GPS原理及现代化课件

1、上海欧亚测量系统设备有限公司全球定位系统概述全球定位系统概述上海欧亚测量系统设备有限公司工程技术服务研发部 上海欧亚测量系统设备有限公司一、全球定位系统及现代化一、全球定位系统及现代化二、二、GPSGPS系统及信号系统及信号三、三、GPSGPS测量原理测量原理四、四、GPSGPS测量定位误差测量定位误差五、五、GPSGPS测量中常见的几种坐标系统测量中常见的几种坐标系统上海欧亚测量系统设备有限公司一、全球卫星定位系统一、全球卫星定位系统及及GPSGPS现代化现代化上海欧亚测量系统设备有限公司GPS（Global Position System）的基本概念的基本概念全球定位系统（全球定位系统（G

2、PS）是一个空）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。的位置、速度和时间信息的要求。GPS的英文全称是的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging /Global Position System（导航星测时与测距全球（导航星测时与测距全球定位系统）定位系统），简称，简称GPS有时也被称有时也被称NAVSTAR GPS。GPS是美国继阿波罗登月计划和航天飞机之后的第三是美国

3、继阿波罗登月计划和航天飞机之后的第三大空间工程。大空间工程。上海欧亚测量系统设备有限公司GPS的发展简史的发展简史: :子午卫星系统（一）子午卫星系统（一） 1957年年10月月4日日 第一颗人造卫星第一颗人造卫星 Sputnik I 发射成发射成; 1958年年12月开始设计月开始设计 NNSS(Navy Navigation Satellite System) TRANSIT，即子午卫星系统；，即子午卫星系统； 1964年年1月该系统正式运行；月该系统正式运行； 1967年年7月系统解密以供民用月系统解密以供民用; 1)6颗卫星颗卫星,太少太少 2)地面监控站不能实时的提供卫星星历地面监控

4、站不能实时的提供卫星星历,所所以不能实时定位。以不能实时定位。 2).轨道高度轨道高度10100公里公里,太低太低,因为地球引力、因为地球引力、摄动影响，卫星难以精密定轨。摄动影响，卫星难以精密定轨。 3).频率低频率低,难以补偿电离层折射的影响。难以补偿电离层折射的影响。 4).定位精度低。定位精度低。上海欧亚测量系统设备有限公司GPS发展简史发展简史: :方案论证和初步设计阶段方案论证和初步设计阶段( (二二) )1973年年12月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制一种新的军用卫星全球导航系统制一种新的军用卫星全球导航系统:GPS；1978年年2月

5、月22日，第日，第1颗颗GPS试验卫星发射功；试验卫星发射功；从从1973年到年到1979年，共发射了年，共发射了4颗试验卫星，研制颗试验卫星，研制了地面接收机及建立地面跟踪网，从硬件和软件上进了地面接收机及建立地面跟踪网，从硬件和软件上进行了试验。试验结果令人满意。行了试验。试验结果令人满意。上海欧亚测量系统设备有限公司从从1979年到年到1984年，又陆续发射了年，又陆续发射了7颗试验卫颗试验卫星。这一阶段称之为星。这一阶段称之为Block I。与此同时，研制了。与此同时，研制了各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时测地型接收机也相继问世。试验

6、表明，测地型接收机也相继问世。试验表明，GPS的定的定位精度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度位精度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度几乎提高了一个数量级，达到几乎提高了一个数量级，达到14m。由此证明，。由此证明，GPS计划是成功的。计划是成功的。GPS的发展简史：全面研制和试验阶段（三）的发展简史：全面研制和试验阶段（三）上海欧亚测量系统设备有限公司GPS的发展简史：的发展简史：实用组网阶段（四）实用组网阶段（四） 1989年年2月月4日第一颗日第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入系统进入工程建设阶段。工程建设阶段。 1991年，在海湾战争中，年，

7、在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。首次大规模用于实战。 1995年年7月月17日，日，GPS达到达到FOC 完全运行能力（完全运行能力（Full Operational Capability）。）。 1999年年1月月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行亿美圆，进行GPS现代化。现代化。 1999年年8月月21/22日子夜，日子夜，GPS发生发生GPS周结束翻转问题。周结束翻转问题。 2000年年1月月1日，日，Y2K问题。问题。 2000年年5月月1日，美国总统克林顿宣布，日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施停止实施SA。上海欧亚测量系统设

8、备有限公司GPS的发展简史：的发展简史： GPSGPS现代化（五）现代化（五） 在在L2L2频道上增加第二民用码，即频道上增加第二民用码，即CACA码。这样用户就可码。这样用户就可以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电离层的改正。离层的改正。 增加增加L5L5民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性和导航的安全性 上海欧亚测量系统设备有限公司GLONASS卫星导航定位系统GLONASS（俄）（俄） - Global Navigation Satellite System 卫星：卫星：21

9、+3 轨道高度：轨道高度：19100km 信号频率：信号频率：16021616MHz、12461256MHz 远行周期：远行周期：11h15min上海欧亚测量系统设备有限公司建设中的Galileo卫星导航定位系统 27颗工作卫星颗工作卫星+3颗在轨备用卫星颗在轨备用卫星 轨道高度轨道高度23 616km，轨道倾角，轨道倾角56 欧洲宇航局将于欧洲宇航局将于2005年底利用俄年底利用俄“联盟联盟”火箭发射火箭发射“伽利略伽利略”卫星定位系统的首批两枚卫星卫星定位系统的首批两枚卫星 该系统将于该系统将于2008年后投入使用年后投入使用 推迟到推迟到2011年，最新的消息推迟到年，最新的消息推迟到2

10、014年；年；上海欧亚测量系统设备有限公司中国北斗导航定位系统 35颗卫星，目前颗卫星，目前8颗卫星，颗卫星，2012年底再发射年底再发射8颗卫星；颗卫星； 分阶段实施：分阶段实施： 第一阶段，第一阶段，2003年年3颗地球同步卫星；颗地球同步卫星； 第二阶段，第二阶段，2012年达到年达到10颗左右，达到覆盖亚太地区；颗左右，达到覆盖亚太地区； 第三阶段，第三阶段，2020年达到年达到30颗左右，覆盖全球；颗左右，覆盖全球； 快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务天候、高精度、快速实时定位服务 简短通信：北斗

11、系统用户终端具有双向数字报文通信简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以一次传送超过能力，可以一次传送超过100个汉字的信息。个汉字的信息。 精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功能。根据不同的精度要求能。根据不同的精度要求,利用授时终端利用授时终端,完成与北斗导完成与北斗导航系统之间的时间和频率同步航系统之间的时间和频率同步,可提供数十纳秒级的时可提供数十纳秒级的时间同步精度间同步精度上海欧亚测量系统设备有限公司二二. . GPS系统及信号系统及信号系统构成系统构成信号结构信号结构 变化中的美国变化中的美国GPS政策政策上

12、海欧亚测量系统设备有限公司GPS的系统组成的系统组成- 系统组成系统组成 GPS的系统组成的系统组成GPS系统由系统由空间部分空间部分、地面控制部地面控制部分分和和用户设用户设备部分备部分等三等三部分组成部分组成上海欧亚测量系统设备有限公司GPS的系统组成的系统组成- 空间部分空间部分GPS卫星星座卫星星座设计星座：设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3颗活颗活动的备用卫星动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角，轨道倾角55 ，周，周期期11h 58min（顾及地球自转，顾及地球自转，地球地球-卫星的几何关系每天提卫星的几何关

13、系每天提前前4min重复一次）重复一次） 保证在保证在24小时，在小时，在高度角高度角15 以上，能够同时观测到以上，能够同时观测到4至至8颗卫星颗卫星当前星座：当前星座：30颗颗上海欧亚测量系统设备有限公司GPS的系统组成的系统组成- 空间部分空间部分GPS卫星卫星1)作用：作用：接收、存储导航电文接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距生成用于导航定位的信号（测距码、载波）码、载波）发送用于导航定位的信号（采用发送用于导航定位的信号（采用双向调制法调制在载波上的测距码双向调制法调制在载波上的测距码和导航电文）和导航电文）接受地面指令，进行相应操作接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途

14、，如通讯、监测核其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。暴等。2）主要设备）主要设备太阳能电池板太阳能电池板原子钟（原子钟（2台铯钟、台铯钟、2台铷钟）台铷钟）信号生成与发射装置信号生成与发射装置 上海欧亚测量系统设备有限公司类型类型 (1)试验卫星：试验卫星：Block (2)工作卫星：工作卫星：Block Block ：存储星历能力为：存储星历能力为14天，天，具有具有SA和和AS地能力地能力 Block A （Advanced）：卫星间）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为可相互通讯，存储星历能力为180天，天，SV35和和SV36带有激光反射棱带有激光反射棱镜镜 Block R （Replac

15、ement/Replenishment）：）：卫星间可相互跟踪相互通讯卫星间可相互跟踪相互通讯 Block F（Follow On）：新一代）：新一代的的GPS卫星卫星,增设第三民用频率增设第三民用频率Block IIABlock IIRBlock IIFGPS的系统组成的系统组成- 空间部分空间部分上海欧亚测量系统设备有限公司GPS的系统组成的系统组成- 地面控制部分地面控制部分GPS的地面控制部分（地面监测系统）的地面控制部分（地面监测系统） 组成：主控站（组成：主控站（1个）、跟踪站（个）、跟踪站（5个）和注入站（个）和注入站（3个）个） 作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文

16、），作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历（导航电文），保持系统时间。保持系统时间。上海欧亚测量系统设备有限公司主控站（主控站（1个）个） 作用：作用： 收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态；收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态； 通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令；通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况的处理。卫星维护与异常情况的处理。 地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。跟踪站（跟踪站（5个）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作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将

17、所收集到的数据传送给主控站。送给主控站。 地点：夏威夷、主控站及三个注入站。地点：夏威夷、主控站及三个注入站。注入站（注入站（3个）个） 作用：将导航电文注入作用：将导航电文注入GPS卫星。卫星。 地点：阿森松群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦地点：阿森松群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）。加兰（太平洋）。上海欧亚测量系统设备有限公司接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数 据处理机L1 L2S波段波段GPS卫星 GPS卫星GPS地面监控系统的流程图地面监

18、控系统的流程图上海欧亚测量系统设备有限公司GPS的系统组成的系统组成- 用户设备部分用户设备部分用户设备部分用户设备部分 - GPS信号接收机及相关设备信号接收机及相关设备 接收、跟踪、变换和测量接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备信号的设备 多数采用石英钟多数采用石英钟上海欧亚测量系统设备有限公司GPS的信号结构的信号结构 GPS信号的基本组成部分（信号分量）信号的基本组成部分（信号分量） 载波（载波（Carrier Phase） 测距码（测距码（Ranging Code） 导航电文（导航电文（Navigation Message/Data Message） 载波载波 作用：搭载其它信号，

19、也可用于测量（测距）。作用：搭载其它信号，也可用于测量（测距）。 类型类型 目前目前 L1：频率：频率：1575.43MHz，波长：，波长：19cm L2：频率：频率：1227.60MHz，波长：，波长：24cm 现代化后现代化后 增加增加L5：1176.45MHz，波长：，波长：26cm上海欧亚测量系统设备有限公司GPS的信号结构（二）的信号结构（二） 测距码测距码 伪随机噪声码伪随机噪声码 PRN码码 目前目前 C/A（C1） 码速：码速：1.023MHz 码元长度：码元长度：300m 码元数：码元数：1023bit P(Y)1、 P(Y)2 码速：码速：10.23MHz 码元长度：码元长

20、度：30m 码元数：码元数：6.19*10E12bit 现代化后现代化后 C2 M1、M2 军用码军用码上海欧亚测量系统设备有限公司GPS的信号结构（三）的信号结构（三） 导航电文导航电文 码速：码速：50bps 形式：以帧的形式发送；每帧（形式：以帧的形式发送；每帧（5个子帧）个子帧）1500bit， 需需30秒。秒。 内容：内容： 广播星历（导航信息）广播星历（导航信息）; 卫星钟改正卫星钟改正; 历书（概历书（概略星历）略星历） 电离层信息电离层信息; 卫星健康状况卫星健康状况上海欧亚测量系统设备有限公司变化中的美国变化中的美国GPS政策政策SPS与与PPS SPS 标准定位服务，使用标

21、准定位服务，使用C/A码，民用码，民用 PPS 精密定位服务，可使用精密定位服务，可使用P码，军用码，军用SA（已于（已于2000年年5月月1日取消）日取消） Selective Availability 选择可用性：人为降低普通用户的测量精选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。度。 方法方法 技术：轨道加绕（长周期，慢变化）技术：轨道加绕（长周期，慢变化） 技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）AS Anti-Spoofing 反电子欺骗反电子欺骗 P码加密，码加密，P+W-YGPS现代化现代化 提高信号质量提高信号质量 在在L2上增加上增加C

22、/A码码 增加第三民用频率增加第三民用频率L5 增加增加2个军用码：个军用码：M1，M2 局部关闭局部关闭上海欧亚测量系统设备有限公司三三.GPS.GPS测量原理测量原理依定位时的状态依定位时的状态 动态定位动态定位 静态定位静态定位依定位模式依定位模式 绝对定位（单点定位）绝对定位（单点定位） 相对定位相对定位 差分定位差分定位依定位采用的观测值依定位采用的观测值伪距测量（伪距法定位）伪距测量（伪距法定位） 载波相位测量载波相位测量依时效依时效 实时定位实时定位 事后定位事后定位依确定整周模糊度的依确定整周模糊度的方法及观测时段的长方法及观测时段的长短短 常速静态或动态定位常速静态或动态定位

23、 快速静态或动态定位快速静态或动态定位GPS测量定位的分类测量定位的分类上海欧亚测量系统设备有限公司GPS单点定位原理r(X,Y,X)(x,y,z)r =(x-X) +(y-Y) +(z-Z)2222r=c*t上海欧亚测量系统设备有限公司GPS相对定位原理相对定位原理 相对定位的原理 相对定位是用两台（或多台）接收机分别安置在一条（或多条）基线的两端，同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点的相对位置或基线向量 在相对定位时，通过对观测量求差，可以消除卫星钟差、接收机钟差，削弱电离层和对流层折射的影响，消去整周模糊度参数等，使基线精度提高到10-6、10-7，甚至达到10-8、10-9。上海欧

24、亚测量系统设备有限公司四四.GPS测量定位误差测量定位误差 误差的分类误差的分类 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差 与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差上海欧亚测量系统设备有限公司 1.误差的分类误差的分类 粗差粗差 偶然误差（观测噪声）偶然误差（观测噪声） - Noise 一般优于波长一般优于波长/码元长度的码元长度的1/100 偏差（系统误差）偏差（系统误差） - Bias 与卫星有关的误差与卫星有关的误差 与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差 与接收设备有关的误差与接收设备有关的误差 其它其它 软件软件 模型误差模型误差; 地球潮汐地球潮

25、汐 GPS控制系统控制系统上海欧亚测量系统设备有限公司粗差粗差 1 1）量错了天线高。）量错了天线高。 2 2）测量了错误的点）测量了错误的点 3 3）输入了错误的点名）输入了错误的点名 4 4）输入了错误的坐标）输入了错误的坐标上海欧亚测量系统设备有限公司2.与卫星有关的误差与卫星有关的误差卫星星历误差：轨道误差卫星星历误差：轨道误差 广播星历（预报星历）与精密星历（后处理星历）广播星历（预报星历）与精密星历（后处理星历） 应对方法应对方法 精密定轨精密定轨 轨道松驰轨道松驰 相对定位相对定位卫星钟差卫星钟差 钟差、钟速、频漂钟差、钟速、频漂 应对方法应对方法 钟差多项式钟差多项式 - t=

26、a0+a1(t-t0)+a2(t-t0)2 参数参数 物理同步误差与数学同步误差物理同步误差与数学同步误差相对论效应相对论效应 狭义相对论效应狭义相对论效应 与钟的运动速度有关，使星钟变慢与钟的运动速度有关，使星钟变慢 广义相对论效应广义相对论效应 与钟所处位置的重力位有关，使星钟变快与钟所处位置的重力位有关，使星钟变快 应对方法应对方法 事先调整钟速，根据卫星轨道进行修正事先调整钟速，根据卫星轨道进行修正上海欧亚测量系统设备有限公司3.与传播途径有关的误差与传播途径有关的误差电离层延迟电离层延迟电离层电离层 自由电子自由电子与信号的频率有关与信号的频率有关 与信号频率的平方成反比（色散效应）与信号频率的平方成反比（色散效应）与信号传播途径上的电子密度有关，而电子密度又与高度、时间、季与信号传播途径上的电子密度有关，而电子密度又与高度、时间、季节、地理位置、太阳活动等有关节、地理位置、太阳活动等有关电离层对载波和测距码的影响，大小相等，符号相反电离层对载波和测距码的影响，大