GPS卫星定位技术

1、GPS测量原理及应用课程性质：专业必修课课程安排：总学时414=56 课堂教学：36 实验教学：20教学目标：了解GPS定位的基本原理和相关知识 掌握GPS的技术设计 掌握GPS的外业观测（静态测量、RTK） 学会GPS内业解算 初步掌握GPS高程拟合考核方式：闭卷考试 期末考试：70% 平时成绩：30% （百分制，考勤30分，课堂提问10，实验60） 第一章 绪论（4学时）第二章 坐标系统和时间系统（2学时）第三章 卫星运动基础及GPS卫星星历（2学时）第四章 GPS卫星的导航电文和卫星信号（6+2学时）第五章 GPS卫星定位基本原理（6+6学时）第六章 GPS卫星导航（2学时）第七章 GP

2、S测量的误差来源及其影响（2学时）第八章 GPS测量的设计与实现（4+8学时）第九章 GPS测量数据处理（4+4学时）第十章 GPS应用（自学）增加：Matlab 的认识（2学时）总结、答疑 （2学时）1.1 GPS卫星定位技术1.2 其他卫星导航定位系统第一章 绪论1.1 GPS卫星定位技术u什么是什么是GPS？nGPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。其意为其意为“导航卫星测时导航卫星测时与测距全球定位系统与测距全球定位系统”，或简称全球定

3、位，或简称全球定位系统。系统。绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 什么是什么是GPS？uGPS概述概述 建立国家美国 目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务 开始筹建时间1973年 完全建成时间1995年绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS概述概述u卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 1957年10月4日，第一颗人造地球卫星升空 20世纪60年代，卫星定位技术问世卫星三角测量：初级阶段卫星多普勒定位测量：高级阶段GPS卫星定位测量：测绘行业一场深刻的技术革命绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展u卫星三角测量 含

4、义：由地面观测站拍摄卫星的瞬时位置而测定地面点的坐标。 原理：如右图所示绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术卫星三角测量卫星三角测量u卫星三角测量 精度：5m 特点：实现大陆与海岛间的联测定位受卫星可见条件和天气的影响处理过程复杂定位精度不高不能获得三维地心坐标绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术卫星三角测量卫星三角测量n 系统简介NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）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1958年12月，美国开始研制1964年1月

5、建成1967年7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 GPS卫星定位技术卫星定位技术卫星多普勒定位测量卫星多普勒定位测量u卫星多普勒定位测量 系统组成空间部分卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz 30 = 149.988MHz；4.9996MHz 80 = 399.968MHz；星历）卫星星座 由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km地面控制部分包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台用户部分多普勒接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

6、GPS卫星定位技术卫星定位技术卫星多普勒定位测量卫星多普勒定位测量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：10m 相对定位精度：相对定位精度：0.1m0.5m。 应用领域海上船舶的定位大地测量 精度单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h 1.6h），精度约为10m联测定位： 各站共同观测17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 GPS卫星定位技术卫星定位技术卫星多普勒定位测量卫星多

7、普勒定位测量 意义：初级阶段 高级阶段 系统优点经济快速不受天气、时间限制 系统缺陷卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务导航定位精度低卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响卫星轨道低，难以进行精密定轨绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术卫星多普勒定位测量卫星多普勒定位测量uGPS卫星定位测量 GPS系统的建立方案论证系统论证生产实验现代化更新 GPS系统的组成空间卫星星座地面控制部分用户设备部分绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量GPSGPS系统的组成系统的组成控控 制制 部部 分分 1 个个 主主 控控 站站 5 个个 监监

8、控控 站站空空 间间 部部 分分 导导 航航 卫卫 星星 : 导导 航航 信信 息息 卫卫 星星 时时 和和 卫卫 星星 钟钟 24 颗颗 卫卫 星星 20200 Km用用 户户 设设 备备 部部 分分 接接 受受 卫卫 星星 信信 号号空间卫星星座绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量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)55设计寿命为 7.5 年卫 星 种类 区 分Block 1(一 代),Block 2, 2A(二 代), Block 2R，2 F(三 代)空

9、间卫星星座设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星当前星座：已超过32颗绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量空间卫星星座绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量空间卫星星座GPS卫星的地面轨迹绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量空间卫星星座GPS卫星 作用：l接收、存储导航电文l生成用于导航定位的信号（测距码、载波）l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）l接受地面指令

10、，进行相应操作l其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备l太阳能电池板l原子钟（2台铯钟、2台铷钟）l信号生成与发射装置 绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量空间卫星星座GPS卫星类型：l试验卫星：Block l工作卫星：Block Block ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力Block A （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜Block R （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯Block F（Follow On）：新一代的GPS卫星,增

11、设第三民用频率绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量Block IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR不同类型的不同类型的GPS卫星卫星绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量空间卫星星座当前的卫星状态SUBJ: GPS STATUS 26 MAR 20041. SATELLITES, PLANES, AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A. BLOCK I : NO

12、NE 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, 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,

13、 E2, D1, A2, F2, A4, B3, F5, B2, C3 CLOCK : RB, RB, RB, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, RB, RB, RB地面控制部分分布绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋卡瓦加兰卡瓦加兰（注入站）（注入站）夏威夷夏威夷科罗拉多科罗拉多（主控站）（主控站）狄哥伽西亚狄哥伽西亚（注入站）（注入站）阿森松岛阿森松岛（注入站）（注入站）地面监控系统地面监控系统 地面控制部分主控站（1个）l作用：管理、协调地面监控系统管理、协调地面监控系统各部分的工作，各

14、部分的工作，收集各监测站的数据，编收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星，将卫星星历注入卫星，监控卫星状态，向卫星发监控卫星状态，向卫星发送控制指令；送控制指令；卫星维护与异常情况的处卫星维护与异常情况的处理。理。l地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量地面控制部分注入站（3个）l作用：将导航电文注入GPS卫星。l地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量地面控制部分监测站（5个）l

15、作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。l地点：夏威夷、主控站及三个注入站。绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量 夏威夷夏威夷 阿松森岛阿松森岛 科罗拉多科罗拉多 狄哥加西亚狄哥加西亚 卡瓦加兰卡瓦加兰 前方交会前方交会 后方交会后方交会 地面监控站地面监控站GPS接收机接收机用户设备部分用户接收设备lGPS接收机l数据线l解算软件l计算机绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星

16、定位测量卫星定位测量 GPS定位的基本原理空间后方距离交会 GPS系统的特点优点定位精度高观测时间短测站间无需通视操作简便全天候作业可提供三维坐标可全球布网应用广泛缺点遮挡问题精度问题安全问题绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量 GPS系统的应用前景GPS系统应用广泛多元化空间资源环境的出现发展GPS产业GPS的应用将进入人们的生活 我国的GPS定位技术应用和发展情况20世纪80年代初，开始研究GPS技术20世纪80年代中期，引进GPS接收机并开始应用GPS技术广泛应用，大地测量、工程测量、航空摄影测量等建成多个永久性的GPS跟踪站1995年成立中国GPS协会绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS卫星定位测量卫星定位测量GPS的发展简史方案论证阶段 1973年12月，美国国防部批准研制GPS。 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 绪论绪论 GPS卫星定位技术卫星定位技术 GPS的发展简史的发展简史GPS的发展简史全面研制和试验阶段 从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接