(1)第一章GPS12

1、GNSS卫星定位原理及应用卫星定位原理及应用（Principles and Application of GNSS）第一章第一章 绪论绪论一、关于一、关于GNSS及产业及产业1.GNSS- Global Navigation Satellite System2.内涵内涵:包含四大导航系统及相关产业、产品及服务包含四大导航系统及相关产业、产品及服务BDS(BeiDou(Compass) Navigation Satellite System)GALILEOGLONASSGPSGPS(Static Positioning)CORS GPS(Continuous Operational Refere

2、nce System)RTK GPS(Real Time Kinematic GPS)3. 产品、服务产品、服务产品：芯片、接收机及导航定位应用服务产品产品：芯片、接收机及导航定位应用服务产品服务：自主或借助移动互联网进行导航定位服务：自主或借助移动互联网进行导航定位二、卫星定位技术的发展二、卫星定位技术的发展v卫星定位技术经历了下列两个阶段卫星定位技术经历了下列两个阶段:（1）卫星仅是空间观测目标）卫星仅是空间观测目标 这时阶段也称卫星三角或卫星测距阶段，这时阶段也称卫星三角或卫星测距阶段，20世纪世纪5070年代，主要用于大地网建立。年代，主要用于大地网建立。（2）卫星是飞行中的已知点）卫

3、星是飞行中的已知点 又分为：又分为：子午卫星（美，子午卫星（美，6颗星）和颗星）和CICADA（前苏联，前苏联，12颗星）定位；颗星）定位； 20世纪世纪5080年代初年代初全球卫星定位系统全球卫星定位系统GNSS，目前运行或在建的系统目前运行或在建的系统有四套；有四套；70年代初今年代初今三、三、GNSS四大系统概述四大系统概述1.美国美国GPS系统系统19731973年年1212月，美国国防部月，美国国防部(DOD-Department of Defense)批准其陆批准其陆海空三军联合研制新的卫星导航系统海空三军联合研制新的卫星导航系统GPS GPS 系统建设：系统建设：19731973

4、年年1212月以后，月以后，GPSGPS分三个阶段建设：分三个阶段建设：1 1）方案论证：）方案论证：1974-19781974-1978年年2 2）系统论证：）系统论证：1979-19871979-1987年年3 3）生产实验：）生产实验：1988-19931988-1993年年4 4月月19951995年年4 4月月2727日正式宣布：日正式宣布：GPSGPS系统具备全部动作能力系统具备全部动作能力FOC（Full Operation Capability），至此已投入超过，至此已投入超过200200亿美元的资金。亿美元的资金。系统构成：卫星星座、地面控制系统构成：卫星星座、地面控制和监测

5、站、用户设备三部分和监测站、用户设备三部分1 1）卫星星座：）卫星星座：卫星数为卫星数为21+3，分布在，分布在6根轨道上根轨道上，轨道平均高，轨道平均高度度20200Km轨道倾角为轨道倾角为55度，运行度，运行周期为恒星时周期为恒星时11h58min载波频率载波频率L1=1575.42MHz、L2=122760MHz星载高精度原子钟四台星载高精度原子钟四台现代化改造后将增加民现代化改造后将增加民用、军用频道各一个，卫用、军用频道各一个，卫星数量将达星数量将达3030颗以上颗以上GPS实际在轨卫星数一般可达30颗以上，设计寿命7年，实际达11.5年， 2013年初在轨31颗。GPS信号传播采用

6、码分多址技术模式GPS星座的最新动态 在2010年、2011年和2012.12月，GPS系统增加了按新功能要求设计的GPS卫星-GPS IIF卫星共3颗（波音公司），3颗卫星一同加强星座能力，改善抗干扰能力并提高导航精确度，之后GPS系统还将有9颗（共12颗）GPS IIF卫星在2013年发射并运行。GPS IIF卫星上增加了第三个民用L5信道，这是GPS系统为商业航线运行和搜救任务提供支持的一个专用通道。第三代GPS卫星BLOCK 正在设计中，其设计寿命为20年，年，星载原子钟精度达到达到10-14秒秒。 2）地面控制部分）地面控制部分:一个主控站、三个注入站、五个监测站一个主控站、三个注入

7、站、五个监测站GPS系统星系统星-地运行示意图地运行示意图3）用户部分）用户部分:各类型接收机各类型接收机工作中的工作中的Trimble4600LS测量型接收机测量型接收机-晋煤集团某矿晋煤集团某矿4）民用信号下，GPS单点定位精度： 510米；军用信号下，精度为12米。 （均指单点定位或称绝对定位精度）（均指单点定位或称绝对定位精度）5）GPS系统的外部增强系统系统的外部增强系统WAAS（Wide area augmentation system）CORS (Continuous Operational Reference System)普及型使用的主要是地基增强系统普及型使用的主要是地基增

8、强系统CORS，现也被称作现也被称作连续运行连续运行卫星定位综合服务系统卫星定位综合服务系统，可使用户获得，可使用户获得cm级实时定位精度级实时定位精度CORS的两种主要定位模式的两种主要定位模式我国多个省区建立了CORS网络CORS网络定位精度：实时差分GPS精度为cm级静态定位可优于1cm CORS GPS特点特点 初始化速度更快，享受网络RTK 更高的精度，网络基站差分 更大的范围，手机和卫星覆盖 消除RTK GPS测量中的电台信号死角，摆脱电台通讯的影响 基站无人值守，全天候作业6）坐标系统：）坐标系统：WGS847）星历形式：开普勒根数及其摄动改正参数）星历形式：开普勒根数及其摄动改

9、正参数8）时间系统：）时间系统：GPST2.俄罗斯GLONASS系统（ Global Navigation Orbit Satellite System ）1）发展简史1982.10.12发射第一颗试验卫星1996.01.18开始正常运作，之后经历星座缺失再补，现正常运行2)卫星星座由24+1颗星构成，分布在3根轨道上，轨道倾角64.8度，轨道间夹角120度，轨道平均高度19100km，运行周期11h 15min 44s，因轨道倾角大，高纬度区域可视性好卫星载波频率：卫星信号传播采用频分多址技术模式；L1频率区间1.6021.616MHz；L2频率区间1.2461.256MHz新一代GLONA

10、SS K卫星除原有频分多址频信号外，增加了码分多址的L1、L2、L3信号，以增强与其它系统的兼容性，卫星设计寿命10年，并极大提高了卫星钟精度至10-14秒级，重996kg3)地面控制系统地面控制站组（GCS）：1个地面控制中心（莫斯科），1个指令跟踪站另有地面同步器，遥测遥控站，外场导航控制设备4）用户接收机5）定位精度：目前GLONASS已实现信号全球覆盖，定位精度5.6m；计划在2015年达到1.4m，2020年达到 0.6m（均指单点定位或称绝对定位精度）均指单点定位或称绝对定位精度） ；自2013年起，至2020年将发射13颗GLONASS-M和22颗GLONASS-K卫星，以更新的

11、提高GLONASS的服务水平。6）特点：系统抗干扰能力强7）坐标系统：PZ-908）星历形式：GLONASS星在PZ-90系统中的三维位置、速度及相关的摄动改正项、加速度项注意：这一点与GPS系统是不同的。9）时间系统：GLONASST时间系统，时间原点与UTC相差3h（GPS时间与UTC相差为整数跳秒），时间尺度与ATI相同。服务：提供系统自主无源定位信号提供增强差分信号：通过俄Luch-5A同步轨道卫星（空基增强系统）所携带的差分校正监测转换器（SDCM），于2012年底开始发送差分信号（先提供GPS差分信号，之后增加GLONASS差分信号）附：附：PZ-90坐标系统坐标系统坐标系统名称：

12、PZ-90坐标系，CTS系统。基准（椭球）平均半径Re=6378136m地球自转角速度=0.000 072 921 15rad/s地球引力常数GMe=398 600.4km3/s2地球重力场系数 -0.001 082 633.欧洲欧洲Galileo系统系统 （Galileo Navigation Satellite System）1）星座星座27+3星座由中等高度（MEO）卫星27+3颗组成。轨道均高23616km，分布在3根轨道上，毎根轨道上有10颗卫星。目前，有部分卫星在轨运行，卫星重625kg，设计寿命15年。轨道圴高23616km，轨道倾角562)地面监控部分地面监控部分30个监测站，

13、5个遥测、遥控和跟踪站，5个C波段注入站，2个控制中心，1个互联网的高性能通信网络3）用户部分）用户部分 Galileo或与其兼容的接收机4）服务）服务 提供下列5种服务提供无偿公开服务（Open Service)：精度：4m(平面)，8m(高程)；付费商业服务（Commercial Service)精度：10cm；公共规范服务（Public Regulated Service）为国际民航组织（ICAO）和国际海事组织（IMO）提供生命安全服务（Safety of Life Service）基于国际搜救系统（CSS）的全球搜索救援服务（SAR)。2012年年12月月27日北斗系统投入对亚太地区

14、的服务运营日北斗系统投入对亚太地区的服务运营1）空间段空间段由由5颗颗GEO（地球同步轨道）卫星和地球同步轨道）卫星和30颗非同步轨道颗非同步轨道 MEO（中高轨道）、中高轨道）、IGSO（极轨卫星）卫星组成，设计寿命极轨卫星）卫星组成，设计寿命8年年卫星原子钟精度卫星原子钟精度1/2000万秒万秒，信号传播采用频分多址技术，信号传播采用频分多址技术2）地面段）地面段主控站、监控站主控站、监控站注入站构成注入站构成3）用户段）用户段接收机、广域增强系统接收机、广域增强系统地基增强系统地基增强系统4.BDS系统系统(BeiDou(Compass) Navigation Satellite Sys

15、tem)4）定位精度：民）定位精度：民10米，军用可达米，军用可达1米米（均指单点定位或称均指单点定位或称绝对定位精度）绝对定位精度） 5）特点：双向短报文功能）特点：双向短报文功能36）坐标系统：）坐标系统：CGCS2000BDS建设历程建设历程第一步：第一步：BDS试验系统于试验系统于2003年建成，星年建成，星座由三颗同步轨座由三颗同步轨道静止卫星道静止卫星（GEO）构成，构成，目前第一步已完目前第一步已完成成第二步：第二步：建设建设BDS区域网，覆区域网，覆盖东亚地区，星座由盖东亚地区，星座由16颗卫星构成，其中颗卫星构成，其中14颗提供服务；颗提供服务；14颗颗服务星的构成：服务星的

16、构成：5颗颗GEO5颗颗IGSO4颗颗MEO区域网系统已于区域网系统已于2012年年12月月27日投入运行日投入运行 ，已经具备为整个亚太已经具备为整个亚太地区提供正式服务的地区提供正式服务的能力能力。第三步：第三步：2020年之年之前建成前建成BDS系统的全球系统的全球系统。系统。BDS与美国的第与美国的第二代二代GPS基基本相当，水本相当，水平方向优于平方向优于10米，高空米，高空方向优于方向优于15米，测速精米，测速精度优于度优于0.2米米/秒。秒。BDS系统标志图系统标志图四、目前我国卫星已采用的较先进卫星技术：四、目前我国卫星已采用的较先进卫星技术：空间新型数字三轴稳定系统；空间新型

17、数字三轴稳定系统；液浮速率陀螺取代了二自由度机械陀螺；液浮速率陀螺取代了二自由度机械陀螺；超大规模集成电路双机热备份电脑进行姿态控制；超大规模集成电路双机热备份电脑进行姿态控制；遥控分系统指令容量大大增强；遥控分系统指令容量大大增强；指令加密由简单固定编码改为二次组合编码；指令加密由简单固定编码改为二次组合编码；遥控数据传输通道；遥控数据传输通道；遥测分系统采用微机可编程形式；遥测分系统采用微机可编程形式；遥测信号下行通道能以中高速率实时传送参数；遥测信号下行通道能以中高速率实时传送参数；跟踪测轨分系统的单脉冲雷达应答机具有了多站触发功能，跟踪测轨分系统的单脉冲雷达应答机具有了多站触发功能，以

18、多站交汇测轨提高精度；以多站交汇测轨提高精度；采用长焦距、大视场、高精度钛合金摄影测量物镜，视场大采用长焦距、大视场、高精度钛合金摄影测量物镜，视场大于七十度于七十度五五.GPS系统的进展系统的进展综合GPS系统的主要制造商美国Boeing和Lockheed Martin公司消息：两公司正在建造GPS IIF卫星和研制GPS 代星，用以改进现有GPS星座（28颗）。GPS IIF卫星卫星将使GPS的性能发生质的飞跃：新增L5商用信号通道，信号容量增加到原来的3倍；定位精度会大幅提高；系统信号传播速度更快；星上的原子钟更精确，精度达到1/10亿秒；使用了新的抗干扰技术；其它关于GPS系统的信息G

19、PS现在使用的旧型号卫星实际使用寿命大于11.5年； GPS 三代星BLOCK 研制进展顺利，设计寿命20年，在抗干扰能力、信号传输速度、可达到的定位精度（特许用户可达到的精度）等主要技术指标方面将有更大突破GPS终端设备与手机集成率高达80%相对于BDS，GPS芯片体积更小，耗电水平更低仍稳定占有90%的GNSS市场，在中国则超过95%关于GPS系统卫星更新信息截止2012年底，GPS IIF卫星已经发射三颗，如现有计划不改变的话，将现有的GPS星全部升级至GPS IIF，需到2020年左右；届时，GPS星座将由30颗GPS IIF 星构成。如果获得批准，2014年后美国将不再发射GPS IIF卫星，而是直接升级至GPS 代星BDS二代与现有的GPS比较，仅从定位精度数据上看，北斗二代的精度与现有的GPS基本相当，但到2020年时，如果北斗系统仅是实现全球覆盖，系统技术水平不能同步提升的话，BDS与GPS同精度可能成为过去式。中国在卫星