GPS全球定位系统原理与应用

1、科学技术探秘科学技术探秘第十一讲第十一讲GPS全球定位系统全球定位系统原理与应用原理与应用Slide 2第一部分第一部分 GPSGPS技术及其发展技术及其发展uGPSGlobal Positioning Systemu定义：定义：GPSGPS是美国研制的新一代卫星是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可向全球用户提供连导航定位系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。速度和时间信息。Slide 3卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术发展的回顾 1957 1957年世界上第一颗人造地球卫星发年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，射成功，5

2、50 0年来，人造地球卫星技术在通年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学和军事科学等测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域，得到了极广泛应用。众多领域，得到了极广泛应用。Slide 4卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术发展的回顾 人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。门的高度重视。19581958年底，美国海军武器实验室，年底，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海军导航卫星系

3、统海军导航卫星系统”（Navy Navigation Navy Navigation Satellite SystemNNSSSatellite SystemNNSS）。）。由于该系统卫星都由于该系统卫星都通过地极，也称通过地极，也称“子午子午( (Transit)Transit)卫星系统卫星系统”。 1964 1964年该系统建成，并在美国军方启用。年该系统建成，并在美国军方启用。19671967年美国政府批准该系统解密，提供民用。该系统不年美国政府批准该系统解密，提供民用。该系统不受气象条件的限制，自动化程度高，具有良好的定受气象条件的限制，自动化程度高，具有良好的定位精度。位精度。Sli

4、de 5卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术发展的回顾 尽管尽管NNSSNNSS在导航技术的发展中具有划时代在导航技术的发展中具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目少（的意义，但由于该系统卫星数目少（5-65-6颗），颗），运行轨道低（运行轨道低（10001000km km ）, ,观测时间长（观测时间长（1.51.5小时小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得一），无法提供连续实时三维导航，同时获得一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。而是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。而从大地测量看，定位速度慢，一个测站

5、一般平从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观测均观测1-21-2天；精度低，单点定位精度天；精度低，单点定位精度3-53-5m m，相相对定位精度对定位精度1 1m m，使得在大地测量和地球动力学使得在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到很大限制。研究方面的应用，也受到很大限制。Slide 6卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术发展的回顾 为满足军事和民用对连续实时和三维导航为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，的迫切要求，19731973年美国国防部开始组织陆海年美国国防部开始组织陆海空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划，这

6、就是目前所称的计划，这就是目前所称的“导航卫星授时测距导航卫星授时测距/ /全球定位系统全球定位系统”（Navigation Satellite Navigation Satellite Timing and ranging / Global Positioning Timing and ranging / Global Positioning SystemSystem）简称全球定位系统（简称全球定位系统（GPSGPS）。）。 为使为使GPSGPS具有高精度连续实时三维导航和定具有高精度连续实时三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性能，在设计上采位能力，以及良好的抗干扰性能，在设计上采取了若干

7、改善措施。取了若干改善措施。Slide 7GPSGPS系统的特点系统的特点u全球性连续覆盖，全天候工作全球性连续覆盖，全天候工作u定位精度高定位精度高u观测时间短观测时间短u测站间无需通视测站间无需通视u可提供三维坐标可提供三维坐标u操作简便操作简便u功能多，用途广功能多，用途广Slide 8GPSGPS定位系统的组成定位系统的组成 GPS GPS定位技术是利用高空中的定位技术是利用高空中的GPSGPS卫星，向卫星，向地面发射地面发射L L波段的载频无线电测距信号，由地波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位

8、置。因此，收机天线所在的位置。因此，GPSGPS定位系统是定位系统是由以下三个部分组成：由以下三个部分组成：（1 1）GPSGPS卫星星座（空间部分）卫星星座（空间部分）（2 2）地面监控系统（地面控制部分）地面监控系统（地面控制部分）（3 3）GPSGPS信号接收机（用户设备部分）信号接收机（用户设备部分）Slide 9这三部分有各自这三部分有各自独立的功能和作独立的功能和作用，对于整个全用，对于整个全球定位系统来说球定位系统来说，它们都是不可，它们都是不可缺少的。缺少的。Slide 10uGPSGPS系统的空间系统的空间部分由部分由GPSGPS卫星组卫星组成，称为卫星星成，称为卫星星座。座

9、。u卫星星座的分布卫星星座的分布设置要保证地球设置要保证地球上任何地点，任上任何地点，任何时刻至少可以何时刻至少可以同时观测到四颗同时观测到四颗卫星。卫星。GPSGPS卫星星座组成卫星星座组成vGPSGPS卫星星座卫星星座 6 6个轨道面，平均轨道高度个轨道面，平均轨道高度20200km20200km，轨道倾角，轨道倾角55 55 ，周，周期期11h 58min11h 58min设计星座：设计星座：21+321+3 21 21颗正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3+3颗颗活动的备用卫星活动的备用卫星 保证在保证在2424小时，在小时，在高度角高度角1515 以上，能够同时观测到以上，能够同时观测

10、到4 4至至8 8颗卫星颗卫星当前星座：当前星座：2828颗颗GPSGPS卫星星座组成卫星星座组成Slide 12u铯原子钟铯原子钟u计算机计算机u2 2块块7 7m m2 2的太阳能翼板的太阳能翼板u无线电收发两用机无线电收发两用机u导航荷载（接收数据，导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据）发射测距和导航数据）u姿态控制和太阳能板指姿态控制和太阳能板指向系统向系统GPSGPS卫星卫星Slide 13GPSGPS卫星结构卫星结构双叶对日定向太阳能双叶对日定向太阳能电池帆板，全长电池帆板，全长5.33m，接受日光面接受日光面积积7.2m2。多波束定向天线，这是一种由多波束定向天线，这是一种由1

11、2个单元构成个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和和L2波段波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上在星体两端面上装有全向遥测遥装有全向遥测遥控天线，用于与控天线，用于与地面监控网通信。地面监控网通信。Slide 14GPSGPS卫星迄今已设计了三代。卫星迄今已设计了三代。第一代第一代Block1Block1型用于系统实验型用于系统实验，称实验卫星，共研制和发射，称实验卫星，共研制和发射了了1111颗，设计寿命颗，设计寿命5 5年，现已年，现已停止工作。第二代停止工作。第二代Block2Block2和和2

12、2A A型卫星称为工作卫星，共研制型卫星称为工作卫星，共研制了了2828颗，设计寿命颗，设计寿命7.57.5年，从年，从19891989年初到年初到19941994年上半年发射年上半年发射完毕。第三代完毕。第三代Block3Block3和和2 2R R型卫型卫星尚在设计中，预计星尚在设计中，预计2020颗，以颗，以取代第二代卫星，改善全球定取代第二代卫星，改善全球定位系统。位系统。GPSGPS卫星星座组成卫星星座组成v 第一代卫星现已停止工作。第一代卫星现已停止工作。v 第二代卫星用于组成第二代卫星用于组成GPSGPS工作卫星星座，工作卫星星座，通常称为通常称为GPSGPS工作卫星。工作卫星。

13、Block ABlock A的功能比的功能比Block Block 大大增强，表现在军事功能和数据大大增强，表现在军事功能和数据存储容量。存储容量。Block Block 只能存储供只能存储供4545天用的导天用的导航电文，而航电文，而Block ABlock A则能够存储供则能够存储供180180天用天用的导航电文，以确保在特殊情况下使用的导航电文，以确保在特殊情况下使用GPSGPS卫卫星。星。 第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫第三代卫星尚在设计中，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己星，改善全球定位系统。其特点是：可对自己进行自主导航；每颗卫星将使用星载处理器，进行自

14、主导航；每颗卫星将使用星载处理器，计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强计算导航参数的修正值，改善导航精度，增强自主能力和生存能力。椐报道，该卫星在没有自主能力和生存能力。椐报道，该卫星在没有与地面联系的情况下可以工作与地面联系的情况下可以工作6 6个月，而其精个月，而其精度可与有地面控制时的精度相当。度可与有地面控制时的精度相当。Block 卫星卫星Block 卫星卫星Block R卫星卫星Slide 22GPSGPS星座参数星座参数卫星卫星：24 颗颗轨道轨道：面：面6个个长长 半半 轴：轴：26609km偏偏 心心 率：率：0.01轨道面相对赤道面的倾角：轨道面相对赤道面的倾角：55各

15、轨道面升交点赤经相差：各轨道面升交点赤经相差：60相邻轨道卫星升交距角相差：相邻轨道卫星升交距角相差：30卫星高度：卫星高度：20200km卫星运行周期：卫星运行周期：11小时小时58分钟分钟Slide 231 1 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。接收并执行监控站的控制指令。2 2 利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。进行处理。3 3 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4 4 向用户发送定位信息。向用户发送定位信息。5 5 在地面监控站

16、的指令下，通过推进器调整卫在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。星姿态和启用备用卫星。GPSGPS卫星的基本功能卫星的基本功能Slide 24GPSGPS地面监控部分地面监控部分GPSGPS的地面监控部分由分布在全球的的地面监控部分由分布在全球的5 5个地面站个地面站组成，其中包括卫星监测站（组成，其中包括卫星监测站（5 5个）、主控站个）、主控站（1 1个）和注入站（个）和注入站（3 3个）个）1 1、 监测站：是主控站直接控制下的数据自动监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频采集中心。站内设有双频GPSGPS接收机、高精度接收机、高精度原子钟、计算

17、机原子钟、计算机1 1台和若干台环境数据传感器台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。输到主控站，以确定卫星轨道。Slide 25主控站主控站监控站监控站监控站监控站注入站注入站/监控站监控站注入站注入站/监控站监控站注入站注入站/监控站监控站控制站的分布控制站的分布夏威夷夏威夷卡瓦加兰（太平洋）卡瓦加兰（太平洋）狄哥狄哥伽西亚（印伽西亚（印度洋）度洋）阿松森岛（阿松森岛（大西洋）（大西洋）科罗拉多科罗拉多Slide 26GPSGPS地面监控部分地面监控部分2 2、 主控站：地点：美国科罗拉多州法尔孔空

18、军基地主控站：地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地除协调和管理地面监控系统外，主要任务：除协调和管理地面监控系统外，主要任务：1 1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。送到注入站。2 2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPSGPS卫卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。的钟差，将钟差信息编入导航电

19、文，送入注入站。3 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4 4）启用备用卫星代替失效工作卫星。）启用备用卫星代替失效工作卫星。Slide 27GPSGPS地面监控部分地面监控部分3 3、注入站：、注入站： 主要设备为主要设备为1 1台直径台直径3.63.6m m的天线、的天线、1 1台台c c波段发射机和波段发射机和1 1台计算机。主要任务是在主台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监

20、测等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。注入信息的正确性。 整个整个GPSGPS系统的地面监控部分，除主控系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。下，实现高度的自动化标准化。Slide 28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卫星卫星GPS卫星卫星地面监控系统流程图地面监控系

21、统流程图Slide 29GPS地面控制部分的作用地面控制部分的作用负责监控全球定位系统的工作：负责监控全球定位系统的工作：u监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行道运行u跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户由卫星通过导航电文发送给用户u保持各颗卫星的时间同步保持各颗卫星的时间同步u必要时对卫星进行调度必要时对卫星进行调度Slide 30GPS用户设备部分用户设备部分u用户部分组成用户部分组成GPSGPS信号接收机及相关设备信号接收机及相关设备uGPSGPS接收机接收机接收、跟踪、变换和测量接

22、收、跟踪、变换和测量GPSGPS信号的无线电设备信号的无线电设备uGPSGPS接收机的作用接收机的作用 接收接收GPSGPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作Slide 31GPS接收机接收机uDSNPDSNPuLEICALEICAuGARMINGARMIN uTRIMBLE TRIMBLE uASHTECHASHTECHuJAVADJAVADSlide 32GPS接收机接收机导航型接收机导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载体的此类型接收机主要用于运动载体的导航，它

23、可以实时给出载体的位置和速导航，它可以实时给出载体的位置和速度。单点实时定位精度较低，一般为度。单点实时定位精度较低，一般为10m,10m,有有SASA影响时为影响时为100m100m。根据应用。根据应用领域的不同，此类接收机可以进一步分领域的不同，此类接收机可以进一步分为：为：按接收机的用途分类可分为：按接收机的用途分类可分为： 车载型车载型用于车辆导航定位；用于车辆导航定位； 航海型航海型用于船舶导航定位；用于船舶导航定位； 航空型航空型用于飞机导航定位。由于飞机运行用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速速度快，因此，在航空用的接收机要求能适应高速运动。

24、运动。 星载型星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的用于卫星的导航定位。由于卫星的运动速度高达运动速度高达7 7公里公里/ /秒以上，因此对接收机的要求秒以上，因此对接收机的要求更高。更高。 u（1）SA美国政府从其国家利益出发，通过美国政府从其国家利益出发，通过降低广播星历精度（降低广播星历精度（ 技术）、在技术）、在GPS基准信号基准信号中加入高频抖动（中加入高频抖动（ 技术）等方法，人为降低普技术）等方法，人为降低普通用户利用通用户利用GPS进行导航定位时的精度。进行导航定位时的精度。 u（2）卫星星历误差在进行）卫星星历误差在进行GPS定位时，计定位时，计算在某时刻算在某时刻GPS卫星位

25、置所需的卫星轨道参数是卫星位置所需的卫星轨道参数是通过各种类型的星历通过各种类型的星历7提供的，但不论采用哪提供的，但不论采用哪种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真种类型的星历，所计算出的卫星位置都会与其真实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。实位置有所差异，这就是所谓的星历误差。 Slide 35u（3）卫星钟差卫星钟差是）卫星钟差卫星钟差是GPS卫星上所安卫星上所安装的原子钟的钟面时与装的原子钟的钟面时与GPS标准时间之间的误差标准时间之间的误差。 u（4）卫星信号发射天线相位中心偏差卫星）卫星信号发射天线相位中心偏差卫星信号发射天线相位中心偏差是信号发射天线相位中心偏差是GPS卫星

26、上信号发卫星上信号发射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的射天线的标称相位中心与其真实相位中心之间的差异。差异。Slide 36 测地型接收机测地型接收机 测地型接收机主要用于精密大地测测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精载波相位观测值进行相对定位，定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。度高。仪器结构复杂，价格较贵。授时型接收机授时型接收机 这类接收机主要利用这类接收机主要利用GPSGPS卫星提供卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无线电通讯中时间同步

27、。文台及无线电通讯中时间同步。按接收机的载波频率分类按接收机的载波频率分类单频接收机单频接收机 单频接收机只能接收单频接收机只能接收L1L1载波信号，测定载波载波信号，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线（延迟影响，单频接收机只适用于短基线（15kmYP+W-Y美国政府的美国政府的GPS政策政策Slide 47实施政策实施政策SPSPPSSAASC/APC/AP关关关关40104010开开关关100954010开开开开1004010关关开开404010实时单点定位的平面精度（实时单点定位的平面精度（m）S

28、lide 48非特许用户对美国限制性政策的措施非特许用户对美国限制性政策的措施uGLONASS GLONASS 全球导航全球导航卫星系统卫星系统uGalileoGalileo系统系统u北斗系统：我国的北斗系统：我国的第一代卫星导航系统第一代卫星导航系统Slide 491 1、GLONASSGLONASSu类似于类似于GPSGPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统；是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统；u其前身其前身CICADACICADA与子午系统同期，于与子午系统同期，于19651965年设计，有年设计，有1212颗卫星；颗卫星；u2020世纪世纪7070年代中期开始启动年代中期开始启动

29、GLONASSGLONASS计划；计划；u19821982年年1010月月1212日发射第一颗日发射第一颗GLONASSGLONASS卫星；卫星；u19961996年年1 1月月1818日，完成日，完成2424颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力；u由于经济原因，由于经济原因，20002000年，天空上的年，天空上的GLONASSGLONASS卫星仅为卫星仅为8 8颗；颗；u“格洛纳斯格洛纳斯”导航系统目前在轨运行的卫星已达导航系统目前在轨运行的卫星已达3030颗，俄航天部颗，俄航天部门在门在20142014年再发射年再发射3 3颗。颗。Slide 50GLON

30、ASSGLONASSSlide 512 2、GalileoGalileou背景背景：GLONASSGLONASS在轨卫星缺失，在轨卫星缺失，GPSGPS独霸市场独霸市场 GLONASSGLONASS、GPSGPS均由军方控制均由军方控制u欧盟欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统u特点特点：共享的独立于：共享的独立于GPSGPS的无增强条件下的适于海陆空的的无增强条件下的适于海陆空的 系统。参股共建，收费。系统。参股共建，收费。u阶段阶段：（一）（一）20002000年前，可行性评估或定义年前，可行性评估或定义（二）（二）2001200

31、520012005，开发和检测，开发和检测（三）（三）2006200720062007，部署，部署（四）（四）20082008，商业运行，商业运行Slide 52欧盟为何重视伽利略计划欧盟为何重视伽利略计划首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额份额。 权威部门预计： 伽利略计划将为欧盟创造万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有亿欧元之多； 仅出售航空和航海终端设备一项就可在年至年将获得亿欧元收入第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务防御政

32、策服务。第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中就没有主导权。务中就没有主导权。 Slide 53GalileoGalileo计划的历程计划的历程u历程历程：阿基米德：阿基米德- -GEO-HEO-MEO-LEO-GalileoGEO-HEO-MEO-LEO-Galileo主要面临的困难主要面临的困难： 投资巨大：“伽利略系统”高达36亿欧元的造价 美国政府的极力反对：美国的干扰在一定程度上推迟了“伽利略”计划的通过各国的态度各国的态度: : 美国：美国说“伽利略”是个很坏的计划 法国：对美国的垄断感到不满 德国、荷兰、

33、英国：经济Slide 54Galileo计划概况伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元系统由30颗高轨道卫星组成，分布在轨道高度为2.4万千米、倾角为56度的3个轨道面上。基础设施包括天基和地基两部分。卫星将为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务，与美国GPS和俄罗斯的GLONASS争夺市场。 u中国北斗卫星导航系统（中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation BeiDou Navigation Satellite SystemSatellite System，BDSBDS）是中国自行研制的全）是中国自行研制的全球卫星导航系统。是继美国全球定位系统（球卫星导航系

34、统。是继美国全球定位系统（GPSGPS）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（）、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统（GLONASSGLONASS）之后第三个成熟的卫星导航系统。之后第三个成熟的卫星导航系统。Slide 553 3、北斗系统北斗系统Slide 563 3、北斗系统北斗系统目的：快速定位、目的：快速定位、实时导航，简短通讯，实时导航，简短通讯，精密授时精密授时 定位精度定位精度1010米，测米，测速精度速精度0.20.2米米/ /秒，授秒，授时精度时精度1010纳秒。纳秒。3、北斗系统、北斗系统u北斗卫星导航系统空间段由北斗卫星导航系统空间段由5 5颗静止轨道卫星和颗静止轨道卫星和3030颗非静

35、止轨道卫星组成，中国计划颗非静止轨道卫星组成，中国计划20122012年左右年左右，“北斗北斗”系统将覆盖亚太地区，系统将覆盖亚太地区，20202020年左右覆年左右覆盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设，盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射已成功发射1616颗北斗导航卫星。根据系统建设总颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，体规划，20122012年左右，系统将首先具备覆盖亚太年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。力。20202020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航年左右，建成覆盖全球的北斗

36、卫星导航系统。系统。Slide 57Slide 58 定位工作主要在中心站完成，属于主动式导航定位系统二维导航和定位，高程结果需要由其他途径获得主要的优势在于军用：通讯、集团用户的调度和派遣北斗系统定位的特点地面中心站用户S1S2DS1DS2D1D2Slide 59集团用户解决方案 地面数据处理中心可以：地面数据处理中心可以：利用北斗用户的实时运行轨迹和相关地图对动态用户进行导航和交通管制遥测北斗用户接收机的工作状态，报警用户收发机的故障，识别用户身份，控制用户使用响应并回复集团用户对下属用户的定位审查Slide 60第二部分第二部分 GPSGPS基础概念基础概念u坐标系统坐标系统u时间系统时

37、间系统uGPS卫星星历卫星星历u导航电文和卫星信号导航电文和卫星信号Slide 61GPSGPS坐标系统坐标系统在在GPSGPS定位中，通常采用两类坐标系统：定位中，通常采用两类坐标系统：一类是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球一类是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。方便。另一类是与地球体相固联的坐标系统，该系统另一类是与地球体相固联的坐标系统，该系统对表达地面观测站的位置和处理对表达地面观测站的位置和处理GPSGPS观测数据观测数据尤为方便。尤为方便。Slide 62坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺

38、坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度所定义的。度所定义的。在在GPSGPS定位中，坐标系原点一般取地球质心，定位中，坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为标系称为协议坐标系协议坐标系。GPSGPS坐标系统坐标系统Slide 63第二部分第二部分 GPSGPS基础概念基础概念u坐标系统坐标系统u时间系统时间系统uGPS卫星星历卫星星历u导航电文和卫星信号导航

39、电文和卫星信号Slide 64GPSGPS时间系统时间系统在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。，也是利用卫星进行定位的重要基准。为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由用的时间系统，由GPSGPS主控站的原子钟控制。主控站的原子钟控制。GPSGPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同。时属于原子时系统，秒长与原子时相同。Slide 65GPSGPS时间系统时间系统在在GPS

40、GPS卫星定位中，时间系统的重要性表现在：卫星定位中，时间系统的重要性表现在： GPSGPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求时刻。例如当要求GPSGPS卫星的位置误差小于卫星的位置误差小于1 1cmcm，则相应的时刻误差应小于则相应的时刻误差应小于2.6 2.6 10-610-6s s。 准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于地测定信号的传播时间。若要距离误差小于1 1cmcm，则

41、信号传播时间的测定误差应小于则信号传播时间的测定误差应小于3 3 10-1110-11s sSlide 66第二部分第二部分 GPSGPS基础概念基础概念u坐标系统坐标系统u时间系统时间系统uGPS卫星星历卫星星历u导航电文和卫星信号导航电文和卫星信号Slide 67GPSGPS卫星轨道卫星轨道卫星轨道在卫星轨道在GPSGPS定位中的意义定位中的意义 卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。道位置和状态的参数称为轨道参数。由于利用由于利用GPSGPS进行导航和测量时，卫星作为位置进行导航和测量时，卫星作为位置已知的高空观测

42、目标，在进行绝对定位时，卫星已知的高空观测目标，在进行绝对定位时，卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；而轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；而在相对定位时，尽管卫星轨道误差的影响将会减在相对定位时，尽管卫星轨道误差的影响将会减弱，但当基线较长或精度要求较高时，轨道误差弱，但当基线较长或精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。此外，为了制订影响不可忽略。此外，为了制订GPSGPS测量的观测测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫星的轨道参数。星的轨道参数。Slide 68GPSGPS卫星星历卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，

43、是一组卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。对应某一时刻的轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，及其速度，GPSGPS卫星星历分为卫星星历分为预报星历和后处理预报星历和后处理星历星历。Slide 69第二部分第二部分 GPSGPS基础概念基础概念u坐标系统坐标系统u时间系统时间系统uGPS卫星星历卫星星历u导航电文和卫星信号导航电文和卫星信号Slide 70关于关于GPS卫星信号卫星信号GPS卫星所发射的信号包括载波信号、卫星所发射的信号包括载波信号、P码码（或（或Y码）、码）、C/A码和数

44、据码（或码和数据码（或D码）等多码）等多种信号分量，而其中种信号分量，而其中P码和码和C/A码统称为测距码统称为测距码。码。GPS卫星信号的产生、构成和复制等，都涉卫星信号的产生、构成和复制等，都涉及到现代数字通信理论和技术方面的复杂问及到现代数字通信理论和技术方面的复杂问题，题，GPS的用户，一般可以不去深入研究，的用户，一般可以不去深入研究，但了解其基本概念，对理解但了解其基本概念，对理解GPS定位的原理定位的原理仍是有必要的。仍是有必要的。GPSGPS卫星信号卫星信号Slide 71GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了如下卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素；因素；（1）适应多用户系统

45、要求。）适应多用户系统要求。（2）满足实时定位要求。）满足实时定位要求。（3）满足高精度定位需要。）满足高精度定位需要。（4）满足军事保密要求。）满足军事保密要求。GPSGPS卫星信号卫星信号Slide 72GPS卫星所采用的两种测距码，即卫星所采用的两种测距码，即C/A码和码和P码（或码（或Y码），均属于伪随机码。码），均属于伪随机码。测距码测距码Slide 73C/A码码C/A码：是用于粗测距和捕获码：是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的卫星信号的伪随机码。它是由两个伪随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器组级反馈移位寄存器组合而产生。合而产生。C/A码的码长短，共码的码长短，共1023个码

46、元，若以每秒个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，所以易于捕获，所以C/A码通常也称码通常也称捕获码捕获码。C/A码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的误差为为码元宽度的1/101/100，则相应的，则相应的测距误差为测距误差为29.32.93m。由于精度低，又称由于精度低，又称粗码。现代科学技术的发展，使得测距分辨率粗码。现代科学技术的发展，使得测距分辨率大大提高。一般最简单的导航接收机的伪距测大大提高。一般最简单的导航接收机的伪距测量分辨率达到量分辨率达到0.1米。米。Slide 74P码码P码

47、是卫星的精测码，码率为码是卫星的精测码，码率为10.23MHZ，产生产生的原理与的原理与C/A码相似，但更复杂。发生电路采码相似，但更复杂。发生电路采用的是两组各由用的是两组各由12级反馈移位寄存器构成。级反馈移位寄存器构成。P码的周期长，码的周期长，267天重复一次天重复一次。P码的捕获一码的捕获一般是先捕获般是先捕获C/A码，再根据导航电文信息，捕码，再根据导航电文信息，捕获获P码。由于码。由于P码的码元宽度为码的码元宽度为C/A码的码的1/10，若取码元对齐精度仍为码元宽度的若取码元对齐精度仍为码元宽度的1/100，则，则相应的距离误差为相应的距离误差为0.29m，仅为仅为C/A码的码的

48、1/10，故故P码称为精码。码称为精码。根据美国国防部规定，根据美国国防部规定，P码是专为军用的。目前码是专为军用的。目前只有极少数高档次测地型接收机才能接收只有极少数高档次测地型接收机才能接收P码，码，而且美国国防部的而且美国国防部的AS政策更是绝对禁止了非特政策更是绝对禁止了非特许用户应用。许用户应用。Slide 75GPS卫星的导航电文，是用户用来定位和导卫星的导航电文，是用户用来定位和导航的数据基础。航的数据基础。导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状导航电文包含有关卫星的星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动态、时间系统、卫星钟运行状态、轨道摄动改正、大气折射改正和由改正、大气折射改正和由C/A码捕获码捕获P码等导码等导航信息。导航电文又称为航信息。导航电文又称为数据码（或数据码（或D码）码）。导航电文也是二进制码，依规定格式组成，导航电文也是二进制码，依规定格式组成，按帧向外播送。每帧电文含有按帧向外播送