武汉大学GPS课件总

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GPS原理及其应用原理及其应用( (一一) )GPS原理及其应用原理及其应用第一章第一章绪绪 论论1.1 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景1.2 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用1.1 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景GPS原理及其应用原理及其应用什么是什么是GPS？ GPS的英文全称是的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position Sys

2、tem简称简称GPS，有时也被称作，有时也被称作NAVSTAR GPS。其意为其意为“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”，或简称全球定位系，或简称全球定位系统。统。绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 什么是全球定位系统什么是全球定位系统GPS原理及其应用原理及其应用GPS概述概述 建立国家建立国家 美国美国 目的目的 在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务航定位及授时服务 开始筹建时间开始筹建时间 1973年年 完全建成时间完全建成时间 1995年年绪论绪论 全球定位系统的产生

3、、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS概述概述GPS原理及其应用原理及其应用GPS概述概述 系统构成系统构成 空间部分、地面控制部分、用户部分空间部分、地面控制部分、用户部分 服务方式服务方式 通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务 定位原理定位原理 距离交会距离交会 测距原理测距原理 被动式电磁波测距被动式电磁波测距 特点特点 全球覆盖、全天候、不间断、精度高全球覆盖、全天候、不间断、精度高绪论绪论绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS概述概述GPS原理及其应用原理及其应用常规（地面）定

4、位方法常规（地面）定位方法 近、现代的常规定位方法近、现代的常规定位方法 采用的仪器设备采用的仪器设备 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 观测值观测值 角度或方向观测角度或方向观测 距离观测距离观测 天文观测方法天文观测方法绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 常规（地面）定位方法常规（地面）定位方法GPS原理及其应用原理及其应用常规定位方法的局限性常规定位方法的局限性 需要事先布设大量的地面控制点需要事先布设大量的地面

5、控制点/地面站地面站 无法同时精确确定点的三维坐标无法同时精确确定点的三维坐标 观测受气候、环境条件限制观测受气候、环境条件限制 观测点之间需要保证通视观测点之间需要保证通视 需要修建觇标需要修建觇标/架设高大的天线架设高大的天线 边长受到限制边长受到限制 观测难度大观测难度大 效率低：无用的中间过渡点效率低：无用的中间过渡点 受系统误差影响大，如地球旁折光受系统误差影响大，如地球旁折光 难以确定地心坐标难以确定地心坐标绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 常规（地面）定位方法的局限性常规（地面）定位方法的局限性GPS原理及其应用原理及其应用子午卫星系统及其局

6、限性子午卫星系统及其局限性 系统简介系统简介 NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称于其卫星轨道为极地轨道，故也称为为Transit（子午卫星系统）（子午卫星系统） 采用利用多普勒效应进行导航定位，采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统也被称为多普勒定位系统 美国研制、建立美国研制、建立 1964年年1月建成月建成 1967年年7月解密供民用月解密供民用子午卫星子午卫星子午卫星星座子午卫星星座绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子

7、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子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性 系统组成系统组成 空间部分空间部分 卫星：发送导航定位信号（信号：卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz 30 = 149.988MHz；4.9996MHz 80 = 399.968MHz；星；星历）历） 卫星星座卫星星座 由由6颗卫星构成，颗卫星构成，6轨道面，轨道面，轨道高度轨道高度1075km 地面控制部分地面控制部分 包括：跟踪站、计算中心、注入站、包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台控制中心和海军天文台 用户部分用户部分 多普勒接收机多普勒接

8、收机大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收机机 - 1（MX1502）大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收机机 - 2（CMA751）绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 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子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性 应用领域应用领域 海上船舶的定位海上船舶的定位 大地测量大地测量 精度精度 单点定位：单点定位：15次合格卫星通次合格卫星通过（两次通过之间的时间间过（两次通过之间的时间间隔为隔为0.8h 1.6h），精度约为），精度约为10m 联测定位：联测定位： 各站共同观测各站共同观测

9、17次合格卫星通过，精度约为次合格卫星通过，精度约为0.5m多普勒联测定位多普勒联测定位多普勒单点定位多普勒单点定位绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 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子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性 系统缺陷系统缺陷 卫星少，观测时间和卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提间隔时间长，无法提供实时导航定位服务供实时导航定位服务 导航定位精度低导航定位精度低 卫星信号频率低，不卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射利于补偿电离层折射效应的影响效应的影响 卫星轨道低，难以进卫星轨道低，难以进行精

10、密定轨行精密定轨TRANSIT系统系统 卫星：卫星：6颗颗 极地轨道极地轨道 轨道高度：轨道高度：1075km 信号频率：信号频率：400MHz、150MHz 绝对定位精度：绝对定位精度：1m 相对定位精度：相对定位精度：0.1m0.5m 定位原理：多普勒定位定位原理：多普勒定位 存在问题：卫星少，无法实现实时存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响率低，难以消除电离层影响。绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 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G

11、PS的发展简史的发展简史方案论证阶段方案论证阶段 1973年年12月，美国国防部批准研制月，美国国防部批准研制GPS。 1978年年2月月22日，第日，第1颗颗GPS试验卫星发射成试验卫星发射成功。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。颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史GPS原理及其应用原理及其应用GPS的发展简史的发展简史全面研制和试验阶段全面研制和试验阶段 从从1979年到年到1987年，又陆续发射了年，又陆续发

12、射了7颗试验颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。定位精度远远超过设计标准。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史GPS原理及其应用原理及其应用GPS的发展简史的发展简史实用组网阶段实用组网阶段 1989年年2月月14日，第日，第1颗颗GPS工作卫星发射成工作卫星发射成功。功。 1991年，在海湾战争中，年，在海湾战争中，GPS首次大规模用首次大规模用于实战。于实战。 1993年底实用的年底实用的GPS网即（网即（21+3）GPS星座星座已经建成，今后将根据

13、计划更换失效的卫星。已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。 1995年年7月月17日，日，GPS达到达到FOC 完全运行完全运行能力（能力（Full Operational Capability）。）。绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史GPS原理及其应用原理及其应用1.2 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GPS在军事中的应用在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹导航的舰载飞弹 配备配备GPS的士兵的士兵 美国海军核潜艇美国海军核潜艇 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原

14、理及其应用原理及其应用GPS在交通运输业中的应用在交通运输业中的应用 航运、航空搜索航运、航空搜索 陆路交通（车辆导航、监控）陆路交通（车辆导航、监控） 船舶远洋导航和进港引水船舶远洋导航和进港引水绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GPS在测量中的应用在测量中的应用 建立和维持全球性的参考框架建立和维持全球性的参考框架绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GPS在测量中的应用在测量中的应用 板块运动和监测板块运动和监测绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GP

15、S在测量中的应用在测量中的应用 建立各级国家平面控制网建立各级国家平面控制网绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GPS在测量中的应用在测量中的应用 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量种工程测量市话网市话网市话网市话网市话网深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结构及通信网络示意图深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结构及通信网络示意图市电信局监控分析中心卫星定位信号发射台FM电台基准站1基准站2基准站3基准站4基准站5进入移动电话系统用户用户全向天线定向天线Modem绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在

16、各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GPS在测量中的应用在测量中的应用 在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用应用绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GPS在其他领域中的应用在其他领域中的应用 精细农业精细农业 遥感遥感 卫星定轨卫星定轨 资源勘探资源勘探 个人旅游及野外探险个人旅游及野外探险 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递时间传递 .绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理

17、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 ( (二二) )GPS原理及其应用原理及其应用第一章第一章绪绪 论论1.3 美国政府的美国政府的GPS政策政策1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GPS原理及其应用原理及其应用1.3 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美国政府的美国政府的GPS政策政策 SPS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 2DRMS水平水平=100 m 2DRMS垂直垂直=150-170 m 2DRMS时间时间=340 ns PPS 精密定位服务精密定位服务 可使用可使用P码

18、，军用码，军用 2DRMS水平水平=22 m 2DRMS垂直垂直=27.7 m 2DRMS时间时间=200 ns绪论绪论 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美国政府的美国政府的GPS政策政策 SA技术（技术（1990.3.252000.5.1） Selective Availability 选择可用性选择可用性 人为降低普通用户的测量精度。方法人为降低普通用户的测量精度。方法: 技术：降低星历精度（加入随机变化）技术：降低星历精度（加入随机变化） 技术：卫星钟加高频抖动技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）（短周期，快变化） AS技术（技术（1994.1.31至

19、今）至今） Anti-Spoofing 反电子欺骗反电子欺骗 P码加密，码加密，P+WY绪论绪论 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GPS现代化现代化 1999年年1月月25日，美国副总统戈尔宣布，将日，美国副总统戈尔宣布，将斥资斥资40亿美元，进行亿美元，进行GPS现代化。现代化。 GPS现代化实质是要加强现代化实质是要加强GPS对美军现代化对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。领导地位。绪论绪论 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GPS现代化现代化 GPS现代化的内涵：现

20、代化的内涵： 保护。即保护。即GPS现代化是为了更好地保护美方和现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；性能，加强抗干扰能力； 阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；等； 保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。有更精确更安全的使用。绪论绪论 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GPS现代化现代化 GPS现代化第一阶段现代化第一阶段 发射发射12颗改进型的颗改进

21、型的BLOCK R型卫星。型卫星。 GPS现代化第二阶段现代化第二阶段 发射发射6颗颗GPS BLOCK F （“FLite”）。）。 GPS现代化计划的第三阶段现代化计划的第三阶段 发射发射GPS BLOCK 型卫星，在型卫星，在2003年前完成年前完成代号为代号为GPS 的的 GPS完全现代化计划设计工作。完全现代化计划设计工作。绪论绪论 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1.4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其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GLONASS GLONASS Global Navigati

22、on 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 用户设备用户设备绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASSGPS原理及其应用原理及其应用GLONASS constellationGLONASS satelliteP24P24绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GLONASSGPS原理及其应用原理及其应用 GLONASS与与GPS的比较的比较参 数GLONASSN

23、AVSTAR 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12461256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASSGPS原理及其应用原理及其应用其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统GLONASS 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，卫星起，至至1995

24、年年12月月14日共发射了日共发射了73颗卫星。颗卫星。 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经由于卫星寿命过短，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，故该系统济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。不能维持正常工作。 到目前为止（到目前为止（2006年年3月月20日）日）,GLONASS系统系统共有共有17颗卫星在轨。其中有颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作颗卫星处于工作状态，状态，2颗备用，颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到斯计划到2007年使年使GLONASS系统的工作卫星数系统的工作卫星数量至少达到量至少达到18颗，

25、开始发挥导航定位功能。颗，开始发挥导航定位功能。绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASSGPS原理及其应用原理及其应用其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统Galileo 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自己的民用卫日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统星导航定位系统 Galileo系统。系统。 Galileo卫星星座将由卫星星座将由27颗工作卫星和颗工作卫星和3颗备用卫颗备用卫星组成，这星组成，这30颗卫星将均匀分布在颗卫星将均匀分布在3个轨道平面个轨道平面上，卫星高度为上，卫星高度

26、为23616km，轨道倾角为，轨道倾角为56。 Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。后两种服务则需经过批准后才能使用。绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GalileoGPS原理及其应用原理及其应用the Galileo satellite constellation altitude 23616 kmSMA 29993.707 kmin

27、clination 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 27/3/1ConstellationP26P26其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统Galileo绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GalileoGPS原理

28、及其应用原理及其应用其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统Galileo 2005年年12月月28日第一颗日第一颗Galileo试验卫星（试验卫星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GlOVE-A）成功进入）成功进入高度为高度为2.3万万Km的预定轨道。的预定轨道。2006年年1月月12日，日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。已开始向地面发送信号。 这标志着总投资为这标志着总投资为34亿欧元（约合亿欧元（约合41亿美元）的计亿美元）的计划已进入实施阶段。到划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射年欧洲将发射30颗服役颗服役期约为期约为20年的正式卫

29、星，完成伽利略卫星星座的部年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。署工作。 伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。P28P28绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GalileoGPS原理及其应用原理及其应用GIOVE A GIOVE B the GIOVE SatelliteP29P29其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统Galileo GIOVE的主要目标的主要目标: 频率信号测试；频率信号测试； 验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢

30、原子钟）；验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）； 轨道环境特征测试；轨道环境特征测试； 并行并行2或或3通道信号传输测试。通道信号传输测试。绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GalileoGPS原理及其应用原理及其应用其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 我国自行研制的两颗北斗我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于导航试验卫星分别于2000年年10月月31日和日和12月月20日从日从西昌卫星发射中心升空并西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步准确进入预定的地球同步轨道（东经轨道（东经80和和140的赤的赤道上空），此外另一颗备

31、道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道用卫星也被送入预定轨道（东经（东经110.5的赤道上空），的赤道上空），标志着我国拥有了自己的标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统第一代卫星导航系统BD1。绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 GPS原理及其应用原理及其应用北斗1代卫星导航系统组成图P32P32其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 “北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。户终端三部分构成。 空间部分包括两

32、颗地球空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的间的双向无线电信号的中继任务。中继任务。绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 GPS原理及其应用原理及其应用其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统用户终端分为定位通信终端集团用户管理站终端差分终端校时终端等绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 GPS原理及其应用原理及

33、其应用其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 与与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在系统不同，所有用户终端位置的计算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，全部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。地面控制中心站还负责整个系统的监控管理。 与与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系等国外的卫星导航系统相比，统相比，BD1有自己的优点。如投资少，组建快；有自己的优点。如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信

34、号快等。但也存在着明显具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速的不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。量重、能耗大等。绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 GPS原理及其应用原理及其应用其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 BD2 为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫性的提高，中央已决

35、定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（星导航定位系统（BD2）。从导航体制、测距）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由行全面改进。卫星星座计划由GEO卫星，卫星，IGSO卫星和卫星和MEO卫星组成。此项工作将成为卫星组成。此项工作将成为”十一十一五五”期间的一项重要工作。期间的一项重要工作。P33P33绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 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 ( (

36、三三) )GPS原理及其应用原理及其应用第二章第二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2.1 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2.1 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GPS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 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GPS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

37、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 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）GPS原理及其应用原理及其应用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

38、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 当前星座：当前星座：28颗颗GPS原理及其应用原理及其应用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GPS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的空间部分的空间部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS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

39、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 GPS卫星

40、（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地能力地能力 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）：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

41、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GPS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原理及其应用原理及其应用GPS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

42、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, A1, E3, D2, F3, F1, D5 CLOCK : CS, CS, CS, RB, CS, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB,

43、 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其应用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） 组成组成 主控站：主控站：1个个 监测站：监测站：5个个 注入站：

44、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 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GPS的地面监控部分的地面监控部分 监测站（监测站（5个）个） 作用：作用：接收卫星数据

45、，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：夏威夷、主控站夏威夷、主控站及三个注入站。及三个注入站。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GPS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

46、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GPS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（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GPS的用户

47、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GPS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 G

48、PS的用户部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS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的用户部分的用户部分GPS原理及其应用原理及其应用GPS的用户部分的用户部分 天线单元（续）天线单元（续） 特点特点 单极天线单极天线 单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中

49、心稳定、结单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单构简单 微带天线微带天线 结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛应用最为广泛 锥形（螺旋）天线锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线四丝螺旋天线 单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板增益特性好、不需要底板 空间螺旋天线空间螺旋天线 双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称 背腔平面盘旋天线背腔平面盘旋天线全球定位系统的组成及信号结构全球定

50、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GPS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、增益方式、带宽、相位中心、增益方式、带宽、极化极化 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r1r2HHHH

51、hHRhHHH22R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GPS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：序惯通道、多路复用通道和多通道；类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等根据工作原理：码相关

52、通道、平方通道等 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GPS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 ( (四四) )GPS原理及其

53、应用原理及其应用第二章第二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2.2 GPS卫星的信号结构卫星的信号结构GPS原理及其应用原理及其应用GPS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（M

54、essage） 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 概述概述GPS原理及其应用原理及其应用GPS卫星的基准频率卫星的基准频率 f0 由卫星上的原子钟直接产生由卫星上的原子钟直接产生 频率为频率为10.23MHz 卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频或分频1012020001541575.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffff

55、C AfPffHz码码率码码率卫星（导航）电文码率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卫星的基准频率卫星的基准频率 GPS原理及其应用原理及其应用载波载波 作用作用 搭载其它调制信号搭载其它调制信号 测距测距 测定多普勒频移测定多普勒频移 类型类型 目前目前 L1 频率：频率： 154 f0 = 1575.43MHz；波长：；波长：19.03cm L2 频率：频率： 120 f0 = 1227.60MHz；波长：；波长：24.42cm 现代化后现代化后 增加增加L5 频率：频率：115 f0 = 1176.45MHz；波长：；波长：2

56、5.48cmL119.03c mL224.42c m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 载波载波GPS原理及其应用原理及其应用载波载波 特点特点 所选择的频率有利于测定多普勒频移所选择的频率有利于测定多普勒频移 所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响射影响 选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）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

57、信号结构 载波载波GPS原理及其应用原理及其应用测距码测距码 作用作用 测距测距 性质性质 为伪随机噪声码（为伪随机噪声码（PRN Pseudo Random Noise） 不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为系数为0或或1/n（n为码元数）为码元数） 对齐的同一组码间的相关系数为对齐的同一组码间的相关系数为1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 测距码测距码GPS原理及其应用原理及其应用测距码测距码 类型类型 目前目前 C/A码（码（Coarse/Acquisition Code） 粗码粗码

58、/捕获码；捕获码；码率：码率：1.023MHz；周期：；周期：1ms；1周期含码元数：周期含码元数：1023；码元宽度：；码元宽度：293.05m；仅被调制在；仅被调制在L1上上 P（Y）码（）码（Precise Code） 精码；码率：精码；码率：10.23MHz；周期：；周期：7天；天；1周期含码元数：周期含码元数：6187104000000；码元宽度：；码元宽度：29.30m；被调制在；被调制在L1和和L2上上 现代化后现代化后 在在L2上调制上调制C/A码码 在在L1和和L2增加调制增加调制M码码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

59、测距码测距码GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息数、卫星状态信息及其它信息 基本结构基本结构.第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第1子帧（第1数据块）(300bits)第1字遥测字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第2子帧（第2数据块）(300bits)第3子帧（第2数据块）(300bits)第4子帧（第3数据块）(300bits)第5子帧（第3数据块）(300bits)第1主帧(1

60、500bits)第2主帧(1500bits).第1子帧（第1数据块）(300bits).第5子帧（第3数据块）(300bits)第25主帧(1500bits)导航电文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 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 基本内容基本内容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 卫星（导航）电文卫星（导航）电文GPS原理及其应用原理及其应用卫星（导航）电文卫星（导航）电文 遥测字（遥测字（TLM Telemetry W