GPS原理及其应用PPT电子课件教案-第1章_绪论.ppt

1,gps原理及其应用,主讲：李征航,2,第1章 绪论,3,1.1 全球定位系统的产生和发展,4,导航定位,5,导航定位,空间位置与运动 空间位置是物体的基本属性，运动是物体的基本特性 定位 确定目标的空间位置 导航 获取载体的空间位置，并控制其从一点到另一点的运动的过程,x,y,z,(x, y, z),6,原始导航定位方法,利用天体进行定向 日、月及特定的星体或星座 利用自然景观 高山、河流 利用自然现象 树木的生长态势，植物的生长态势（如苔藓） 采用人造的器械 指南针（罗盘） 利用人工建筑 烽火台、灯塔,7,近、现代导航定位方法,天文导航 如六分仪（18世纪）,六分仪,8,近、现代导航定位方法,地面方法 导航系统或仪器 地基无线电导航系统：loran-c，雷达等 惯导系统 地面测量仪器 尺：铟钢尺 光学仪器：经纬仪，水准仪 激光和红外仪器：测距仪 综合多种技术的仪器：全站仪,9,近、现代导航定位方法,卫星导航 利用星载无线电信标进行导航，即星基无线电导航,子午卫星系统,全球定位系统（gps）,10,子午卫星系统及其局限性,11,子午卫星系统的建立过程,1957年10月4日，前苏联成功发射第一颗人造地球卫星 sputnik 1 美国霍普金斯大学应用物理实验室 （jhu/apl）的吉尔（william guier）博士和魏芬巴哈（george weiffenbach）博士利用地面sputnik 1信号多普勒测量资料对其进行了精确定轨 jhu/apl的麦克卢尔（frank mcclure）博士和克什纳（richard kershner）博士提出了利用多普勒测量方法进行定位的思想 1958年，受美国海军委托，在克什纳博士领导下，开始开展子午卫星系统的研究 1964年1月，子午卫星系统建成并投入军用 1967年7月，子午卫星系统解密并提供民用,吉尔（右）和魏芬巴哈（左）,sputnik 1,麦克卢尔,克什纳,12,子午卫星系统概况,名称 正式名称为海军导航系统（nnss navy navigation satellite system），由于卫星采用极轨道，故也称为transit（子午卫星导航系统）,13,子午卫星系统概况,空间部分 卫星星座 6颗卫星 6个极轨道面 轨道高度1075km 信号 频率1：149.988mhz（4.9996mhz 30） 频率2：399.968mhz（4.9996mhz 80） 星历（广播星历）,子午卫星系统的卫星星座,oscar,nova,子午卫星系统的卫星,14,子午卫星系统概况,地面控制部分 跟踪站 计算中心 注入站 控制中心 海军天文台 用户部分 多普勒接收机,多普勒接收机,15,子午卫星系统概况,定位及时间同步精度（单次卫星通过） 定位：约200m 时间同步：约50ms,导航系统精度,16,子午卫星系统的工作原理,多普勒效应,多普勒效应,17,子午卫星系统的工作原理,多普勒计数 对于电磁波 多普勒计数,令 ，真空中的光速为 ，有,18,子午卫星系统的工作原理,定位的观测值 定位原理 双曲定位,子午卫星系统的定位原理,19,子午卫星系统的局限性,一次定位时间过长 原因 存在一个对同一卫星的信号多普勒计数进行时间积分的过程 为获得良好的几何图形，通常需要观测一次完整的卫星通过（约818min） 引发问题 无法为高动态用户服务 为缩短定位所需时间，需采用低轨卫星，从而又造成卫星定轨上的难度 对于低动态用户，仍需进行位置归算，从而影响导航定位精度,20,子午卫星系统的局限性,无法进行连续定位 原因 卫星数少 不同卫星采用相同频率的信号 引发问题 两次卫星通过的平均间隔长（中低纬地区约为1.5h） 相邻轨道卫星信号可能相互干扰，导致有时必须关闭其中一颗卫星的信号,21,子午卫星系统的局限性,对测量应用存在许多不利因素 观测时间偏长，作业效率偏低（需50100次合格卫星通过，耗时约1周） 定位精度偏低 原因 卫星和接收机钟不够稳定，增加处理难度，影响定位精度 信号频率较低，对电离层延迟改正不利 卫星轨道精度低，影响定位精度,22,全球定位系统的产生和发展,23,全球定位系统概况,建立国家：美国 名称：navigation satellite timing and ranging global positioning system navstar gps 卫星星座（设计方案）：24颗gps卫星 载波信号频率两个：l1，l2 信号调制：载波信号上调制有测距码（l1上为c/a码和p码，l2上为p码）和导航电文 系统基本功能：定位、测速、授时,24,gps卫星列表(截止2010/10/27),25,全球定位系统的基本定位方式,单点定位,26,全球定位系统的建立,前期准备 美国海军timation计划 始于1964年 利用卫星播发精确的时间参考信号进行测距和时间传递 1967年和1969年分别发射了timation-1和timation-2，搭载石英钟 1974年发射nts-1（navigation technology satellite 1），首次搭载原子钟（2台铷钟） 1977年发射nts-2，首次搭载铯钟 美国空军621b计划 采用伪随机噪声（prn pseudo random noise）码进行距离测量 在1968至1971年间利用飞机进行试验,timation-1,27,全球定位系统的建立,项目开展 1973年，美国防部成立联合工作办公室（jpo joint program office），jpo综合transit、timation和621b等方案的优点，提出了navstar/gps项目方案 1973年12月17日，正式批准navstar/gps项目 1978年2月22日，第一颗gps试验卫星的发射成功，标志着工程研制阶段的开始 1989年2月14日，第一颗gps工作卫星的发射成功，宣告gps系统进入了生产作业阶段 1991年，在海湾战争中，gps首次大规模用于实战 1993年12月8日，宣布系统具备初步工作能力（ioc initial operational capability） 1995年4月27日，宣布系统具备完全工作能力（foc full operational capability）,28,1.2 美国政府的gps政策,29,sps与pps,sps（standard positioning service） 标准定位服务 使用c/a码，民用 精度（2drms/实施sa） 水平：100 m 垂直：150170 m 时间：340 ns pps （precise positioning service） 精密定位服务 可使用p码，军用 精度（ 2drms ） 水平：22 m 垂直：27.7 m 时间：200 ns,30,sa,名称 sa（selective availability） 选择可用性 制定目的 降低民用定位精度 实施方法 技术：在广播星历中认为加入误差，降低卫星星历的精度 技术：有意识地使卫星钟频产生一种快速抖动 实施时间 1990.3.252000.5.1,31,sa,sa的影响,2000.5.1,2000.5.2,32,as,名称 as（anti-spoofing） 反电子欺骗 制定目的 防止敌对方对gps卫星信号进行电子欺骗和电子干扰 实施方法 在p码上加上严格保密的w码，产生完全保密的y码 实施时间 1994.1.31 后果 非特许用户无法使用y码 增加l2载波相位测量的难度,33,美国gps政策的新变化,终止sa 2000年5月2日4时（utc） 进行gps现代化 在block -m 及 block f卫星及随后的gps卫星的l2载波上调制民用码。最初计划采用c/a码，现改为更为先进的l2c码。 在block f卫星及随后的gps卫星上增加l5信号。 在l1和l2上增设军用码m码，实现军用信号和民用信号分离。军用接收机具有更好的保护装置，特别是抗干扰能力，并具有快速初始化的能力。 阻止、干扰敌对方使用全球定位系统。,34,1.3 其他卫星导航系统的概况,35,glonass,glonass global navigation satellite system（全球导航卫星系统） 开发者 俄罗斯（前苏联） 系统构成 卫星星座 地面控制部分 用户设备,36,glonass,glonass与gps的比较,37,glonass,运行状况 从1982年10月12日发射第一颗glonass卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，所以至2000年底卫星数已经减少至6颗，系统已无法正常工作。 随着经济情况的好转，制定了“拯救glonass的补星计划”，对系统进行现代化改正。,38,glonass,glonass系统现代化 在2003年前发射glonass-m1卫星，寿命预计5年 在2003年后发射glonass-m2卫星，寿命预计7年 2009年开始研制第三代glonass-k卫星，寿命预计10年，并增加第三个频率。2010年后重建成由24颗glonass-m卫星和glonass-k卫星组成的卫星星座 2015年发射新型的glonass-km卫星，改进地面控制系统及坐标系统，使其与itrf框架保持一致，提高卫星钟稳定度。 至2009年12月29日，共有22颗卫星。,39,galileo,伽俐略（galileo）卫星导航定位系统 2002年3月24日，欧盟决定研制组建 卫星星座将： 30颗卫星（27+3） 3个轨道面 轨道高度23616km 轨道倾角为56。 信号频率 e5a，e5b，eb，e2-l1-e1,40,galileo,伽俐略（galileo）卫星导航定位系统 服务内容 公开服务（公开） 安全服务（公开） 商业服务（特许） 政府服务（特许）,41,galileo,伽俐略（galileo）卫星导航定位系统 运行状况 giove-a giove-b,42,中国北斗卫星导航定位系统,概况 我国独立自主建立的导航卫星系统 系统由两颗地球静止卫星构成，故又被称为双星系统 2000年10月31日发射了第一颗试验卫星 2000年12月21日发射了第二颗试验卫星,43,中国北斗卫星导航定位系统,系统组成 空间卫星部分 23颗地球静止卫星（geo） 地面部分（以地面控制中心站为主） 北斗用户终端,44,中国北斗卫星导航定位系统,定位的基本思想 由2颗地球静止卫星（geo）对用户双向测距 由1个配有电子高程图库的地面中心站进行位置解算 定位由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户。,45,中国北斗卫星导航定位系统,定位原理（三球交会） 以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面 中心站电子高程地图库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，并已知目标在赤道平面北侧，即可获得用户的二维位置,46,中国北斗卫星导航定位系统,定位过程 地面中心站对其中一颗导航卫星连续发送c波段载波，载波上的数据流含有测距信号、地址电文和时间等，它们被称为询问脉冲和询问信号。 询问信号经导航卫星转发给用户设备。 用户设备接收询问信号，并注入必要信息，向两颗导航卫星发射作为应答。 两颗卫星收到应答信号，再将它们转发到地面中心站。 地面中心站利用所接收到的应答信号，计算用户设备的坐标和交换电报信息。 中心站经卫星把处理后的信息发送给用户设备。,47,中国新一代卫星导航定位系统,名称 cnss（compass satellite navigation system） 也被称为第二代北斗导航定位系统,48,中国新一代卫星导航定位系统,