導彈的制導，提高命中目標的精度美伊戰(zhàn)爭70%左右使用GPS輔助制導，使戰(zhàn)斧式巡航導彈從1600公里的地方準確打擊一個小房子的目標。搜索、救援人員野外定位在茫茫的沙漠上，沒有任何標志，主要靠導航衛(wèi)星進行定位，知道自己在什么地方美國的前參謀長聯(lián)席會議主席曾說過，如果沒有GPS系統(tǒng)的支持，美國甚至連一場戰(zhàn)爭都無法取勝美國對伊戰(zhàn)爭中使用的最多的殺手锏是“精確制導武器”，而精確制導武器離不開衛(wèi)星的偵察和定位作用，美軍空襲幾乎全部使用了gps輔助制導的精確制導武器，使美軍可以在夜間和沙塵的天氣條件下發(fā)起攻擊。美英聯(lián)軍的“自相殘殺”時有發(fā)生，如美軍巡航導彈落在了土耳其，“愛國者”擊落了英軍的“旋風”戰(zhàn)斗機，軍事專家分析原因：技術(shù)欠缺，地形復雜，訓練不足，還有敵軍的破壞和干擾，因此，布什致電普京，指責俄羅斯的公司向伊拉克出售GPS干擾裝置海陸空的導航應用海洋運輸，利用GPS提供的位置信息，選擇最佳路徑，節(jié)省時間，燃料，并保障安全（1）使用GPS，一艘大型油輪橫渡大西洋一次可節(jié)省17000美元（2）沿海漁船上裝上GPS可方便準確的導航，避免進入國外領(lǐng)海，實現(xiàn)遠海捕魚陸地車輛導航（1）對特種車輛進行跟蹤、監(jiān)控、保障其安全——運鈔車（2）公交系統(tǒng)、出租車系統(tǒng)——利用GPS隨時知道每輛車的具體方位和行駛狀況，隨時安排調(diào)度（3）北京的奧運交通投資900億，其中一個內(nèi)容是四環(huán)以內(nèi)的公交、出租全部都裝上GPS監(jiān)控系統(tǒng)GPS導航：自動定位的時間約為45秒，數(shù)據(jù)更新為1次/秒，水平定位精度小于10米，速度精度為0.5米/秒；任我游300裝載了全國公路網(wǎng)和313個城市的詳細地圖，而且還有大量的生活、旅游、交通資訊可以查詢。上海的110指揮中心車輛監(jiān)控空中導航（1）空中管制，導航，監(jiān)測（2）飛機的進場，著陸RNP精密導航：RNP（RequiredNavigationPerformance）精密導航技術(shù)，是利用飛機自身機載導航設(shè)備和全球定位系統(tǒng)引導飛機起降的新技術(shù)，為目前國際航空界公認的飛行導航未來發(fā)展方向。3、定位大地測量和工程測量的應用（1）代替常規(guī)方法布設(shè)、加密控制網(wǎng)（2）測圖、放樣（3）變形監(jiān)測（4）地球動力學，檢測板塊、極移運動常規(guī)方法的局限：無法同時精確確定點的三維坐標；觀測受氣候、環(huán)境條件限制；自動化程度不高；不能連續(xù)觀測；觀測點之間需要保證通視（需要修建覘標/架設(shè)高大的天線；邊長受到限制；觀測難度大；效率低：無用的中間過渡點）地殼運動監(jiān)測：由于印度板塊向北向的推擠而造成了中國大陸內(nèi)部產(chǎn)生了比較強烈變形，由于它的板塊在喜馬拉雅和亞洲板塊的碰撞，使得青藏高原產(chǎn)生這種隆升，而這種隆升的過程，又伴隨著青藏高原整體向東向的擠出，這樣一種擠出就會使得青藏高原內(nèi)部，包括青藏高原周邊的地塊,破碎成了一系列大小不同尺度的地塊，而這種地塊在邊界帶會相互地位錯，會發(fā)生運動，這種運動一旦以不穩(wěn)定的破裂形式發(fā)生的話就產(chǎn)生地震GPS與減災防災：胡錦濤主席提到：“要加快遙感、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信技術(shù)的應用以及防災減災高技術(shù)成果轉(zhuǎn)化和綜合集成，建立國家綜合減災和風險管理信息共享平臺，完善國家和地方災情監(jiān)測、預警、評估、應急救助指揮體系。”領(lǐng)?；€測量測量上的前景展望4、授時精度：10ns的時鐘改正數(shù)應用：電力系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電5、其他農(nóng)業(yè)、氣象、休閑、日常生活……運動員實時跟蹤系統(tǒng)、精細農(nóng)業(yè)、人員定位GPS新聞：新華社坎帕拉11月12日電:記者從正在烏干達舉行的第九屆《濕地公約》締約方大會上了解到，一些國家正在利用高科技手段研究候鳥遷徙，以追蹤候鳥這一傳播禽流感病毒的“最大嫌疑犯”。過去多使用人為手段追蹤候鳥，鳥類學家為此要花費大量時間在世界各地追尋候鳥遷徙足跡，了解候鳥的生活習性?，F(xiàn)在，很多科學家正在利用ＧＰＳ（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）等先進手段，監(jiān)測候鳥的飛行路線。據(jù)悉，利用ＧＰＳ系統(tǒng)監(jiān)測從歐亞大陸遷徙到北美的候鳥，不僅可以進行實時追蹤，誤差也只有幾米遠。GPS和你的專業(yè)有什么關(guān)系嗎？土地資源管理：土地利用現(xiàn)狀調(diào)查；地籍測量；建設(shè)用地勘測定界；土地產(chǎn)權(quán)調(diào)查土地利用現(xiàn)狀、變化調(diào)查：一般方法：遙感相片；航攝相片；直接外業(yè)調(diào)繪，皮尺、常規(guī)測量儀器一般的工作方法：土地資源監(jiān)測類型體系及數(shù)據(jù)；室內(nèi)遙感解釋：提取土地利用遙感變化信息；GPS野外實測作業(yè)，低精度的變化靶區(qū)數(shù)據(jù)（指導GPS作業(yè)）；利用野外作業(yè)獲得的高精度測量數(shù)據(jù)更新土地利用數(shù)據(jù)。空間數(shù)據(jù)采集/維護系統(tǒng)：TOPCON公司的Turbo-G2亞米級GPS接收機，進行高精度GIS數(shù)據(jù)采集時還需架設(shè)一臺基準臺，兩站之間的作用距離不得超過300公里。屬性采集GPS手持機“北京市國土資源局"GPS/PDA技術(shù)"在土地調(diào)查業(yè)務中的應用”：與東南大學合作，利用該校研制的集成GPS、PDA、GIS、RS、網(wǎng)絡通訊（GPRS）等技術(shù)于一體、適合基層土地管理人員使用的便攜式土地調(diào)查作業(yè)系統(tǒng)-“調(diào)查之星”2006年，市局投資320萬元為14個區(qū)縣分局配置了“調(diào)查之星”。利用“調(diào)查之星”對順義、通州、大興區(qū)以及亦莊經(jīng)濟開發(fā)區(qū)征（占）地部分檔案的宗地（位置、面積）數(shù)據(jù)進行外業(yè)定位和面積量算。整個外業(yè)工作，充分利用了“調(diào)查之星”的技術(shù)優(yōu)勢，僅僅用了以前傳統(tǒng)調(diào)查方法約1/6的時間，就完成了1500多份歷史檔案的外業(yè)調(diào)查和內(nèi)業(yè)上圖工作。示范應用表明：GPS/PDA不僅可以用于地籍調(diào)查與測繪，還可以用于農(nóng)村集體土地調(diào)查、土地登記發(fā)證、現(xiàn)場執(zhí)法檢查等。第二次全國土地調(diào)查明確18億畝耕地紅線：僅用三年時間，從具體地塊開始，查清全國城鄉(xiāng)每一塊土地的權(quán)屬、面積、四至和用途等情況，查清每一塊基本農(nóng)田的狀況，并要高標準地建立“四級聯(lián)網(wǎng)、上下互通”的土地數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)土地管理信息化、網(wǎng)絡化?！兜诙稳珖恋卣{(diào)查總體方案》中：“…農(nóng)村土地調(diào)查以1:1萬主比例尺，以正射影像圖作為調(diào)查基礎(chǔ)底圖，充分利用現(xiàn)有資料，在GPS等技術(shù)手段引導下，實地對每一塊土地的地類、權(quán)屬等情況進行外業(yè)調(diào)查，并詳細記錄，繪制相應圖件，填寫外業(yè)調(diào)查記錄表，確保每一地塊的地類、權(quán)屬等現(xiàn)狀信息詳細、準確、可靠?！盙PS搜索違法用地土壤調(diào)查五、GPS有什么缺點嗎？飛機上的導航配備現(xiàn)狀：中國北方航空公司的主力機型有麥道系列和空客系列飛機，包括MD-82、MD-90、A-300和A-321。1、MD-82生產(chǎn)年代最早，原來的導航系統(tǒng)是歐米茄系統(tǒng)，但由于80年代美國停用歐米茄系統(tǒng)四個地面臺，該系統(tǒng)不再工作，北方公司選裝了兩套GPS系統(tǒng)。2、MD-90和A-300是70-80年代生產(chǎn)的飛機，機載電子設(shè)備相近。它們都沒有裝備GPS，位置導航系統(tǒng)是慣性導航系統(tǒng)。3、A-321是空中客車公司最先進機型之一，它的電子設(shè)備代表了最新的科技成果在民航業(yè)的應用。A-321裝備兩套GPS系統(tǒng)，同時裝備兩套IRS，并且在正常情況下，IRS為主用系統(tǒng)，GPS為輔助系統(tǒng)。導航儀嚴重失誤第二節(jié)其他的GNSS系統(tǒng)GLONASS全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)Galileo系統(tǒng)北斗系統(tǒng)：我國的第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)GLONASS：GlobalNavigationSatelliteSystem1996年俄羅斯耗資30多億美元，完成了GLONASS導航衛(wèi)星星座的組網(wǎng)工作。類似于GPS，是俄羅斯以空間為基礎(chǔ)的無線電導航系統(tǒng)；其前身CICADA與子午系統(tǒng)同期，于1965年設(shè)計，有12顆衛(wèi)星；20世紀70年代中期開始啟動GLONASS計劃1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星1996年1月18日，完成24顆衛(wèi)星的布局，衛(wèi)星具備完全工作能力由于經(jīng)濟原因，現(xiàn)在天空上的GLONASS衛(wèi)星僅為十幾顆。關(guān)于GLONASS：GLONASS和GPS在技術(shù)上不相上下；GLONASS衛(wèi)星平均在軌道上的壽命較短且由于經(jīng)濟困難無力補網(wǎng)，在軌可用衛(wèi)星少，不能獨立組網(wǎng)；其應用普及情況則遠不及GPS，這主要是俄羅斯沒有開發(fā)民用市場。GLONASS和GPS組合測量是一個發(fā)展方向；中國、印度都計劃和俄羅斯合作，維護和發(fā)展GLONASS。GLONASS動態(tài)：2005年，俄羅斯聯(lián)邦政府正式批準了《2006年—2015年俄羅斯聯(lián)邦航天計劃》，新的十年航天計劃是一項國家經(jīng)濟戰(zhàn)略，強調(diào)航天科技的發(fā)展應該更多地為國家經(jīng)濟服務，總預算為3050億盧布(1美元約合28盧布)，主要任務是發(fā)展衛(wèi)星通信，完善俄“GLONASS”衛(wèi)星定位系統(tǒng)，保障全俄境內(nèi)的通信和電視轉(zhuǎn)播等2005年底的12月25日，俄航天部隊與俄航天局在拜科努爾發(fā)射場的81號發(fā)射臺成功發(fā)射了載有3顆GLONASS衛(wèi)星的“質(zhì)子-K”運載火箭。目前這三顆衛(wèi)星運轉(zhuǎn)正常。這三顆衛(wèi)星的飛行由位于莫斯科郊外克拉斯諾茲諾緬恩斯克的指揮所控制。這樣“全球衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)”有17枚在軌衛(wèi)星。俄將開始生產(chǎn)新一代“格洛納斯”導航衛(wèi)星：2008年08月28日:俄羅斯聯(lián)邦航天署27日宣布，俄應用機械科學生產(chǎn)集團已經(jīng)開始生產(chǎn)新一代導航衛(wèi)星“格洛納斯-K”。據(jù)國際文傳電訊社報道，“格洛納斯-K”導航衛(wèi)星預計最早于2010年發(fā)射。該衛(wèi)星是俄全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)的第三代產(chǎn)品，與前兩代衛(wèi)星“格洛納斯”和“格洛納斯-M”相比，它重量更輕，壽命可長達12年俄全力打造“格洛納斯”沖擊美GPS一統(tǒng)天下局面：2008年09月13日:根據(jù)俄羅斯總理普京9月12日簽署的一項命令，俄政府決定增加670億盧布（約合26億美元）專項資金，用于進一步落實“格洛納斯”全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)國家計劃。此舉不僅意味著“格洛納斯”計劃進入了一個全面實施的新階段，同時也標志著俄羅斯在參與全球衛(wèi)星導航技術(shù)競爭中邁出了重要一步。2008年12月，系統(tǒng)達到20顆衛(wèi)星2、Galileo背景：GLONASS在軌衛(wèi)星缺失，GPS獨霸市場，GLONASS、GPS均由軍方控制歐盟：要建立國際民間控制的或歐盟自己的民用導航系統(tǒng)特點：共享的獨立于GPS的無增強條件下的適于海陸空的系統(tǒng)。參股共建，收費。Galileo的歷程：1998年，歐盟計劃開發(fā)伽利略計劃2002年1月，“伽利略”計劃的發(fā)言人向外界宣布，該專案迫于美國壓力而擱淺。2002年3月26日，歐盟運輸部長們一致同意正式批準研制“伽利略”導航衛(wèi)星的計劃。同年3月，在多方努力下，歐洲航天局（EuropeanSpaceAgency）和歐盟成員國同意向“伽利略”計劃撥款。當其時正值華盛頓與歐洲在進攻伊拉克問題上鬧得不可開交，因此美國施壓非但沒有奏效，反而進一步激怒了反對攻伊的法國、德國等歐盟國家。2003年3月20日，美國發(fā)動伊拉克戰(zhàn)爭，更促使歐盟加速去研發(fā)一組不受美國控制的定位系統(tǒng)。2003年5月，歐盟宣布開始實施“伽利略”計劃。Galileo的展望：伽利略計劃將為歐盟創(chuàng)造１５萬個高技術(shù)含量的就業(yè)崗位；每年經(jīng)濟收益有１００億歐元之多；僅出售航空和航海終端設(shè)備一項就可在２００８年至２０２０年將獲得１５０億歐元收入；Galileo階段：（一）2000年前，可行性評估或定義（二）2001~2005，開發(fā)和檢測（三）2006~2007，部署（四）2008，商業(yè)運行Galileo系統(tǒng)的概況：投資預計36億歐元左右；30顆HEO衛(wèi)星組成；三個軌道面；2.4萬多公里；預計在2008年布置完成；Galileo系統(tǒng)的服務：向用戶提供三種信號：１）免費使用的信號（6M）；２）加密且需交費使用的信號；３）加密且需滿足更高要求的信號（<1M）。如果說GPS只能找到街道，“伽利略”則可找到車庫門Galileo動態(tài)：2004年6月22日，美國國務院及歐洲聯(lián)盟執(zhí)行委員會官員表示，雙方已經(jīng)達成最后協(xié)議，解決大西洋兩岸在衛(wèi)星定位系統(tǒng)上的爭議，確保美國的全球定位系統(tǒng)與歐洲的伽利略計劃能夠兼容且不會互相干擾。歐盟與印度簽署《伽利略計劃》合作協(xié)定（2005），新華社布魯塞爾9月7日電(記者盧蘇燕)歐盟委員會7日宣布，歐盟與印度當天在印度首都新德里簽署了雙方在《伽利略計劃》方面的合作協(xié)定，從而使歐盟在這一民用衛(wèi)星導航計劃中的合作伙伴增加到4個;除印度外，歐盟已與中國、以色列和烏克蘭簽署了合作開發(fā)協(xié)議，并正在與阿根廷、巴西、摩洛哥、墨西哥、挪威、智利、韓國、馬來西亞、加拿大以及澳大利亞等國進行合作談判。中國與Galileo：2003年底，中國與歐盟簽署了就“伽利略”衛(wèi)星導航計劃進行合作的雙邊協(xié)議。協(xié)議規(guī)定：中歐雙方將在衛(wèi)星導航技術(shù)、工業(yè)制造、服務和市場開發(fā)、產(chǎn)品標準化和頻率等方面進行合作。此外，中國還將在“伽利略聯(lián)合企業(yè)”中投入約2億歐元，并在其中持有相應的股份。美國威脅摧毀中歐合研衛(wèi)星：2005年2月，香港文匯報報道，根據(jù)一份美國空軍文件透露，美國空軍副部長蒂茲這樣寫道：「10年后，如果『伽利略』全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)準確地攻擊美軍時，那么美國人民的生命就會非常危險，我們將會怎么辦呢？」美國報刊披露，美軍已經(jīng)制定了詳細的作戰(zhàn)計劃，在必要時摧毀歐盟未來的“伽利略”全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星。據(jù)說歐洲委員會堅稱，即使衛(wèi)星將來會用於與美國打仗，也不會關(guān)掉它們或進行訊號干擾。2005年已發(fā)射第一顆衛(wèi)星GIOVE－A：2005年12月28日，歐洲“伽利略”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的首顆實驗衛(wèi)星“GIOVE－A”由俄羅斯“聯(lián)盟－FG”火箭從哈薩克斯坦的拜科努爾航天中心發(fā)射升空，體積:2.7x1.2x1.1m3，重量：650Kg。第一顆衛(wèi)星由伽利略工業(yè)公司研制,采用的最突出的新技術(shù)是無源氫母鐘(PHM)。2006年1月12日，GlOVE-A已開始向地面發(fā)送信號。2008年4月發(fā)射第二顆衛(wèi)星3、北斗一號兩顆“北斗一號”衛(wèi)星分別于2000年10月31日和12月21日發(fā)射升空第三顆“北斗一號”衛(wèi)星于2003年5月25日發(fā)射升空第四顆于2007年2月3日發(fā)射北斗系統(tǒng)：目的：快速定位、實時導航，簡短通訊，精密授時；由三顆地球同步軌道衛(wèi)星組成星座，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)簡單；36000km。北斗的用戶接收機：定位通信型；通信型；授時型；管理型定位過程：由中心控制系統(tǒng)向衛(wèi)星I、II發(fā)送詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器向服務區(qū)內(nèi)的用戶廣播。用戶響應其中一顆衛(wèi)星的詢問信號，并同時向兩顆衛(wèi)星發(fā)送響應信號，徑衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)。中心控制系統(tǒng)接收并解調(diào)用戶發(fā)來的信號，然后根據(jù)用的申請服務內(nèi)容進行相應的數(shù)據(jù)處理。北斗系統(tǒng)定位的特點：定位工作主要在中心站完成，屬于主動式導航定位系統(tǒng)二維導航和定位，高程結(jié)果需要由其他途徑獲得主要的優(yōu)勢在于軍用：通訊、集團用戶的調(diào)度和派遣北斗系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀：2004年4月全面對民用客戶開放，迄今為用戶提供定位服務超過億次，通信服務超過千萬條，在軍事應用、森林防火、水利防汛、交通運輸、安全保衛(wèi)等領(lǐng)域產(chǎn)生了顯著的社會效益。以衛(wèi)星設(shè)計容量為百萬戶來計算，目前在線的終端用戶不足千分之一。以衛(wèi)星在軌壽命8年來計算，每天有100萬元的折舊在白白消耗；北斗導航系統(tǒng)的地面終端設(shè)備研制滯后，至今缺少性能穩(wěn)定、價格平民化的用戶機；北斗系統(tǒng)的應用案例：“陜南水利雨量監(jiān)測速報系統(tǒng)”——由西安山脈公司和北斗星通共同建造，依托北斗衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，通過北斗衛(wèi)星鏈路，實現(xiàn)了陜南漢中安康商洛三地市用戶所需的水文水情信息的實時傳輸?！斑叿佬畔⒒芸亍薄惭b了“北斗一號”車載指揮終端設(shè)備的巡邏車正在沿著邊境線例行巡邏。指揮控制中心的屏幕上，“北斗一號”衛(wèi)星巡邏檢查系統(tǒng)顯示著車輛移動運動軌跡。在地震中的重要作用：中國自主研制的“北斗一號”系統(tǒng)在通信中斷的情況下發(fā)揮重要作用，救災部隊攜帶的北斗系統(tǒng)正在陸續(xù)發(fā)回各種災情和救援信息。“北斗一號”衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)監(jiān)測到，一支攜帶了“北斗一號”終端機的部隊，從中午12時開始，沿著馬爾康、黑水、理縣到汶川的317國道，以每小時6公里左右的速度一路急進。6個小時前進了近40公里，已經(jīng)進入汶川縣境內(nèi)，離縣城還有40公里左右的路程。由于通信受阻礙，位于北京的衛(wèi)星導航定位指控中心初步判斷該部隊隸屬四川武警總隊。指控中心正在進一步了解情況。北斗二代計劃：“二代北斗導航系統(tǒng)”：COMPASS-系統(tǒng)是繼北斗一代系統(tǒng)后的中國新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)，這將是一個真正的全球定位系統(tǒng)?！岸倍穼Ш较到y(tǒng)”計劃包括4顆靜止星；12顆中軌星；9顆高軌星。原定2006年開始組網(wǎng)，2010年實現(xiàn)全球精確覆蓋。2007年4月14日首顆衛(wèi)星發(fā)射成功2009年4月發(fā)射第二顆4、其他：印度地區(qū)導航衛(wèi)星系統(tǒng)七顆衛(wèi)星，其中三顆為靜地衛(wèi)星，為印度全境及周邊2000公里的范圍提供定位服務，精度20米。第三節(jié)GPS系統(tǒng)的組成（一）由GPS衛(wèi)星組成的空間部分SpaceSegment（二）由若干地面站組成的控制部分GroundSegment（三）以接收機為主體的廣大用戶部分UserSegment（一）空間部分GPS系統(tǒng)的空間部分由GPS衛(wèi)星組成，稱為衛(wèi)星星座。GPS衛(wèi)星：銫原子鐘，計算機，2塊7m2的太陽能翼板，姿態(tài)控制和太陽能板指向系統(tǒng)，無線電收發(fā)兩用機，導航荷載（發(fā)射測距和導航數(shù)據(jù)），1,877kgGPSIIR衛(wèi)星發(fā)射GPS衛(wèi)星的發(fā)展：試驗衛(wèi)星：BlockⅠ；工作衛(wèi)星：BlockⅡBlockⅡ：存儲星歷能力為14天，具有SA和AS地能力BlockⅡA（Advanced）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲星歷能力為180天，SV35和SV36帶有激光反射棱鏡BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：衛(wèi)星間可相互跟蹤相互通訊BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS衛(wèi)星,增設(shè)第三民用頻率GPS衛(wèi)星：所用時鐘不同，存儲信息量不同，發(fā)射信號組成不同，衛(wèi)星間通訊能力不同GPS星座：衛(wèi)星：24顆，軌道：6個，長半軸：26609km，偏心率：0.01，衛(wèi)星高度：20200km，軌道面相對赤道面的傾角：55°，衛(wèi)星運行周期：11小時58分鐘特點：任何時刻任何地點保證能接收到四顆以上的衛(wèi)星，一般6~11顆；高軌，軌道受攝動較??；能見地面面積大，38%；GPS信號的波束覆蓋地面比較均勻；衛(wèi)星經(jīng)過天頂時，衛(wèi)星可見時間為5小時；周期11h58min,地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復一次；當前星座：28顆空間部分的作用：飛越注入站上空時，接收地面注入站用S波段發(fā)送到衛(wèi)星的導航信息，并通過GPS信號形成導航電文;接收地面主控站通過注入站發(fā)送到衛(wèi)星的調(diào)度命令（鐘，軌道，衛(wèi)星）;向廣大用戶連續(xù)不斷發(fā)送導航定位信號，并用導航電文中的星歷和歷書分別報導自己的現(xiàn)勢位置，以及其他在軌衛(wèi)星的位置;GNSS系統(tǒng)參數(shù)比較：參數(shù)GPSGLONASSGALILEO衛(wèi)星星座21+321+327+3軌道平面6個3個3個軌道傾角55度64.8度56度軌道高度20200km19123km23616km運行周期11h58m11h15m（二）控制部分控制部分的組成：一個主控站，五個監(jiān)控站，三個注入站GPS的地面監(jiān)控部分：監(jiān)測站（5個），作用：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。地點：夏威夷、主控站及三個注入站。主控站（1個），作用：收集各監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，編制導航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星；監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；衛(wèi)星維護與異常情況的處理。地點：美國科羅拉多州法爾孔空軍基地。注入站（3個），作用：將導航電文注入GPS衛(wèi)星。地點：阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）控制部分的作用：負責監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作監(jiān)測衛(wèi)星是否正常工作，是否沿預定的軌道運行跟蹤計算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，由衛(wèi)星通過導航電文發(fā)送給用戶保持各顆衛(wèi)星的時間同步必要時對衛(wèi)星進行調(diào)度控制部分的運行機制：GPS衛(wèi)星—————監(jiān)控站—————主控站—————注入站—————GPS衛(wèi)星觀測原始數(shù)據(jù)星歷時鐘數(shù)據(jù)控制參數(shù)監(jiān)控站：GPS接收機、原子鐘、計算機、環(huán)境數(shù)據(jù)采集裝置主控站：具備監(jiān)測站的功能，并對數(shù)據(jù)進行綜合處理注入站：計算機、發(fā)射機、發(fā)射天線（三）用戶部分GPS接收機：接收、跟蹤、變換和測量GPS信號，以獲得必要的定位信息和觀測量，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而完成定位工作GPS信號接收機：組成：天線單元、帶前置放大器、接收天線，接收單元：信號通道、存儲器、微處理器、輸入輸出設(shè)備、電源系統(tǒng)的運行機制：GPS信號接收機<————————GPS衛(wèi)星星座<————————>地面監(jiān)控系統(tǒng)接收設(shè)備24顆衛(wèi)星中央控制系統(tǒng)接收衛(wèi)星信號廣播軌道時間數(shù)據(jù)以及輔助資料信息時間同步、跟蹤衛(wèi)星定軌第四節(jié)本課程的主要內(nèi)容目標：GPS相關(guān)的基本概念（載波，偽距），理解gps定位的基本原理（測距，交會），如何使用GPS滿足你的不同精度的要求（誤差，定位方法），能夠?qū)PS中的常見問題有所理解（坐標），了解GPS的應用領(lǐng)域第二章坐標系統(tǒng)與時間系統(tǒng)第一節(jié)大地測量中的坐標系統(tǒng)基準的確定：參考橢球面和參心坐標系。為了處理觀測成果傳算，地面控制網(wǎng)的成果通常選取參考橢球面，選取一參考點作為大地測量的起算點（稱大地原點），利用大地原點的天文觀測量，來確定參考橢球在地球內(nèi)部的位置和方向，參考橢球中心一般不在地球質(zhì)心，這種原點位于地球質(zhì)心附近的坐標系稱為參心坐標系。參心坐標系的特點：不關(guān)心地心是否與參心重合，只關(guān)心表面的擬和程度，使得橢球面上的計算簡單。笛卡爾坐標系：空間直角坐標一、空間直角坐標系二、大地坐標系緯度是線面角，即本地法線與赤道平面的交角；經(jīng)度是兩面角，即本地子午面與本初子午面的交角。地球經(jīng)緯度的起源：公元前344年，亞歷山大渡海南侵，繼而東征，隨軍地理學家尼爾庫斯沿途搜索資料，準備繪一幅“世界地圖”。他發(fā)現(xiàn)沿著亞歷山大東征的路線，由西向東，無論季節(jié)變換與日照長短都很相仿。于是做出了一個重要貢獻——第一次在地球上劃出了一條緯線，這條線從直布羅陀海峽起，沿著托魯斯和喜馬拉雅山脈一直到太平洋。以亞歷山大為名的那座埃及城里，出現(xiàn)了一個著名圖書館，多年擔任館長的埃拉托斯特尼博學多才，精通數(shù)學、天文、地理。他計算出地球的圓周是46250千米，畫了一張有7條經(jīng)線和6條緯線的世界地圖。公元120年，一位青年也在這座古老的圖書館里研究天文學、地理學。他就是克羅狄斯·托勒密。托勒密綜合前人的研究成果，認為繪制地圖應根據(jù)已知經(jīng)緯度的定點做根據(jù)，提出地圖上繪制經(jīng)緯度線網(wǎng)的概念。經(jīng)緯度的起源：托勒密測量了地中海一帶重要城市和據(jù)點的經(jīng)緯度。其中包括8000個地方的經(jīng)緯度。為使地球上的經(jīng)緯線能在平面上描繪出來，他設(shè)法把經(jīng)緯線繪成簡單的扇形，從而繪制出一幅著名的“托勒密地圖”。備注：?公元前200年，埃及埃拉托斯特尼Erastosthenes引出了經(jīng)度和緯度的系統(tǒng)。?現(xiàn)在的經(jīng)緯度系統(tǒng)由喜帕恰斯Hipparchus在公元前100年提出，用天文方法確定了緯線。?1884年，英國格林尼治成為了0度經(jīng)線。大地坐標系的建立：參考橢球面：數(shù)學的，可通過大地水準面與地球表面建立聯(lián)系Majoraxis,a=6378km；Minoraxis,b=6357km；Flatteningratio,f=(a-b)/a~1/300經(jīng)線和緯線：緯圈平面垂直于地軸，經(jīng)圈平面都通過地軸大地坐標的定義：按慣例：先緯度，后經(jīng)度；數(shù)字在先，符號在后。例：北京40oN,116oE經(jīng)度和緯度的特點：適合于球面描述度不是一個描述距離和面積的合適的單位，為了方便計算；工程上使用的圖都是平面的，球面坐標系也不適合無限放大三、平面直角坐標系為了建立各種比例尺的地形圖的測圖控制和工程測量控制，通常需要將橢球面上的各點的大地坐標按照一定的數(shù)學規(guī)律投影到平面上，并以相應的平面直角坐標表示。1、地圖投影的意義投影問題的產(chǎn)生：15世紀初，航海家亨利開始把“托勒密地圖”付諸實踐。但是，經(jīng)過反復考察，卻發(fā)現(xiàn)這幅地圖并不實用。亨利手下的一些船長遺憾地說：“盡管我們對有名的托勒密十分敬仰，但我們發(fā)現(xiàn)事實都與他說的相反?！?6世紀，荷蘭出現(xiàn)了一個偉大的地圖學家墨卡托（GerardusMercator1512－1594），他編制了新的《世界地圖》、《地球一覽》圖集，發(fā)明了等角正軸圓柱投影——墨卡托投影。這不僅把人們對世界逐漸完善的認識反映到地圖上，而且其等角航線為直線的特性，給當時歐洲航海事業(yè)巨大支持。墨卡托投影：航海圖正軸等角圓柱投：由荷蘭地圖學家墨卡托（MercatorGerardus，1512—1594）于1569年所創(chuàng)設(shè)，故又名墨卡托投影。特點:不僅保持了方向和相對位置的正確，而且使等角航線在圖上表現(xiàn)為直線。這一特性對航海具有重要的實用價值。地圖投影的問題：在墨卡托投影圖上的經(jīng)緯線。經(jīng)線互相平行，緯線間隔由赤道向兩極增大，以致格陵蘭島比南美洲還大。投影的基本方式：等角投影、等面積投影平面直角坐標系的建立2、我國的投影方法：高斯投影橫軸橢圓柱等角投影，設(shè)想用一個橢圓柱套在地球橢球外面，并與地球面上的某一子午線相切，這條子午線稱為中央子午線。橢圓柱中心通過地球的中心，按其等角投影條件，將中心線東西兩側(cè)各一定范圍內(nèi)的經(jīng)為線投影到橢圓柱面上，然后將圓柱面沿其母線切開展開平面，即得平面上的經(jīng)緯線網(wǎng)格。高斯投影的變形：角度無變形，長度變形除中央子午線無變形外，離開中央子午線越遠，其變形越大。高斯平面直角坐標定義：高斯平面直角坐標系的定義:X軸：中央子午線的投影,Y軸：赤道的投影,原點：兩軸的交點假東、假北:為了避免坐標系中出現(xiàn)負值，統(tǒng)一規(guī)定將每一帶的坐標軸西移或南移一定距離。我國的假北為0，假東為500km.高斯投影的數(shù)學表達:高斯投影的計算公式：地圖上的平面直角坐標系:公里格網(wǎng):一系列平行于X軸和Y軸的直線，組成直角坐標格網(wǎng)，其間隔一般為1km高斯分帶投影:高斯投影的變形：角度無變形，長度變形除中央子午線無變形外，離開中央子午線越遠，其變形越大解決：劃分多個投影帶,采用多個圓柱投影面投影高斯投影分帶和編號:60帶：經(jīng)差60，共分60個帶，中央子午線：30帶：經(jīng)差30，共分120個帶，中央子午線：任意帶：1.50或任意高斯投影的參數(shù):中心緯度、中央子午線、坐標系的假東、坐標系的假北小結(jié)：不同形式的坐標系統(tǒng)常見的坐標系統(tǒng)：空間直角坐標系、大地坐標系、平面直角坐標系為了處理觀測成果傳算，地面控制網(wǎng)的成果通常選取參考橢球面，選取一參考點作為大地測量的起算點（稱大地原點），利用大地原點的天文觀測量，來確定參考橢球在地球內(nèi)部的位置和方向，參考橢球中心一般不在地球質(zhì)心，這種原點位于地球質(zhì)心附近的坐標系稱為參心坐標系。定義一個坐標系統(tǒng)，包含了坐標系統(tǒng)的基準、坐標系統(tǒng)的形式。新問題：還存在不同基準的坐標系？不同的坐標系統(tǒng)：1954年北京坐標系、1980年國家大地坐標系、WGS-72、WGS-841、我國的大地坐標系：參心坐標系1954年北京坐標系建立：與蘇聯(lián)1942年普爾科沃坐標系聯(lián)測橢球：克拉索夫斯基橢球問題：參考橢球面與我國大地水準面符合不好1980年國家大地坐標系建立：進行了我國的天文大地網(wǎng)整體平差，采用新的橢球元素，進行了定位和定向大地原點：陜西省涇陽縣永樂鎮(zhèn)橢球：1975年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第16屆年會2、WGS-84坐標系:地心坐標系定義:原點：地球的質(zhì)心Z軸：指向BIH1984.0定義的CTP（協(xié)議地球極）方向X軸：指向BIH1984.0的零子午面和CTP赤道的交點Y軸：和Z,X構(gòu)成右手系橢球（國際大地測量與地球物理聯(lián)合會第17屆年會）不同基準坐標系之間的差異：不同坐標系是建立在不同的參考橢球上的。建立坐標系相應的原點，坐標軸都不一致。第二節(jié)坐標系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換區(qū)分：坐標變換——同一基準（參考橢球）下，在不同坐標系表示形式之間進行變換基準變換——在不同的參考基準間進行變換坐標變換的實質(zhì)—同一個基準，坐標轉(zhuǎn)換的實質(zhì)——不同的基準一、坐標系的變換空間直角坐標系（X，Y，Z）<——————>大地坐標系（B，L，H）<——————>平面直角坐標系（x，y，H）高斯投影公式二、基準變換的基本方法BJ54WGS84(B,L)1——(B,L)2(X,Y,Z)1——(X,Y,Z)2二維坐標的差異：XT＝△X＋Xcosε－Ysinε

YT＝△Y＋Xsinε＋YcosεXT＝△X＋KXcosε－KYsinε

YT＝△Y＋KXsinε＋KYcosε空間直角坐標系間關(guān)系——基準之間的關(guān)系坐標系的平移變換、縮放變換、坐標系的旋轉(zhuǎn)、坐標軸系的旋轉(zhuǎn)、三個旋轉(zhuǎn)七參數(shù)模型:平移有三個變量Dx，Dy，DZ，旋轉(zhuǎn)有三個變量，再加上一個尺度縮放。三、坐標轉(zhuǎn)換的一般流程BJ54WGS84(X,Y)1(X,Y)2投影參數(shù)投影參數(shù)(B,L)1(B,L)2橢球參數(shù)轉(zhuǎn)換參數(shù)橢球參數(shù)(X,Y,Z)1(X,Y,Z)2七參數(shù)四、手持機中的參數(shù)設(shè)置見筆記新問題：如果參數(shù)未知如何解決？首先，在測區(qū)附近選擇一國家已知點，在該已知點上用GPS測定WGPS-84坐標系經(jīng)緯度B和L，轉(zhuǎn)換成平面直角坐標X’Y’，然后與已知北京54坐標比較則可計算出偏移量：△X=X－X’△Y=Y－Y’，式中的X、Y為國家控制點的已知坐標，X’、Y’為測定坐標，△X和△Y為偏移量。求得偏移量后，就可以用此偏移量糾正測區(qū)內(nèi)的其他測量點了。X=X’+△X，Y=Y’+△Y。轉(zhuǎn)換參數(shù)有七個，因此，三個點（公共點）就可以求得七個轉(zhuǎn)換參數(shù)，但由于公共點在朗格坐標系的坐標都受到隨機誤差和其他系統(tǒng)誤差的影響，因此，在實際工作中，應用不同的方法獲得精度要求不同的轉(zhuǎn)換參數(shù)。公共點：如果不知道兩坐標系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，而是知道部分點在兩個坐標系的坐標，稱公共點，須通過公共點的兩組坐標求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。例如：在做GPS測量時，得到測量點的WGS-84坐標，通常要求網(wǎng)中包含3個以上的地方坐標已知的控制點。求轉(zhuǎn)換參數(shù)的模型：轉(zhuǎn)換參數(shù)的求解方法：三點法：對轉(zhuǎn)換參數(shù)的要求精度不高，或只有三個公共點時，可用三個點的9個坐標，列出9個方程，取其中的7個方程求解。多點法：由公共點在兩個坐標系中的坐標，按照轉(zhuǎn)換模型，以轉(zhuǎn)換參數(shù)為未知數(shù)寫出誤差方程。第三節(jié)時間系統(tǒng)時間測量的意義：田徑運動員有幾分之一秒之差就決定勝負；汽車、飛機發(fā)動機的轉(zhuǎn)速測量需要精確到0.01秒；炮彈發(fā)射是在千分之一秒內(nèi)發(fā)生的；雷達技術(shù)需要百萬分之一秒的時間精度；導彈或飛行器計時精度需要達到十億分之一秒；對核潛艇進行無線電導航，時間精度要達到百萬分之一秒；科學家研究原子構(gòu)造、宇宙射線等往往需要準確測量億分之一秒時間內(nèi)的變化；要準確測量光速需要百億分之一秒的準確度。GPS定位中精密時間的意義：衛(wèi)星的位置誤差<1cm，要求相應的時刻誤差應小于2.6x10-6秒；測距誤差<1cm，要求信號傳播時間的測量誤差，應不超過3x10-11秒；一、時間系統(tǒng)時間：包含時刻和時間間隔兩種意義時間系統(tǒng)：作為測時的基準，包含時間尺度（單位）和原點（起始歷元），一般來說任何一個可觀測的周期運動現(xiàn)象，只要滿足：連續(xù)性，穩(wěn)定性，復現(xiàn)性均可作為時間基準。時標發(fā)展史：直立的地上的桿子用以觀察太陽光投射的桿影，通過桿影移動規(guī)律、影的長短確定時間誤差10秒每天誤差1秒每30年

1955年誤差1秒每300年誤差1秒每300萬年二、常用的時間系統(tǒng)恒星時和太陽時：地球的周期性自轉(zhuǎn)歷書時：地球的周期性公轉(zhuǎn)原子時：原子核外電子能級躍遷時輻射的電磁波的頻率1、世界時系統(tǒng)：恒星時（春分點）、太陽時（太陽）、平太陽時（平太陽）根據(jù)天體的周日視運動反映地球的自轉(zhuǎn)；補充：世界時系統(tǒng)——以地球的運動為基礎(chǔ)原子時系統(tǒng)——以物質(zhì)內(nèi)部原子躍遷的特征為基礎(chǔ)協(xié)調(diào)世界時——以原子時的秒長為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近世界時由于真太陽的運行速度和時角變化率不均勻，不適于作為計量均勻時間的基準，在天文學中引入平太陽。它在天赤道上作勻速運動，其速度與真太陽的平均速度相一致。一個地方的平太陽時以平太陽對于該地子午圈的時角來度量。平太陽在該地下中天的瞬間作為平太陽時零時。平太陽時與平恒星時之間有相互換算關(guān)系。太陽時：參照于太陽的地球自轉(zhuǎn)周期太陽時——選取太陽作為參考點，用它的周日視運動周期來描述時間的時間計量系統(tǒng)。平太陽時：太陽時的問題——真太陽的周日視運動不均勻，并不嚴格等于地球自轉(zhuǎn)周期。冬長夏短，最長和最短可相差51秒；平太陽——假設(shè)一個參考點的運動速度等于真太陽周年視運動平均速度，且該點在天球赤道上作周年運動。平太陽時——以平太陽的周日視運動為基礎(chǔ)建立的時間系統(tǒng)。世界時UT：世界時——以平子夜為零時的格林尼治平太陽時長期變化：潮汐影響使地球自轉(zhuǎn)速度變慢；季節(jié)性變化：大氣層中的氣團隨季節(jié)變化；不規(guī)則變化：地球內(nèi)部的物質(zhì)運動；與地球的運動有關(guān)，在空間大地測量中有意義。2、原子時ATI原子時秒長——位于海平面的銫133原子基態(tài)兩個超精細能級，在零磁場中躍遷輻射震蕩9192631770周所持續(xù)的時間，為一原子時秒。國際原子時——國際上約100座原子鐘，通過相互比對，經(jīng)數(shù)據(jù)處理推算出統(tǒng)一的原子時系統(tǒng)。原子時原點——UT2(19)-0.0039s地球自轉(zhuǎn)速度長期性變慢，世界時每年比原子時慢約一秒3、協(xié)調(diào)世界時UTC協(xié)調(diào)世界時——從1972年開始，國際上開始使用一種以原子時秒長為基準，時刻上接近世界時的折衷的時間系統(tǒng)。秒長穩(wěn)定，廣泛應用于天體測量，大地測量，研究地球自轉(zhuǎn)速度。閏秒——當協(xié)調(diào)時和世界時相差超過正負0.9秒時，便在協(xié)調(diào)時上加入一個閏秒（跳秒）。（跳秒由國際自轉(zhuǎn)服務組織發(fā)布，一般在12.31或6.30進行）。在2006年的元旦，我國的時鐘將撥慢：7時59分59秒——7時59分60秒——8時00分00秒。而在正常情況下，時間是從7時59分59秒直接到8點整的。三、GPS時間系統(tǒng)原子時系統(tǒng)——秒長與原子時相同原點：1980年1月6日的UTC零時沒有跳秒第四節(jié)天球坐標系與地球坐標系描述衛(wèi)星的位置——天球坐標系描述地球上的點的位置——地球坐標系一、天球和天球坐標系天球——以地球質(zhì)心為中心，半徑為任意長度的一個假想球體。1、天球天軸:地球自轉(zhuǎn)軸的延伸線；天極:天軸與天球的交點；天球赤道面：通過地球質(zhì)心，與天軸垂直的平面；天球子午面：包含天軸,并通過天球上任何一點的平面黃道和春分點：黃道：地球公轉(zhuǎn)的軌道面與天球相交的大圓，即地球公轉(zhuǎn)時，地球上的觀測者所見到的太陽在天球上的軌道。春分點：當太陽在黃道上從天球南半球向北半球運行時黃道與天球赤道的交點，在天球上的位置不隨著地球的自轉(zhuǎn)變化。天球坐標系的兩種表示方法天球空間直角坐標系(X,Y,Z)天球球面坐標系(赤經(jīng)，赤緯，向徑)3、建立天球坐標系的兩個問題實際地球的形狀近似一個赤道隆起的橢球體，因此在日月引力和其他天體對隆起部分的作用下，地球在繞太陽運行時，自轉(zhuǎn)軸的方向不再保持不變而使春分點在黃道上產(chǎn)生緩慢的西移——歲差、章動。歲差：由于對隆起部分的作用，周期25800年章動：由于月球軌道和月地距離的變化，周期18.6年三種天球坐標系瞬時真天球坐標系：瞬時真天極、瞬時真赤道面、瞬時真春分點坐標軸指向隨時間變化瞬時平天球坐標系：瞬時平天極、瞬時平赤道面、瞬時平春分點經(jīng)過了章動改正標準歷元平天球坐標系：相應標準歷元（2000.1.15）的一個特定時刻的平天球坐標系經(jīng)過了標準歷元到觀測歷元的歲差改正二、地球坐標系1、地心坐標系的定義：地心空間直角坐標系、地心大地坐標系2、建立地球坐標系的問題：極移極移——地球自轉(zhuǎn)軸相對于地球體的位置不是固定的，因而地極點在地球表面的位置是隨時間而變化的，這種現(xiàn)象稱為極移。原因：地球內(nèi)部物質(zhì)的運動，其他天體的相互作用；地球不是一個剛體影響：地球坐標系相對地球不固定，描述的點位隨時間變化3、兩種地球坐標系CIO（國際協(xié)議原點）：1900年國際大地測量與地球物理聯(lián)合會以1900.00~1905.00年地球自轉(zhuǎn)軸的瞬時平均位置作為地球的固定極。瞬時地球坐標系：瞬時北地極，瞬時真赤道面與包含瞬時自轉(zhuǎn)軸的格林尼治平子午面的郊縣；協(xié)議地球坐標系：極移使瞬時地球坐標系的坐標軸指向發(fā)生了變化，地面點的坐標也不斷變化，因此要定義一個地球上穩(wěn)定不動的坐標系，選擇某一固定的基準點(如CIO原點)作為Z軸指向，使之隨地球自轉(zhuǎn)指向不隨時間變第三章GPS衛(wèi)星運動、衛(wèi)星星歷第一節(jié)衛(wèi)星的基本運動規(guī)律一、研究衛(wèi)星運動規(guī)律的意義任意時刻衛(wèi)星在什么地點軌道對定位的影響二、研究天體運動規(guī)律的歷史古希臘哲學家亞里士多德認為，一切萬物的運動都是基于圓形或球形的。此后，這種觀點持續(xù)了幾個世紀。畢達哥拉斯學派認為：一切立體圖形中最美好的是球形，一切平面圖形中最美好的是圓形，而宇宙是一種和諧的代表物，所以一切天體的形狀都應該是球形，一切天體的運動都應該是勻速圓周運動。橢圓軌道的發(fā)現(xiàn)：第谷(1546-1601):著名的天文觀測者，近代天文學的奠基人，對天體進行了精確，細致的觀測。卓越的天文儀器制造家，曾制造過許多大型、精密的天文儀器。給儀器進行了精密刻度，大氣折射效應進行修正，增大了儀器的尺寸并安裝在堅固的基礎(chǔ)上。1576年在丹麥王腓特烈二世的資助下，他耗資黃金1噸多在汶島上建立一所宏大的天文臺，他稱之為天文堡，是世界上最早的大型天文臺。約翰尼斯.開普勒(1571-1630)，被稱為：天上的立法者。利用第谷多年積累的觀測資料，仔細分析研究，發(fā)現(xiàn)了行星沿橢圓軌道運行，提出行星運動三定律（即開普勒定律）。不僅在天文學上，開普勒在在光學領(lǐng)域的貢獻也是非常卓越的。他研究了小孔成像，研究過光的折射問題，并且解釋了產(chǎn)生近視眼和遠視眼的原因。墓志銘：我欲測天高，今卻量地深。Kepler’sLaws：開普勒第一定律——衛(wèi)星運行的軌道是一個橢圓，而該橢圓的一個焦點與地球的質(zhì)心相重合。開普勒第二定律——衛(wèi)星的地心向徑，即地球質(zhì)心與衛(wèi)星質(zhì)心間的距離向量，在相同的時間內(nèi)所掃過的面積相等開普勒第三定律——衛(wèi)星運動周期的平方與軌道橢圓長半徑的立方之比為一常量。牛頓力學定律是天體力學的基礎(chǔ)艾薩克.牛頓(1643-1727)的運動定律和萬有引力定律給開普勒三定律提供了物理的解釋。萬有引力定律也成為了天體力學的理論基礎(chǔ)。天體力學即應用力學規(guī)律來研究天體的運動和形狀。Newton’sLawofGravitation：運動定律：萬有引力：牛頓-衛(wèi)星：牛頓曾經(jīng)設(shè)想:如果制造一座高射大炮，架在高山之上，炮彈平射出去，隨著速度的增大，其彈著點不斷伸遠，在獲得足夠大的速度之后，它距地面越來越遠，這時它受到的地球引力也就越來越小，可以飛到足夠遠的地方環(huán)繞地球作勻速圓周運動，而不會掉下來；如果速度再大，甚至會飛離地球軌道而進入宇宙空間漫游。三、影響衛(wèi)星軌道的因素研究衛(wèi)星軌道的基礎(chǔ)：應用力學規(guī)律。衛(wèi)星所受到的力：中心力，來源：假設(shè)地球為均質(zhì)球體的引力（質(zhì)量集中在球體的中心），結(jié)果：決定衛(wèi)星運動的基本規(guī)律和特征，衛(wèi)星運動：無攝運動，衛(wèi)星軌道：理想軌道（無攝軌道）攝動力（非中心力），來源：地球非球型對稱的作用力、太陽、月亮和其它天體力、大氣阻力、太陽光壓、地球潮汐力等，結(jié)果：衛(wèi)星偏離理想軌道，衛(wèi)星運動：受攝運動，衛(wèi)星軌道：受攝軌道（偏移量的大小隨時間變化）研究流程：研究衛(wèi)星的無攝運動規(guī)律，描述衛(wèi)星軌道的基本特征研究各種攝動力的影響，對衛(wèi)星的無攝軌道修正確定衛(wèi)星受攝運動軌道的瞬時特征軌道改進：一種精密測定天體軌道的方法。這種方法以天體的某一初始軌道為依據(jù)﹐利用盡可能多的觀測資料﹐逐次改進軌道要素﹐最后求出天體的精密軌道。攝動及攝動理論的應用：攝動：一個天體繞另一個天體沿二體問題的軌道運行時，因受到其他天體的吸引或其他因素的影響，天體的運動會偏離原來的軌道。這種偏離的現(xiàn)象稱為攝動。攝動理論的應用：“筆頭上發(fā)現(xiàn)的行星”：海王星在海王星和冥王星未發(fā)現(xiàn)之前，人們只知道有七大行星。其他行星的行走路線都與理論符合得挺好，唯獨天王星，實際行走路線與理論不一致。當時，有兩個不同國籍的青年英國劍橋大學數(shù)學系26歲的亞當斯和法國天文學家勒維葉，在經(jīng)過艱深的演算后，分別都算出了這顆星的位置。人們根據(jù)他們計算的結(jié)果，真的從望遠鏡里找到了這顆遙遠而暗弱的行星。它就是海王星。又過了差不多一百年，冥王星才在1930年被發(fā)現(xiàn)。四、衛(wèi)星的無攝運動衛(wèi)星的中心力：地球引力。根據(jù)牛頓萬有引力定律，計算引力加速度。理想情況下的衛(wèi)星運動是我們的首要研究對象，因為：1、它是衛(wèi)星運動的一個近似描述；2、它是至今唯一能得到的嚴密分析解的運動；3、它是全部作用力下的衛(wèi)星運動的更精確的解的基礎(chǔ)。無攝運動——二體問題：，（G為引力常數(shù)；M為地球質(zhì)量；m為衛(wèi)星質(zhì)量；r為衛(wèi)星的地心向徑）——————>在三個坐標軸上的分量：無攝運動解：衛(wèi)星的平面方程：（衛(wèi)星的軌道在一個平面上）衛(wèi)星的軌道方程：（衛(wèi)星的軌道為橢圓）開普勒方程：（衛(wèi)星在軌道上的位置可以表達成時間的函數(shù)）開普勒方程：開普勒方程：五、開普勒軌道六參數(shù)開普勒軌道參數(shù)：描述衛(wèi)星的軌道大小和方向以及衛(wèi)星在軌道上的位置的參數(shù)。無攝運動下，可以用6個開普勒軌道參數(shù)唯一確定的描述任意時刻的衛(wèi)星位置。軌道平面上的特殊點：近地點與遠地點升交點與降交點：通常，衛(wèi)星軌道與赤道平面有2個交點。當衛(wèi)星從赤道平面以下（南半球）穿過赤道平面進入北半球的交點，稱為升交點。反之，則稱為降交點。開普勒軌道六參數(shù)：V─衛(wèi)星的真近點角，即在軌道平面上衛(wèi)星與近地點之間的地心角距—為開普勒橢圓的長半徑es─軌道橢圓的偏心率Ω─升交點赤經(jīng)，即在地球赤道平面上升交點與春分點之間的地心夾角，它是衛(wèi)星由南向北運行時，其軌道通過赤道面的交點i─軌道傾角，即衛(wèi)星軌道平面與地球赤道面之間的夾角s─近地點角距，即在軌道平面上升交點與近地點之間的地心角距fs─衛(wèi)星的真近點角，即在軌道平面上衛(wèi)星與近地點之間的地心角距開普勒軌道根數(shù)(2)：決定軌道形狀的參數(shù)：長半徑a，偏心率e決定軌道方向的參數(shù)：升交點赤經(jīng)Ω，軌道傾角i，近地點角距ω決定衛(wèi)星位置的參數(shù)：真近點角（衛(wèi)星過近地點的時刻）小結(jié)：一組六個軌道參數(shù)唯一能夠確定衛(wèi)星在空間中的位置。無攝運動條件下，除了V以外，理想的軌道參數(shù)是常數(shù)。任意時刻衛(wèi)星在軌道上的位置V可以用開普勒方程計算出來。受攝運動條件下，軌道六參數(shù)隨著時間變化。六、衛(wèi)星的受攝運動衛(wèi)星運動的攝動力：地球的非中心引力，太陽的引力和月球的引力，太陽的直接與間接輻射壓力，太陽的阻力，地球的潮汐作用，磁力等衛(wèi)星的受攝運動——在攝動力的影響下，衛(wèi)星偏離理想軌道的運動地球的非中心引力——地球的非球性及其質(zhì)量分布不均勻而引起的作用力太陽的輻射壓力——與衛(wèi)星、太陽、地球之間的相對位置有關(guān)，與衛(wèi)星的反射特性，衛(wèi)星的解面積質(zhì)量比有關(guān)大氣阻力——取決于大氣密度，衛(wèi)星的斷面與質(zhì)量比，衛(wèi)星的速度磁力——（衛(wèi)星在地球的磁場中運動產(chǎn)生的電磁力）攝動力對衛(wèi)星的影響：攝動源加速度(m/sec2)軌道攝動(m)3小時弧段2日弧段地球的非對稱性C20其它調(diào)和相2km5-8014km100-1500日、月點質(zhì)影響5-1501000-3000地球潮汐位固體潮海洋潮汐____0.5-1.00.0-2.0太陽輻射壓5-10100-800反照壓__1.0-1.5受攝運動的研究：描述衛(wèi)星運動的參數(shù)：衛(wèi)星的軌道參數(shù)：參考時刻的位置和隨著時間的變化率：星歷的參考歷元，：半長軸的平方根，：偏心率，：參考時刻的傾角：升交點赤經(jīng)，：近地點角距，：平近點角，：軌道傾角變化率：星歷表數(shù)據(jù)齡期時間二參數(shù)；開普勒六參數(shù)；軌道攝動九參數(shù)：升交點赤經(jīng)變化率，：平均角速度的校正，：緯度幅角余弦的校正：緯度幅角正弦的校正，：軌道半徑余弦的校正，：軌道半徑正弦的校正：傾角余弦的校正，：傾角正弦的校正數(shù)據(jù)齡期：一般的星歷是外推的第二節(jié)GPS衛(wèi)星星歷衛(wèi)星星歷——描述衛(wèi)星運動軌道的信息。星歷的分類：（1）預報星歷——廣播星歷（2）后處理星歷——精密星歷1、廣播星歷/預報星歷包含在衛(wèi)星向地面發(fā)射的導航電文中；根據(jù)某一參考歷元的觀測資料向外推算的星歷。衛(wèi)星位置的計算（4.3）2、后處理星歷后處理星歷——用跟蹤站的觀測數(shù)據(jù)計算更準確的星歷格式SP3;精度：優(yōu)于5cmIGSInternationalGNSSService全球跟蹤站：全球地心參考框架維護的機構(gòu)，同時也是一個服務中心，IGS的全球跟蹤站已達300個；其中包括我國的上海、武漢、拉薩、烏魯木齊、北京、昆明和西安；IGS組織的服務：（1）高精度的GPS衛(wèi)星星歷；（2）地球自轉(zhuǎn)參數(shù)；（3）IGS跟蹤站的坐標和速率；（4）IGS跟蹤站的時鐘信息；（5）電離層數(shù)據(jù)；（6）對流層數(shù)據(jù)；（7）IGS跟蹤站的GPS觀測值?？蚣芫S護與全球板塊運動分析第四章GPS衛(wèi)星信號引言GPS信號概述：GPS信號——衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的用于導航定位的調(diào)制波調(diào)制：將頻率較低的信號加載到頻率較高的信號上信號的成分：考慮三個方面：1、為了提供衛(wèi)星的瞬時位置——導航電文數(shù)據(jù)碼：D碼2、為了保密通信，提高信號的抗干擾能力；以及不同的衛(wèi)星的區(qū)分選擇和精密測距——偽隨機碼測距碼：C/A碼，P碼3、為了信號的傳播——將擴頻后的編碼脈沖對L波段的兩個載波進行調(diào)制后發(fā)射載波：L1(1575.42MHZ)，L2(1227.6MHZ)第一節(jié)導航電文一、導航電文導航電文——衛(wèi)星通過無線電信號向地面發(fā)播的電文，是用戶用來定位和導航的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，即一組數(shù)據(jù)碼。為了數(shù)字通信，導航電文以編碼脈沖的形式播發(fā)。碼，碼元：碼/編碼：將某些信息（數(shù)字、字母、符號等）用若干位二進制代碼表示,這些表達不同信息的二進制數(shù)及其組合叫做編碼。碼元：在二進制中，一位二進制數(shù)叫一個碼元或一比特。二、導航電文的播發(fā)內(nèi)容衛(wèi)星的星歷，衛(wèi)星的工作狀態(tài)，衛(wèi)星的時鐘改正，電離層時延改正，C/A碼捕獲P碼，其它衛(wèi)星的星歷導航電文的播發(fā)格式：楨播發(fā)內(nèi)容1、遙測碼TLM--Telemetryword遙測碼——每個子幀的第一個字碼都是遙測碼，作為捕獲導航電文的前導第1~8bit為同步碼（10001001）；第9~22bit為遙測電文，包括地面監(jiān)控系統(tǒng)注入數(shù)據(jù)時的狀態(tài)信息、診斷信息和其它信息，以此指示用戶是否選用該衛(wèi)星；第23、24bit無意義；第25~30bit為奇偶檢驗碼。2、轉(zhuǎn)換碼HOW--Handoverword轉(zhuǎn)換碼——向用戶提供用于捕獲P碼的Z計數(shù)Z計數(shù)——它表示從每星期六/星期日午夜零時開始播發(fā)的導航電文的子楨數(shù)。知道Z計數(shù)，就知道觀測時刻P碼在周期中的準確位置，以此較快地捕獲P碼3、第一數(shù)據(jù)塊第一子幀的第3--10個字碼為第一數(shù)據(jù)塊。它的主要內(nèi)容是：(1)信號內(nèi)部的時延改正值Tgd；(2)星期序號WN，GPS星期數(shù);(3)衛(wèi)星時鐘改正系數(shù)(4)數(shù)據(jù)齡期AODC，時鐘改正數(shù)的外推時間間隔；4、第二數(shù)據(jù)塊第二和第三子幀共同構(gòu)成第二數(shù)據(jù)塊，它表示GPS衛(wèi)星的星歷。(1)開普勒6參數(shù)(2)軌道攝動9參數(shù)(3)時間2參數(shù)：星歷參考時刻、星歷數(shù)據(jù)齡期5、第三數(shù)據(jù)塊第三數(shù)據(jù)塊是由第4和第5兩個子幀構(gòu)成的，它提供GPS衛(wèi)星的歷書數(shù)據(jù)。當接收機捕獲得某顆衛(wèi)星后，利用第三數(shù)據(jù)塊提供其它衛(wèi)星的概略星歷、時鐘改正、碼分地址和衛(wèi)星工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。用戶不僅能選擇工作正常和位置適當?shù)男l(wèi)星，而且還可根據(jù)所在的位置，選擇最佳星座，依據(jù)已知的衛(wèi)星PRN號進行設(shè)置，以快速捕獲和定位。三、用戶接收到的導航文件GPS接收機對導航電文進行解碼，輸出；可以通過隨機軟件將輸出的接收機文件轉(zhuǎn)換成ASCII格式的通用格式的RINEX文件ReceiverIndependentExchangeformat(RINEX)/igscb/data/format/rinex2.txt文件名稱格式：[4-char][Dayofyear][Session].[yy]n

e.g.brdc0120.02nRINEX標準第二節(jié)GPS的信號（4.2）一、GPS的測距碼1、偽隨機噪聲碼偽隨機噪聲碼——PRN碼PseudoRandomNoiceCode什么是偽隨機噪聲碼：以預先確定并可重復產(chǎn)生和復制，具有白噪聲統(tǒng)計特性的二進制碼，有一定周期的，取值0或1的二進制序列。碼：表達不同信息的二進制數(shù)及其組合。在二進制中，一位二進制數(shù)叫一個碼元或一比特。數(shù)碼率：每秒鐘傳輸?shù)谋忍財?shù)，bit/s或記為BPS隨機碼：碼元幅度的取值是完全無規(guī)律的碼序列稱為隨機碼序列，或隨機噪聲碼序列。它是一種非周期序列，無法復制。偽隨機噪聲碼（PseudoRandomNoice，PRN，偽隨機碼或偽碼）：GPS采用偽隨機噪聲碼。特點：具有隨機碼的良好自相關(guān)性，具有某種確定的編碼規(guī)則，可以容易地復制。為什么利用偽隨機噪聲碼測距：仙農(nóng)“噪聲通信理論”：可實現(xiàn)低信噪比的接收，可實現(xiàn)碼分多址通信，具有良好的保密特性。信號的保密（調(diào)制和解調(diào)）：模二和算法:0+0=0;0+1=1;1+0=1;1+1=0碼分多址與頻分多址PRN碼的產(chǎn)生與碼分多址M序列發(fā)生器:寄存器，反饋，時鐘脈沖工作流程:1、置一脈沖2、時鐘脈沖3、移位4、輸出5、反饋2、偽隨機噪聲碼的特點：統(tǒng)計特性“1”出現(xiàn)的次數(shù)比“0”出現(xiàn)的次數(shù)多一，“0”——，“1”——移位相加特性，111101011001000011110101100100100011110101100偽隨機噪聲碼的特點：相關(guān)特性相關(guān)函數(shù)：描述兩個序列的相似性程度連續(xù)離散通用計算方法自相關(guān)系數(shù)的大?。阂莆幌嗉印狹序列“1”出現(xiàn)的次數(shù)比“0”出現(xiàn)的次數(shù)多一兩個序列中不同的碼的個數(shù)，比相同的碼的個數(shù)多一相關(guān)系數(shù)的大?。坷韵嚓P(guān)系數(shù)：1110100111010011101001110100R（t）=(3-4)/7=-1/71110100111010011101001110100R(t)=(3-4)/7=-1/7相關(guān)特性的應用：自相關(guān)性——錯開了多少個碼元——時間延遲3、偽隨機噪聲碼測距：測量在傳播時間內(nèi)變化了多少個碼元原理——利用接收機產(chǎn)生的復制碼與衛(wèi)星發(fā)播的偽隨機碼進行相關(guān)運算，通過測量相關(guān)函數(shù)最大值的位置來測定衛(wèi)星信號的傳播延遲，從而求得衛(wèi)星至接收機的距離觀測值。GPS測距：，單程測距測距儀測距：雙程測距，上式除以24、GPS的測距碼粗測碼——C/A碼，精測碼——P碼(1)、粗測碼C/A碼：由兩個十級反饋移位寄存器產(chǎn)生C/A碼的特性長度周期：頻率：碼元長度：時間周期：C/A碼的特點：易于搜索和捕獲；碼長約為300km；一個碼長293m，測量（比對）精度1%~10%。(2)、精測碼P碼的特性長度周期：碼元長度：時間周期：頻率：P碼的特點周期長，碼率高，不易于捕獲；易于保密，難于破譯；AS政策:P+W=Y；一個碼長29.3m，測量（比對）精度1%~10%。能否理解：用測距碼測距，就像用一個與對應碼長長度相等的尺子丈量衛(wèi)地距離？測量的精度與單個碼元長度相關(guān)，就像尺子的最小刻度影響估讀精度？二GPS的載波信號定義：可運載調(diào)制信號的高頻振蕩波。1、電磁波傳播的基本概念電磁波是一種隨時間t變化的正弦或余弦波。設(shè)電磁波初相角為0，角頻率，振幅為Ae，則電磁波的數(shù)學表達式為y=Aesin(t+0)2、GPS的載波信號L1載波，頻率：1575.42MHZ，波長：19cmL2載波，頻率：1227.6MHZ，波長：24cm現(xiàn)代化后增加L5–頻率：1176.45MHz；波長：25.48cm關(guān)于載波：GPS的載波是L波段的微波，具有良好的穿透大氣的能力，從衛(wèi)星的發(fā)射天線發(fā)出后沿直線傳播到達地球表面，發(fā)射信號強度為26.8dBw，接收最低信號強度為-160dBw。常規(guī)GPS接收機可以進行正常接收的最弱信號為-160dBw，而經(jīng)過稠密介質(zhì)時信號強度大為衰減，例如在室內(nèi)，GPS信號強度會衰減為-188dBw（比-158dBw弱1000倍），因而常規(guī)GPS接收機在室內(nèi)因信號太弱而不能進行定位，在這種弱信號環(huán)境下，特殊的GPS接收機仍然可以工作，例如IndoorGPS。載波的作用是作為傳輸工具，把搭載于其上的測距碼和導航電文從衛(wèi)星傳播到地面；對于測量型接收機，載波又同時用作為測量信號，接收機對接收到的載波進行相位測量，獲得高精度的相位觀測值，從而實現(xiàn)厘米乃至毫米級的高精度基線測量。三GPS信號的構(gòu)成1、信號的生成由衛(wèi)星上的原子鐘直接產(chǎn)生頻率為10.23MHz，衛(wèi)星信號的所有成分均是該基準頻率的倍頻或分頻。2、GPS信號的調(diào)制調(diào)制是對信號進行處理，使其變?yōu)檫m合傳輸?shù)男问降倪^程第一級的調(diào)制：第一級是導航電文調(diào)制到測距碼；采用二進制編碼序列“模二和”算法；調(diào)制結(jié)果是把數(shù)據(jù)碼(導航電文)從50Hz擴展到1.023MHz(對于C/A碼)。第二級的調(diào)制：第二級是測距碼調(diào)制到載波，采用二進制信號“波形相乘”的算法，將導航電文與測距碼合成后的二進制碼調(diào)制到載波上。調(diào)相、調(diào)幅與調(diào)頻L2信號：L2載波1227.6MHz;測距碼：P碼10.23MHz;導航電文50HzL1信號:L1載波1575.42MHz;測距碼：C/A碼1.023MHz;導航電文50Hz;測距碼：P碼10.23MHzGPS信號結(jié)構(gòu):L1信號——導航電文，C/A碼，P碼L2信號——導航電文，P碼3、GPS信號的發(fā)展第三節(jié)GPS接收機GPS接收機——接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，并進行處理和量測，以獲取導航電文和必要的觀測量。一、接收機的組成天線——接收信號；信號處理器——用于信號識別和處理；微處理器——用于接收機的控制，數(shù)據(jù)采集和導航計算；用戶信息傳輸——包括操作板，顯示板和數(shù)據(jù)存儲器；精密振蕩器——用以產(chǎn)生便準頻率二、接收機的基本工作原理三、接收機的分類1、根據(jù)接收機的工作原理碼相關(guān)型接收機——能夠產(chǎn)生于所測衛(wèi)星的測距碼，結(jié)構(gòu)完全相同的復制碼，工作中通過逐步相移，是接收碼與復制碼達到最大相關(guān)；平方型接收機——利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制碼，從而獲得載波相位測量所必需的載波信號；混合型接收機——綜合利用上述方法，同時獲得碼相位和精密的載波相位觀測值；2、根據(jù)接收機信號通道的類型接收機的信號通道——GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，經(jīng)由天線進入接收機的路徑。多通道接收機、序貫通道接收機、多路復用接收機3、根據(jù)接收衛(wèi)星信號頻率單頻接收機、雙頻接收機（具體接收信號見筆記）4、根據(jù)接收機的用途導航型、測量型、授時型（具體接收信號見筆記）導航型接收機民用高精度接收機的發(fā)展基礎(chǔ)美國的噴氣動力實驗室(JPL)P.MacDoran于1979年：->MacrometerInterferometricSurveyor(精密GPS接收機)美國國防制圖局(DMA)、美國國家大地測量局(NGS)、美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)的合作研究->TI-4100接收機NGS的大地測量學者C.Goad和B.Remondi研制了軟件對這兩種接收機的載波相位進行基線解算；1985年Trimble公司批量生產(chǎn)出了具有載波相位輸出的GPS接收機Trimble4000S，其相應的基線處理軟件則是由C.Goad進一步研制的。1990以后，GPS軟硬件迅猛發(fā)展起來，向著小型化、低功耗、高采樣率快速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了手持導航型、手表型、小型單、雙頻測量型、差分型、雙星測量型、GIS數(shù)據(jù)采集型GPS接收機2000年以后GPS軟件接收機技術(shù)、室內(nèi)GPS接收機技術(shù)成為發(fā)展熱點，將GPS接收機與手機集成在一起更是得到空前的關(guān)注，并形成了基于GPS定位服務的行業(yè)(LBS)，GPS將同手機通信一樣，進入我們每一個人的生活。早期的GPS接收機：JPL于1982年的GPS接收機：接收機73kg，天線18kg1982年，TI4100GPS接收機，25kg,110W第五章GPS觀測值信號——〉觀測值：信號：導航電文、測距碼、載波觀測值：衛(wèi)星坐標、偽距觀測值、載波相位觀測值GPS定位的觀測值:距離利用測距碼測距——偽距觀測值利用載波相位測距——載波相位觀測值一、偽距觀測值GPS測距碼：粗測碼——C/A碼；精測碼——P碼1、偽隨機噪聲碼測距距離=速度*傳播時間偽距測量：衛(wèi)星和接收機同時產(chǎn)生PRN碼衛(wèi)星向地面發(fā)射，經(jīng)傳播時間達到接收機，時刻：t時刻，接收機衛(wèi)地距離2、偽距觀測方程問題：1、鐘差2、整周3、折射（1）鐘差問題標準時間：衛(wèi)星時間：接收機時間：觀測值：鐘差影響：（2）整周對齊衛(wèi)地距離是多少？C/A碼長是多少?（3）大氣折射偽距觀測值：偽距觀測方程（X,Y,Z為測站坐標，未知；未知；衛(wèi)星坐標XS，YS，ZS已知；等式右邊已知）偽距定位：空間后方交會，至少四顆衛(wèi)星GPS定位原理：可以確定我們的位置在一個球面上可以確定我們的位置在兩個球面相交的公共部分可以確定我們的位置在三個球面相交的公共部分可以確定我們的位置在四個球面相交的公共部分說明：四個距離=一個點，第四個距離是不必要的。但是，由于接收機時鐘誤差需要確定，增加了一個未知數(shù)，需要第四顆衛(wèi)星。偽距的特點小結(jié)：無模糊測距、可以實現(xiàn)實時定位、精度低二、載波相位觀測值定義——接收機接收的衛(wèi)星載波信號和接收機產(chǎn)生的參考載波信號的相位差相位與距離的關(guān)系：問題一：整周模糊度載波在衛(wèi)星到接收機間相位變化的整周數(shù)距離D=Nλ+Δλ（Δλ=不足整周波長，N=整周模糊度）載波相位測量：連續(xù)的載波相位測量類比偽距觀測值：偽距觀測值/觀測方程：載波相位觀測值：，載波相位觀測方程：（X，Y，Z，，N未知）某一時刻，觀測四顆衛(wèi)星，利用載波相位定位有幾個觀測值？有幾個未知數(shù)？衛(wèi)星的鎖定：輸出的觀測值模糊度鎖定衛(wèi)星后，連續(xù)二次測量有幾個觀測值？有幾個未知數(shù)？問題二：周跳周跳——由于衛(wèi)星信號失鎖而使載波相位差觀測值中的整周計數(shù)發(fā)生突變。周跳的影響：如果在觀測過程接收機保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤，則整周模糊度將保持不變，整周計數(shù)也將保持連續(xù)；但當由于某種原因使接收機無法保持對衛(wèi)星信號的連續(xù)跟蹤時，在衛(wèi)星信號重新被鎖定后，將發(fā)生變化，而也不會與前面的值保持連續(xù)，這一現(xiàn)象稱為整周跳變。周跳探測與修復：周跳的影響：破壞了對衛(wèi)星信號的連續(xù)觀測解決：探測與修復高次差法、曲線擬和、衛(wèi)星間求差、電離層延遲方法例：曲線擬合法根據(jù)n個相位觀測值，擬和一個m階的多項式，據(jù)此多項式預估下一個觀測值，并與實測值比較，從而發(fā)現(xiàn)并修復周跳。載波相位觀測值的特點：模糊測距，不可以實現(xiàn)實時定位，精度高，容易出現(xiàn)周跳問題，容易受誤差影響，解算復雜多普勒頻移計數(shù)：（衛(wèi)星到測站的徑向相對速度）（衛(wèi)星到測站的距離）第六章GPS測量誤差源一、為什么講誤差？GPS定位基礎(chǔ)：衛(wèi)星信號提供定位信息：衛(wèi)星位置、衛(wèi)地距離，接收機接收信號，獲得觀測值，進行定位誤差影響定位精度：研究誤差的目的：提高定位精度；為使用GPS提供一些注意事項；提出精密定位的方法二、誤差誤差的定義：在同一量的各觀測值之間，或在各觀測值與其理論上的應有值之間存在差異的現(xiàn)象。分類：誤差的來源從觀測過程進行分析儀器角度：測量儀器的精密度；觀測者角度：觀測者感覺器官的鑒別能力；外界條件：溫度、濕度、大氣折光分類：誤差的性質(zhì)系統(tǒng)誤差(Systematicerrors)：誤差在大小、符號上表現(xiàn)出系統(tǒng)性，或者在觀測過程中按照一定的規(guī)律變化，或者為一常數(shù)。偶然誤差(randomerrors)：如果誤差在大小和符號上都表現(xiàn)出偶然性，即從單個誤差看，該列誤差的大小和符號沒有規(guī)律粗差(grosserror)：錯誤不同誤差的解決辦法粗差的解決？盡量避免系統(tǒng)誤差的解決？分析它對觀測的影響規(guī)律，采取各種方法來消除系統(tǒng)誤差，或者減小它對觀測成果的影響。偶然誤差的解決？進行多余觀測，通過測量平差、數(shù)據(jù)處理理論，確定被認為是最可靠的結(jié)果。三、GPS定位中的誤差根據(jù)誤差的來源分析：與信號傳播有關(guān)的誤差：對流層折射、電離層折射、多路徑效應與衛(wèi)星有關(guān)的誤差：星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、相對論效應與接收機有關(guān)的誤差：接收機鐘差、位置誤差、天線相位中心的偏差及變化、各通道間的信號延遲誤差其它誤差：地球潮汐（一）與信號傳播有關(guān)的誤差大氣折射：也稱大氣延遲。指信號在穿過大氣時，速度將發(fā)生變化，傳播路徑也將發(fā)生彎曲。色散與非色散介質(zhì)色散介質(zhì)：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應也不同非色散介質(zhì)：對不同頻率的信號，所產(chǎn)生的折射效應相同對GPS信號，電離層是色散介質(zhì)，對流層是非色散介質(zhì)1）電離層及其折射影響電離層：地球表面以上50km~1000km具有密度較高的帶電粒子電離層影響：天頂方向50米；地平方向120米電子總量和電子密度：電子密度——單位體積中所包含的電子數(shù)電子總量——底面積為一個單位面積時沿信號傳播路徑貫穿整個電離層的一個柱體內(nèi)所含的電子總數(shù)電離層的影響：電離層的折射率與大氣的電子密度成正比，而與通過的電磁波頻率平方成反比。對于群波和相波影響不同電離層折射相折射率：相速度：載波群折射率：群速度：偽距電離層折射對測距觀測值的影響：偽距：傳播距離測量距離電離層延遲載波：影響和頻率以及電子總