《GPS原理及其应用》本科全册配套完整教学课件

1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组GPSGPS原理及其应用本科原理及其应用本科全册配套完整教学课件全册配套完整教学课件1 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组2GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用3教材及参考文献教材及参考文献 教材教材 李征航、黄劲松编著，李征航、黄劲松编著，GPS测量与数据处理，测量与数据处理，武汉大学出版社，武汉大学出版社，2010 参考文献参考文献 周忠谟等，周忠谟等，GPS卫星测量原理与应用，测绘出卫星测量原理与应用，测绘出版社，版社，1997

2、刘基余，刘基余，GPS卫星导航定位原理与方法，科学卫星导航定位原理与方法，科学出版社，出版社，2003GPS原理及其应用原理及其应用4第一章第一章绪绪 论论 1.1 全球定位系统的产生与发展全球定位系统的产生与发展 1.2 美国政府的美国政府的GPS政策政策 1.3 其它卫星导航定位系统概况其它卫星导航定位系统概况GPS原理及其应用原理及其应用51.1 全球定位系统的产生与发展全球定位系统的产生与发展GPS原理及其应用原理及其应用6导航与定位导航与定位GPS原理及其应用原理及其应用7导航与定位导航与定位 空间位置与运动空间位置与运动 定位定位 导航导航 获取运动载体的空间位置，获取运动载体的空

3、间位置，并控制载体从一点到另一并控制载体从一点到另一点的运动的过程点的运动的过程( X,Y,Z )GPS原理及其应用原理及其应用8原始的导航定位方法原始的导航定位方法 利用天体进行定向利用天体进行定向 日、月及特定的星体和星座日、月及特定的星体和星座 利用自然景观利用自然景观 高山、河流高山、河流 利用自然现象利用自然现象 树木与植物的生长态势树木与植物的生长态势 利用人造器械利用人造器械 指南针（罗盘）指南针（罗盘） 利用人工建筑利用人工建筑 烽火台、灯塔烽火台、灯塔GPS原理及其应用原理及其应用9近现代的导航定位方法近现代的导航定位方法 (1) 天文导航天文导航 如六分仪（如六分仪（18世

4、纪）世纪） 地面方法地面方法 导航系统或仪器导航系统或仪器 地基无线电导航系统地基无线电导航系统 惯导系统惯导系统 地面测量仪器地面测量仪器 尺：铟钢尺尺：铟钢尺 光学仪器：经纬仪，水准仪光学仪器：经纬仪，水准仪 电磁波或激光仪器：测距仪电磁波或激光仪器：测距仪 综合多种技术的仪器：全站仪综合多种技术的仪器：全站仪JYL-1 雷达雷达六分仪六分仪索佳铟钢尺索佳铟钢尺GPS原理及其应用原理及其应用10近现代的导航定位方法近现代的导航定位方法 (2) 卫星导航卫星导航 利用星载无线电信标进行导航定位，即星基无利用星载无线电信标进行导航定位，即星基无线电导航线电导航TRANSITGPSGPS原理及其

5、应用原理及其应用11子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性GPS原理及其应用原理及其应用12子午卫星系统的建立子午卫星系统的建立 1957年年10月月4日，日，sputnik-1卫星成功发卫星成功发射射 吉尔与魏芬巴哈博士利用地面测得的吉尔与魏芬巴哈博士利用地面测得的sputnik-1卫星的多普勒频移资料对该卫星的多普勒频移资料对该卫星进行了精密定轨卫星进行了精密定轨 麦克卢尔与克什纳博士提出了利用多麦克卢尔与克什纳博士提出了利用多普勒测量进行定位的思想普勒测量进行定位的思想 1958年，受美国海军委托，由克什纳年，受美国海军委托，由克什纳博士领导开始子午卫星系统的研究博士领导开始子午卫

6、星系统的研究 1964年年1月，子午卫星系统建立并投入月，子午卫星系统建立并投入军用军用 1967年年7月，子午卫星系统解密并提供月，子午卫星系统解密并提供民用民用Sputnik-1卫星卫星John Hopkins大学大学GPS原理及其应用原理及其应用13子午卫星系统概况（子午卫星系统概况（1） 名称名称 NNSS Navy Navigation Satellite System（海军（海军导航卫星系统）导航卫星系统） 由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）（子午卫星系统）GPS原理及其应用原理及其应用14子午卫星系统概况（子午卫星系

7、统概况（2） 空间部分空间部分 卫星星座卫星星座 6颗卫星颗卫星 6个极轨道面个极轨道面 轨道高度轨道高度1075km 卫星信号卫星信号 频率频率1：4.9996MHz 30 = 149.988MHz 频率频率2：4.9996MHz 80 = 399.968MHz 星历（广播星历）星历（广播星历）子午卫星子午卫星子午卫星星座子午卫星星座GPS原理及其应用原理及其应用15子午卫星系统概况（子午卫星系统概况（3） 地面控制部分地面控制部分 跟踪站跟踪站 计算中心计算中心 注入站注入站 控制中心控制中心 海军天文台海军天文台 用户部分用户部分 多普勒接收机多普勒接收机大地测量多普勒接收机大地测量多普

8、勒接收机 - 1（MX1502）大地测量多普勒接收机大地测量多普勒接收机 - 2（CMA751）GPS原理及其应用原理及其应用16子午卫星系统概况（子午卫星系统概况（4） 定位及时间同步精度（单次卫星通过）定位及时间同步精度（单次卫星通过） 定位：约定位：约200m 时间同步：约时间同步：约50msGPS原理及其应用原理及其应用17子午卫星系统的工作原理（子午卫星系统的工作原理（1） 多普勒效应多普勒效应coswaveRSwaveVffVV Doppler频移频移GPS原理及其应用原理及其应用18子午卫星系统的工作原理（子午卫星系统的工作原理（2） 多普勒计数多普勒计数 对于电磁波对于电磁波

9、令令 则则 从而从而 多普勒计数多普勒计数1(1)RSscffD fcDc22110002121()()()()()ttRssRttssNffdtffffdtfffttDDccosdDVDdt ssRfffDc Doppler频移频移GPS原理及其应用原理及其应用19子午卫星系统的工作原理（子午卫星系统的工作原理（3） 定位的观测值定位的观测值 定位原理定位原理 双曲定位双曲定位21021021()()()()sssscDDNffttNffttf双曲线双曲线GPS原理及其应用原理及其应用20子午卫星系统的工作原理（子午卫星系统的工作原理（4） t1、t2 时刻卫星在空间时刻卫星在空间的位置的位

10、置S1 、S2 可据卫星可据卫星星历求得，那么我们就星历求得，那么我们就能以能以S1 和和S2 为焦点作出为焦点作出一个旋转双曲面，该双一个旋转双曲面，该双曲面上任意一点至这两曲面上任意一点至这两个焦点的距离之差恒等个焦点的距离之差恒等于于 D2-D1。显然用户必。显然用户必定位于该旋转双曲面上。定位于该旋转双曲面上。多普勒定位示意图多普勒定位示意图1GPS原理及其应用原理及其应用21子午卫星系统的工作原理（子午卫星系统的工作原理（5） 如果我们继续在如果我们继续在时间段时间段tt2 2,t,t3 3 内进行多普勒测内进行多普勒测量，求得距离差量，求得距离差 D D3 3-D-D2,2,，就能

11、按，就能按照上述方法作出照上述方法作出第二个旋转双曲第二个旋转双曲面。面。多普勒定位示意图多普勒定位示意图2GPS原理及其应用原理及其应用22子午卫星系统的工作原理（子午卫星系统的工作原理（6） 在时间段在时间段tt3 3,t,t4 4 内进行多普勒测内进行多普勒测量，求得距离差量，求得距离差 D D4 4-D-D3 3, ,则作出第则作出第三个旋转双曲面三个旋转双曲面, ,从而交出用户在从而交出用户在空间的位置。空间的位置。多普勒定位示意图多普勒定位示意图3GPS原理及其应用原理及其应用23子午卫星系统的局限性（子午卫星系统的局限性（1） 一次定位时间过长一次定位时间过长 原因原因 存在一个

12、对同一卫星信号的多普勒频移进行时间积分存在一个对同一卫星信号的多普勒频移进行时间积分的过程的过程 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（约星通过（约818min） 引发问题引发问题 无法为高动态用户服务无法为高动态用户服务 为缩短定位时间，采用低轨道卫星，从而又带来卫星为缩短定位时间，采用低轨道卫星，从而又带来卫星定轨上的难度定轨上的难度 对于低动态用户，仍需进行位置归算，从而影响导航对于低动态用户，仍需进行位置归算，从而影响导航定位的精度定位的精度GPS原理及其应用原理及其应用24u 首尾两个焦点与地面测站之间所构成的夹角也首尾两

13、个焦点与地面测站之间所构成的夹角也应足够大，以便能组成较好的几何图形。应足够大，以便能组成较好的几何图形。GPS原理及其应用原理及其应用25子午卫星系统的局限性（子午卫星系统的局限性（2） 无法进行连续定位无法进行连续定位 原因原因 卫星数少卫星数少 不同卫星采用相同频率的信号不同卫星采用相同频率的信号 引发问题引发问题 两次卫星通过的平均间隔长（中低纬度地区约两次卫星通过的平均间隔长（中低纬度地区约1.5h） 相邻轨道卫星信号可能相互干扰，导致有时必须关闭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其中一颗卫星的信号GPS原理及其应用原理及其应用26子午卫星系统的局限性（

14、子午卫星系统的局限性（3） 对测量带来的不利影响对测量带来的不利影响 观测时间偏长，作业效率偏低（需要观测时间偏长，作业效率偏低（需要50100次次卫星通过卫星通过,耗时约耗时约1周）周） 定位精度偏低定位精度偏低 原因原因 钟的稳定度偏低钟的稳定度偏低 信号频率偏低信号频率偏低 轨道高度偏低轨道高度偏低 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组27GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用28全球定位系统的产生和发展全球定位系统的产生和发展GPS原理及其应用原理及其应用29全球定位系统概况全球定位系统概况 建立国家建立国家 美国美

15、国 名称名称 Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System （ NAVSTAR GPS ） 卫星星座卫星星座 设计方案：设计方案：24颗颗GPS卫星卫星 载波信号载波信号 L1, L2 信号调制信号调制 载波信号上调制有测距码与导航电文载波信号上调制有测距码与导航电文 系统基本功能系统基本功能 定位、测速、授时定位、测速、授时GPSGPS原理及其应用原理及其应用30全球定位系统的基本定位方式全球定位系统的基本定位方式 单点定位单点定位(, ,)X Y ZGPS原理及其应用原理及其应用31全球定位系统的建立（全球定位

16、系统的建立（1） 前期准备前期准备 美国海军美国海军Timation计划计划 始于始于1964年年 利用卫星播发的精确时间参考信号进行测距和时间传利用卫星播发的精确时间参考信号进行测距和时间传递递 Timation-1 (1967), Timation-2 (1969),搭载石英钟搭载石英钟 NTS-1(1974)搭载搭载2台铷钟台铷钟, NTS-2 (1977)搭载铯钟搭载铯钟 美国空军美国空军621B计划计划 采用伪随机噪声（采用伪随机噪声（PRN-Pseudo Random Noise）码进）码进行距离测量行距离测量 在在1968年到年到1971年间利用飞机进行试验年间利用飞机进行试验G

17、PS原理及其应用原理及其应用32全球定位系统的建立（全球定位系统的建立（2） 项目开展项目开展 1973年，美国国防部成立联合工作办公室年，美国国防部成立联合工作办公室JPO (Joint Program Office)，提出了，提出了NAVSTAR/GPS项目方案项目方案 1973年年12月月17日，正式批准日，正式批准NAVSTAR/GPS项目项目 1978年年2月月22日，第一颗日，第一颗GPS试验卫星发射成功试验卫星发射成功 1989年年2月月14日，第一颗日，第一颗GPS工作卫星发射成功工作卫星发射成功 1991年，海湾战争中年，海湾战争中GPS首次大规模用于实战首次大规模用于实战

18、1993年年12月月8日，宣布系统具有日，宣布系统具有IOC（Initial Operational Capability）能力）能力 1995年年4月月27日，宣布系统具有日，宣布系统具有FOC（Full Operational Capability）能力）能力GPS原理及其应用原理及其应用331.2 美国政府的美国政府的GPS政策政策 GPS原理及其应用原理及其应用34SPS与与PPS SPS 标准定位服务标准定位服务 使用使用C/A码，民用码，民用 精度（精度（ 2DRMS ，实施，实施SA） 水平：水平：100 m 垂直：垂直：150-170 m 测时：测时：340 ns PPS 精密

19、定位服务精密定位服务 可使用可使用P码码,军用军用 精度（精度（ 2DRMS) 水平水平: 22 m 垂直垂直: 27.7 m 测时测时: 200 nsGPS原理及其应用原理及其应用35SA（1） 名称名称 SA（ Selective Availability ），选择可用性），选择可用性 制定目的制定目的 降低民用定位精度降低民用定位精度 实施方法实施方法 技术：在广播星历中人为加入误差技术：在广播星历中人为加入误差,降低星历精度降低星历精度 技术：卫星钟加高频抖动技术：卫星钟加高频抖动 实施时间实施时间 1990.3.252000.5.1GPS原理及其应用原理及其应用36SA （2） SA

20、的影的影响响GPS原理及其应用原理及其应用37AS 名称名称 Anti-Spoofing, 反电子欺骗反电子欺骗 制定目的制定目的 防止敌方对防止敌方对GPS信号进行电子欺骗和电子干扰信号进行电子欺骗和电子干扰 实施方法实施方法 在在P码上加上严格保密的码上加上严格保密的W码码, 产生完全保密的产生完全保密的Y码码 实施时间实施时间 1994.1.31 影响影响 非特许用户无法使用非特许用户无法使用Y码码 增加增加L2载波相位测量的难度载波相位测量的难度GPS原理及其应用原理及其应用38美国美国GPS政策的新变化政策的新变化 终止终止SA 2000年年5月月2日日4时时 (UTC) 进行进行G

21、PS现代化现代化 L2上增加上增加L2C码码, 增加第三民用频率增加第三民用频率L5，改善服，改善服务质量务质量, 提高系统完备性提高系统完备性 增加军队专用码增加军队专用码(M码码), 与民用码分开与民用码分开 增强卫星信号强度增强卫星信号强度, 增加抗电子干扰能力增加抗电子干扰能力 军用接收机具有更好的保护装置和快速初始化军用接收机具有更好的保护装置和快速初始化能力能力 使用新技术防止敌方干扰或使用使用新技术防止敌方干扰或使用GPS原理及其应用原理及其应用391.3其他卫星导航定位系统的概况其他卫星导航定位系统的概况GPS原理及其应用原理及其应用40GLONASS （1） GLONASS

22、Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统）（全球导航卫星系统） 开发者开发者 俄罗斯（前苏联）俄罗斯（前苏联） 系统构成系统构成 卫星星座卫星星座 地面控制部分地面控制部分 用户设备用户设备GPS原理及其应用原理及其应用41 GLONASS与与GPS的比较的比较 参 数GLONASSNAVSTAR GPS系统中的卫星数213213轨道平面数36轨道倾角64.8 55轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率16021615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率1

23、2461256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHzGLONASS （2）GPS原理及其应用原理及其应用42GLONASS （3） 卫星运行状况卫星运行状况 从从1982年年10月月12日发射第一颗日发射第一颗GLONASS卫星起，至今共发射了卫星起，至今共发射了80余余颗卫星。颗卫星。 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。星，故该系统不能维持正常工作。 到到2011年年8月月27日日,GLONASS系统共有系统共有27颗卫星在轨，其中工作卫星有颗卫星在轨，

24、其中工作卫星有23颗颗(http:/www.glonass-ianc.rsa.ru/） 。GPS原理及其应用原理及其应用43Galileo （1） 伽俐略（伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统）卫星导航定位系统 2002年年3月月24日欧盟决定研制组建日欧盟决定研制组建 Galileo卫星星座卫星星座 27+3 3个轨道平面个轨道平面 卫星高度为卫星高度为23616km 轨道倾角为轨道倾角为56 信号频率信号频率 E5a, E5b, Eb, E2-L1-E1 服务模式服务模式 公开服务公开服务 （公开）（公开） 安全服务安全服务 （公开）（公开） 商业服务商业服务 （特许）（特许） 政府服

25、务政府服务 （特许）（特许）the Galileo satellite constellation altitude 23616 kmSMA 29993.707 kminclination 56 degrees period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 daysG G G GA A L LI IL LE E O OA A L LI IL LE E O OD D A A T TA AD D A A T TA A27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO)Walker 27/3/

26、1ConstellationGPS原理及其应用原理及其应用44Galileo （2） 运行状况运行状况 GlOVE-A (2005.12.28) GIOVE-B (2008.04.25) 两颗工作卫星两颗工作卫星 （2011.10.21） 另两颗另两颗IOV卫星卫星（2012年夏季）年夏季）P28P28GIOVE A GIOVE B IOV GPS原理及其应用原理及其应用45中国北斗卫星导航系统中国北斗卫星导航系统 （1） 概况概况 我国独立研制的我国独立研制的区域性区域性的的有有源源卫星导航定位系统卫星导航定位系统 系统由两颗卫星组成，又称系统由两颗卫星组成，又称双星系统双星系统 2000年

27、年10月月31日发射第一颗日发射第一颗试验卫星试验卫星 2000年年12月月20日发射第二颗日发射第二颗试验卫星试验卫星 2003年年5月月25第三颗北斗试第三颗北斗试验卫星也被送入预定轨道验卫星也被送入预定轨道GPS原理及其应用原理及其应用46北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 （2） 系统组成系统组成 空间部分空间部分 23颗颗GEO卫星卫星 地面部分地面部分 以地面控制中心站为主以地面控制中心站为主 北斗用户终端北斗用户终端GPS原理及其应用原理及其应用47P32P32北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 （4） 定位的基本思想定位的基本思想(10-21) 由两颗由两颗GEO卫星对用户卫星对用

28、户双向测距双向测距 由由1个配有电子高程图库个配有电子高程图库的地面中心站进行位置的地面中心站进行位置计算计算 定位由用户终端向地面定位由用户终端向地面中心站发出请求中心站发出请求, 中心站中心站对其进行位置解算后将对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户定位信息发送给该用户GPS原理及其应用原理及其应用48北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 （5） 定位原理定位原理 (三球交会三球交会) 以两颗卫星的已知坐标为圆心以两颗卫星的已知坐标为圆心,各自到用户的距各自到用户的距离为半径离为半径,形成两个球面形成两个球面 中心站电子高程图库提供的是一个以地心为球中心站电子高程图库提供的是一个以地心为球心

29、心, 以球心至地球表面距离为半径的非均匀球面以球心至地球表面距离为半径的非均匀球面 求解圆弧线与地球表面交点求解圆弧线与地球表面交点,并已知目标在赤道并已知目标在赤道北侧北侧,即可获得用户的二维位置信息即可获得用户的二维位置信息GPS原理及其应用原理及其应用49北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 （3）测距流程测距流程 地面中心站对一颗地面中心站对一颗BD卫星连续发送卫星连续发送C波段的载波波段的载波(询问信号询问信号) 卫星将询问信号扩频、放大并转发卫星将询问信号扩频、放大并转发 用户终端接收讯问信号，注入必要信用户终端接收讯问信号，注入必要信息并向两颗息并向两颗BD卫星发射作为应答卫星发射作

30、为应答 两颗卫星接收到应答信号并转发到地两颗卫星接收到应答信号并转发到地面中心站面中心站 地面中心站处理接收到的应答信号并地面中心站处理接收到的应答信号并处理处理 把处理好的信号经卫星发送到用户终把处理好的信号经卫星发送到用户终端端 用户终端接收到所需信息用户终端接收到所需信息GPS原理及其应用原理及其应用50中国新一代卫星导航定位系统中国新一代卫星导航定位系统 北斗二代（北斗二代（COMPASS） 区域性卫星导航系统区域性卫星导航系统 星座：星座：12颗卫星颗卫星（GEO+IGSO+MEO） 已发射已发射11颗北斗导航卫星颗北斗导航卫星 全球卫星导航定位系统全球卫星导航定位系统 预计预计20

31、20年建成年建成 北斗网北斗网 http:/ 系统概况系统概况 区域性卫星导航定位系统区域性卫星导航定位系统 星座星座:7颗卫星（其中颗卫星（其中3颗为颗为GEO卫星）卫星） 2006年开始筹建，预计年开始筹建，预计2014年投入运行年投入运行GPS原理及其应用原理及其应用52思考题思考题 1.请查阅相关资料，结合课堂内容，从定位请查阅相关资料，结合课堂内容，从定位原理上对原理上对Transit系统与系统与GPS系统进行比较，系统进行比较，说明第二代卫星导航定位系统的优势所在。说明第二代卫星导航定位系统的优势所在。 2.美国美国GPS政策经历了怎样的变化过程？政策经历了怎样的变化过程？ 3.

32、北斗一代卫星导航系统与北斗一代卫星导航系统与GPS定位原理有定位原理有何不同？何不同？ 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组53GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用54第二章第二章时间系统与坐标系统时间系统与坐标系统GPS原理及其应用原理及其应用55时间系统时间系统GPS原理及其应用原理及其应用56世界时系统世界时系统 以地球自转运动为尺度基准的时间系统以地球自转运动为尺度基准的时间系统 根据量测地球自转时所选的空间参考点不同，根据量测地球自转时所选的空间参考点不同，分为分为 恒星时恒星时 平太阳时平太阳时 世界时世界时G

33、PS原理及其应用原理及其应用57恒星时恒星时 参考点：参考点：春分点春分点 恒星日的定义恒星日的定义 性质：地方时性质：地方时 两种不同恒星时两种不同恒星时 真恒星时真恒星时 对应真春分点对应真春分点 GAST, LAST 平恒星时平恒星时 对应平春分点对应平春分点 GMST, LMSTcosLASTLMSTGASTGMSTGMSTLMSTGASTLAST GPS原理及其应用原理及其应用58真太阳时与平太阳时真太阳时与平太阳时 真太阳时真太阳时 真太阳日的定义真太阳日的定义 真太阳时真太阳时=太阳中心相对于本地子午圈的时角太阳中心相对于本地子午圈的时角+12h 真太阳时不具备作为时间系统的基本

34、条件真太阳时不具备作为时间系统的基本条件 平太阳时（平太阳时（Mean Solar Time-MT） 平太阳平太阳 周年视运动轨迹位于赤道平面周年视运动轨迹位于赤道平面 平太阳在赤道上的运动角速度是恒定的平太阳在赤道上的运动角速度是恒定的 平太阳时平太阳时 以平太阳中心为参考点建立的时间系统以平太阳中心为参考点建立的时间系统 平太阳日的定义平太阳日的定义 平太阳时平太阳时=平太阳时角平太阳时角+12hGPS原理及其应用原理及其应用59世界时（世界时（Universal Time-UT） 世界时世界时 格林尼治起始子午线处的平太阳时称为世界时格林尼治起始子午线处的平太阳时称为世界时 时区时区 全

35、球划分为全球划分为24个标准时区（个标准时区（1884，国际子午线会议），国际子午线会议） 划分方法划分方法 区时区时 在同一时区内，采用该时区中央子午线上的平太阳在同一时区内，采用该时区中央子午线上的平太阳时，即区时时，即区时GPS原理及其应用原理及其应用60UT0、UT1与与UT2 问题的引出问题的引出UT（UT0）不完全均匀）不完全均匀 地球自转速度的不均匀地球自转速度的不均匀 长期变缓、季节变化、短周期变化长期变缓、季节变化、短周期变化 极移现象极移现象 解决方法解决方法 引入极移改正引入极移改正 再进行地球自转速度季节性改正再进行地球自转速度季节性改正10UTUT210UTUTTUT

36、T GPS原理及其应用原理及其应用61原子时（原子时（Atomic Time-AT） 原始定义原始定义 尺度：尺度： 1967年年10月，第十三届国际计量大会通月，第十三届国际计量大会通过：位于海平面上的铯过：位于海平面上的铯133（Cs133）原子基态两）原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为周所持续的时间为1原子时秒。原子时秒。 原点：原本规定原点：原本规定AT与与UT在在1958年年1月月1日日0h时时相同，但实际相差相同，但实际相差0.0039秒，即：秒，即：(AT-UT)1958.0 = -0.0039秒

37、秒 扩展定义扩展定义 以原子跃迁的稳定频率为时间基准的时间系统。以原子跃迁的稳定频率为时间基准的时间系统。GPS原理及其应用原理及其应用62国际原子时（国际原子时（ International Atomic Time TAI ） 引入引入 每台原子钟给出的时间并不严格相同每台原子钟给出的时间并不严格相同 需要建立一个统一的时间系统需要建立一个统一的时间系统 建立建立 1971年由国际时间局建立年由国际时间局建立 现由国际计量局（现由国际计量局（BIPM）的时间部门维持）的时间部门维持 利用全球约利用全球约60个实验室的大概个实验室的大概240台自由运转的台自由运转的原子钟给出的数据统一处理得到

38、原子钟给出的数据统一处理得到GPS原理及其应用原理及其应用63协调世界时协调世界时( Universal Time Coordinated UTC ) 建立建立 20世纪世纪60年代由国际无线电科学协会建立年代由国际无线电科学协会建立 定义定义 与与AT秒长相同秒长相同 通过跳秒，与通过跳秒，与UT的时刻差保持在的时刻差保持在0.9秒内（通常在秒内（通常在6月月30日日24h或或12月月31日日24h进行跳秒）进行跳秒）,即即UTC+跳秒跳秒TAI（ ） 类型类型 局部性局部性UTC，如，如UTC (USNO) 全球性全球性UTC，由，由BIPM维持维持 应用应用 应用广泛，已取代应用广泛，已

39、取代UT成为无线电通信中的标准时间成为无线电通信中的标准时间 利用利用IERS公报中给出的参数可内插任意时刻的公报中给出的参数可内插任意时刻的UT1-UTC，得到，得到UT1 GPS导航电文中给出了导航电文中给出了GPS时与时与UTC (USNO)之差之差1STAIUTCnGPS原理及其应用原理及其应用64GPS时时 建立建立 由由GPS地面监控系统和卫星中的原子钟建立和维地面监控系统和卫星中的原子钟建立和维持的一种原子时持的一种原子时 起点为起点为1980年年1月月6日日0h，在该时刻，在该时刻GPST与与UTC对齐对齐 与其它时间系统的关系与其它时间系统的关系 TAI-GPST=19s，实

40、际上，实际上TAI-GPST=19s+C0 UTC-GPST=n整秒整秒+C0GPS原理及其应用原理及其应用65GLONASS时时 采用莫斯科时，与采用莫斯科时，与UTC存在存在3h偏差偏差 UTC+3h=GLONASS+C1GPS原理及其应用原理及其应用66坐标系统坐标系统GPS原理及其应用原理及其应用67天球坐标系与地球坐标系天球坐标系与地球坐标系 地球坐标系与地球体固连在一起且与地球同步运地球坐标系与地球体固连在一起且与地球同步运动，以地心为原点的坐标系则称为地心地固坐标动，以地心为原点的坐标系则称为地心地固坐标系系 与地球自转无关，空间固定的坐标系称为惯性坐与地球自转无关，空间固定的坐

41、标系称为惯性坐标系或天球坐标系，主要用于描述卫星和地球的标系或天球坐标系，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态运行位置和状态GPS原理及其应用原理及其应用68协议天球坐标系 瞬时平天球坐标系 瞬时真天球坐标系 瞬时真地球坐标系 岁差旋转变换 章动旋转变换 极移旋转矩阵 协议地球坐标系 (GAST)zRGPS原理及其应用原理及其应用69极移极移瞬时极平极yx（x xp p，y yp p）GPS原理及其应用原理及其应用70瞬时地球坐标系与协议地球坐标系瞬时地球坐标系与协议地球坐标系 转换转换地球质心地球质心瞬时极国际协议原点CIO瞬时赤道与零子午线交点协议赤道与零子午线交点右手系右手系DtCTS

42、ZYXMZYX)()( pXpYyRxRM极移旋转矩阵ZDTZCTSYDTYCTSXCTS 定义定义GPS原理及其应用原理及其应用71ITRS与与ITRF(09-09) ITRS 定义定义 实现和维持实现和维持ITRS的大地测量技术的大地测量技术 ITRF 由一组由一组IERS测站的站坐标（空间直角坐标）、站坐标的测站的站坐标（空间直角坐标）、站坐标的年变化率及相应的地球定向参数实现年变化率及相应的地球定向参数实现 IGS的精密星历采用这一框架的精密星历采用这一框架 12个不同版本的个不同版本的ITRF（ITRF88 ITRF2008） 不同版本不同版本ITRF间的坐标转换（间的坐标转换（7参

43、数模型）参数模型） 地面站在某一地面站在某一ITRF框架中的坐标（框架中的坐标（2-37式）式）GPS原理及其应用原理及其应用72WGS84 GPS广播星历所使用的坐标系统广播星历所使用的坐标系统 理论上，理论上，WGS84与与ITRS一致一致 采用空间大地坐标的形式表示点的位置采用空间大地坐标的形式表示点的位置 WGS84的三次精化的三次精化 WGS84 (G730) WGS84 (G873) WGS84 (G1150) 与与ITRF2000符合程度为符合程度为1cmGPS原理及其应用原理及其应用73RDTtXXYYZZZDT (Zt)春分点rOYtXtGASTXDTGGAST：真春分点的格

44、林 尼治恒星时时角YDTR(GAST)zR瞬时天球坐标系与瞬时地球坐标系的转换瞬时天球坐标系与瞬时地球坐标系的转换 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用75第三章第三章全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构3.1 全球定位系统的组成全球定位系统的组成GPS原理及其应用原理及其应用763.1 全球定位系统的组成全球定位系统的组成GPS原理及其应用原理及其应用77GPS的系统组成的系统组成 GPS系统由三部分组成系统由三部分组成 空间部分空间部分 地面控制部分地面控制部分

45、用户设备部分用户设备部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成GPS原理及其应用原理及其应用78GPS的空间部分的空间部分 GPS的空间部分的组成的空间部分的组成 GPS卫星星座卫星星座全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分 6个轨道面 平均轨道高度20200km 轨道倾角55 周期11h 58minGPS原理及其应用原理及其应用79GPS的空间部分的空间部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分 GPS卫星星座卫星星座 设计

46、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颗活动的备用卫星颗活动的备用卫星 保证在每天保证在每天24小时的任何时刻，在小时的任何时刻，在高度角高度角15 以以上，能够同时观测到上，能够同时观测到4颗以上卫星颗以上卫星GPS原理及其应用原理及其应用80GPS的空间部分的空间部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS原理及其应用原理及其应用81GPS的空间部分的空间部分 GPS卫星的地面轨迹卫星的地面轨迹全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间

47、部分GPS原理及其应用原理及其应用82GPS的空间部分的空间部分 GPS卫星卫星 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（测距码、载波）生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）距码和导航电文） 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，如通讯、监测核暴等。其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 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

48、成与发射装置 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS原理及其应用原理及其应用83 GPS卫星（续）卫星（续） 类型类型 试验卫星：试验卫星：Block 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，具有天，具有SA和和AS能力能力 Block A （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为力为180天，天，SV35和和SV36带有激光反射棱镜带有激光反射棱镜 Block R （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互

49、）：卫星间可相互跟踪相互通讯跟踪相互通讯 Block F（Follow On）：新一代的）：新一代的GPS卫星卫星,增设第三民增设第三民用频率用频率GPS的空间部分的空间部分全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS原理及其应用原理及其应用84GPS的空间部分的空间部分Block IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR不同类型的不同类型的GPS卫星卫星全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分GPS原理及其应

50、用原理及其应用85GPS的空间部分的空间部分 当前的卫星状态当前的卫星状态全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分SUBJ: GPS STATUS 26 MAR 20041. SATELLITES, PLANES, AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A. BLOCK I : NONE B. BLOCK II: PRNS 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15 PLANE : SLOT F4, B5, C2, D4, B4, C1, C4, A3

51、, A1, E3, D2, F3, F1, D5 CLOCK : CS, CS, CS, RB, CS, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, CS BLOCK II: PRNS 16, 17, 18, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 PLANE : SLOT B1, D6, E4, E1, D3, E2, D1, A2, F2, A4, B3, F5, B2, C3 CLOCK : RB, RB, RB, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, RB, RB, RBGPS原理及其应用原理及

52、其应用86GPS的地面监控部分的地面监控部分 地面监控部分地面监控部分 （Ground Segment） 组成组成 主控站：主控站：1个个 监测站：监测站：6个个 注入站：注入站：3个个 通讯与辅助系统通讯与辅助系统GPS卫星注入站监测站主控站全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用87主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋GPS的地面监控部分的地面监控部分 地面监控部分地面监控部分 （Ground Segment）（续）（续） 分布分布全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构

53、 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用88GPS的地面监控部分的地面监控部分 主控站（主控站（1个）个） 作用：作用： 管理、协调地面监控系统各部分的工作; 收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星; 监控卫星状态，向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况的处理。 地点：美国科罗拉多州法尔地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。孔空军基地。全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用89GPS的地面监控部分的地面监控部分 监测站

54、监测站 作用：作用：接收卫星数据，接收卫星数据，采集气象信息，采集气象信息，并将所收集到的并将所收集到的数据传送给主控数据传送给主控站。站。 地点地点 1997年后，共有年后，共有17个监测站个监测站全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用90GPS的地面监控部分的地面监控部分 注入站（注入站（3个）个） 作用：作用：将导航电文注入将导航电文注入GPS卫星。卫星。 地点：地点：阿松森群岛（大西阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）加兰（

55、太平洋）全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用91GPS的用户部分的用户部分 组成组成 用户用户 接收设备接收设备 接收设备接收设备 GPS信号接收机信号接收机 其它仪器设备其它仪器设备全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用92GPS的用户部分的用户部分 GPS信号接收机信号接收机 组成组成 天线单元天线单元 带前置放大器带前置放大器 接收天线接收天线 接收单元接收单元 信号通道信号通道 存储器

56、存储器 微处理器微处理器 输入输出设备输入输出设备 电源电源天线单元天线单元接收单元接收单元全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用93GPS的用户部分的用户部分 天线单元天线单元 类型类型 单极天线单极天线 微带天线微带天线 锥形（螺旋）天线锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线四丝螺旋天线 空间螺旋天线空间螺旋天线 背腔平面盘旋天线背腔平面盘旋天线单极天线微带天线空间螺旋天线四丝螺旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线天线全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户

57、部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用94GPS的用户部分的用户部分 天线单元天线单元 天线特性天线特性 相位中心相位中心 平均相位中心与几何中心平均相位中心与几何中心 相位中心的偏移相位中心的偏移 相位中心偏移的消除：归心相位中心偏移的消除：归心改正、消去法改正、消去法 天线高天线高 标志至平均相位中标志至平均相位中心所在平面的垂直距离心所在平面的垂直距离L2的平均相位中心12L1的平均相位中心sincosrYYrXX平均相位中心几何中心平均相位中心几何中心r1r2HHHHhHRhHHH22R全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分

58、的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用95GPS的用户部分的用户部分 接收单元接收单元 接收（信号）通道接收（信号）通道 定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。 类型：根据信号跟踪方式：序贯通道、多路复用通道和多通道；类型：根据信号跟踪方式：序贯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方律通道等根据工作原理：码相关通道、平方律通道等 存储器存储器 微处理器微处理器 作用：数据处理、控制作用：数据处理、控制 输入输出设备输

59、入输出设备 电源电源前置放大器信号通道天线观测值全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用96GPS的用户部分的用户部分信号通道微处理器输入输出存储器电源全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用98第三章第三章全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构3.2 载波与测距码载波与测距码

60、(10-26)GPS原理及其应用原理及其应用99GPS卫星信号结构卫星信号结构全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS卫星信号结构卫星信号结构GPS原理及其应用原理及其应用100概述概述 GPS卫星信号的组成部分卫星信号的组成部分 载波（载波（Carrier） L1 L2 测距码（测距码（Ranging Code） C/A码（目前只被调制在码（目前只被调制在L1上）上） P(Y)码（被分别调制在码（被分别调制在L1和和L2上）上） 卫星（导航）电文（卫星（导航）电文（Message） GPS卫星信号的生成卫星信号的生成 关键设备关键设备 原子钟原子钟全球定位系统的组成及