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1、全球定位系统技术与应用第一讲 概论刘旭春北京建筑工程学院.测量工程系Email: 7/19/20221GPS技术与应用课程概述目标：介绍GPS卫星测量基本原理及其应用课件：PPT课件在学习指定教材的基础上，依据学生的兴趣和个人能力，学习内容和形式多样重点强调基本原理的理解和掌握其它要求：网上查阅中英文GPS专业资料的能力；独立完成作业、严禁拷贝成绩评定：平时成绩 30%；期末考试70%7/19/20222GPS技术与应用课程重点掌握内容历史、发展和当前状况坐标系统与时间系统卫星轨道运动 及GPS卫星的坐标计算GPS卫星信号与传播GPS观测量、观测方程及误差

2、分析绝对（单点）定位原理相对（差分）定位原理GPS测量实施及软件操作（实习）GPS应用7/19/20223GPS技术与应用第一章 全球定位系统概论全球导航卫星系统定义GNSS(global navigation satellite system)通过实时地测定运载体在途中行进时的位置和速度，引导运载体沿一定航线经济而安全地到达目的地的技术。目前主要包括美国的全球定位系统（ global positioning system,GPS)、俄罗斯的格罗纳斯系统（GLONASS）、中国的北斗卫星定位系统（COMPASS）以及欧盟的伽利略系统（GALILEO）。其中以GPS系统覆盖范围最广泛，技术最全面

3、，因此本书以GPS为例对全球导航卫星系统进行介绍。 推算定位天文导航惯性导航无线电导航7/19/20224GPS技术与应用1.1无线电定位原理 基本原理根据电磁波在理想均匀媒质中按直线传播，且速度为常数，并在任两种媒质介面上一定产生反射，入射波和反射波同在一铅垂面内的特性，进行导航定位。 优点因为电磁波的传播基本上不受昼夜与气候的限制，也无论距离的远近，以及在恶劣气候与能见度不良的条件下，随时都可借助各种频率的无线电信号有效地对空中、海上与地面的各种运动载体乃至人进行精确定位，并将它（他）们安全、准确、经济地由出发点，沿预定的航行路线驶达目的地；而且测量快、精确度高，可靠性也高。缺点电磁波易受

4、外界干扰。 7/19/20225GPS技术与应用无线电导航定位方法 测边交会法 双曲线定位 多普勒定位 7/19/20226GPS技术与应用1、测边交会法 S1S2S3P利用测量待测点到已知点之间的距离，来求得待测点坐标的方法就称为测边交会法，也称为Time Of Arrival (TOA)的方式。GPS、GLONASS、GALILEO等均采用此方式定位7/19/20227GPS技术与应用2、双曲线定位 用户站TDOA31=t3-t1TDOA21=t2-t1基站3基站1基站2采用Time Difference Of Arrival (TDOA)的方式，其原理是通过检测无线电波到达两个基站的时间

5、差，而不是由到达的绝对时间来确定待测点的位置。待测点必定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上，确定待测点的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，两双曲线的交点即为待测点的二维位置坐标。罗兰、台卡等 7/19/20228GPS技术与应用3、多普勒定位 t1t2t3t4P（X, Y, Z）通过测定同一信号发射源不同间隔时段其信号的多普勒效应，从而确定发射源在各时段相对观察者的视向速度和视向位移，再利用发射源所给定的t1、t2、t3、t4时刻的空间坐标，结合对应的视向位移则可解算出测站空间坐标P（X，Y，Z）。子午卫星系统等7/19/20229GPS技术与应用1.2 GPS的发展历程 子午卫星导航系

6、统（TRANSIT）全球定位系统（GPS）全球导航定位系统（GLONASS）双星导航定位系统（北斗一号）伽俐略系统（GAILILEO）1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星由前苏联成功发射，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展，迅速地跨入了一个崭新的时代。7/19/202210GPS技术与应用一、子午卫星导航系统（TRANSIT）子午卫星导航系统，又称多普勒卫星定位系统，它是58年底由美国海军武器实验室开始研制，于64年建成的“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System）。这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。1967年7月

7、该系统由军方解密供民间使用。此后用户数量迅速增长，最多达9.5万户，而军方用户最多时只有650个，不足总数的1%，可见因生产的需要民间用户远远大于军方。7/19/202211GPS技术与应用系统组成 卫星星座由六颗独立轨道的极轨卫星组成，轨道倾角i =90；卫星运行周期为T=107min；卫星高度约为H=1075km。地面系统地面设有4个卫星跟踪站； 1个计算中心；1个控制中心；2个注入站；1个天文台（海军天文台）。 7/19/202212GPS技术与应用技术特点 定轨精度广播星历所预报的卫星位置的切向误差17m；径向误差26m；法向误差8m。 精密星历所预报的卫星位置精度为 2m。 卫星性能

8、星体直径约为50公分，卫星重量为4573公斤。 卫星信号 4.9996MHz基准钟频信号，倍频30和80倍后，形成149.988MHz和399.968MHz的标准信号。 定位精度利用广播星历的单点定位精度约为10m，观测100次卫星通过后的测量数据平差解算后，可获得精度为35m；利用精密星历观测40次卫星通过的测量数据平差解算后，可获得精度为0.51m；为了消除公共误差提高定位精度，相对定位的精度为0.5m 。 7/19/202213GPS技术与应用不足之处 一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要一次定位一般需要连续观测一颗卫星通过的时间约为1518分钟 卫星出现时间间隔过长，无法满足连

9、续导航的需要。没有采用频分、码分、时分等多路接收技术，确定了该系统不能成为连续导航系统。子午卫星导航系统的定位精度偏低卫星轨道低，信号频率较低受电离层影响大，卫星钟频不够稳定 7/19/202214GPS技术与应用二、全球导航定位系统（GLONASS） 该系统是82年底由前苏联开始承建，期间因苏联解体，几经周折最后由俄罗斯于96年建成全球导航定位系统（Global Navigation Satellite System, GLONASS）。该系统与美国的全球定位系统同属于第二代卫星定位系统。7/19/202215GPS技术与应用系统组成 卫星星座三个独立椭圆轨道的24颗卫星组成（另加1颗备用卫

10、星），每个轨道分布8颗卫星，各轨道升交点赤经相差120；轨道偏心率e=0.01；卫星轨道倾角i =64.8；卫星运行周期T=11h15m；卫星高度H=19100km；卫星设计使用寿命4.5年，直至2019年卫星星座布成，经过数据加载、调整和检验，已于2019年1月18日整个系统正式运转。地面系统1个系统控制中心（在莫斯科区的Golitsyno-2），1个指令跟踪站（CTS），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内。7/19/202216GPS技术与应用技术特点 卫星信号两种载波信号，L1载波信号16021616MHz ，民用；L2载波信号12461256MHz ，军用。卫星之间的识别方法采用频分多址（F

11、DMA），L1频道间隔为0.5625 MHz，L2频道间隔为0.4375 MHz 。测距粗码（C/A码）的码频0.511MHz 码长为511比特，重复周期为1ms ；精码P码， 尽管前苏联严格保密，英国立茨大学G.R.Lennen博士成功破译。定位精度水平精度：5070m；垂直精度：75m；测速精度：15cm/s； 授时精度：1s。7/19/202217GPS技术与应用三、双星导航定位系统（北斗一号） 我国已于2000年底（10月31日、12月21日）发射了两颗同步静止定位卫星，并完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位卫星，在2019年5月25日发射，于6月3日5时顺利定点，系统大功

12、告成。 7/19/202218GPS技术与应用系统组成 卫星星座由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）；轨道倾角i =0；公转周期T=24h恒星时；轨道高度H=36000km 。 地面系统一个中心站、定轨观测网、校准站、测高站7/19/202219GPS技术与应用技术特点服务区域：70145E； 555N用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较大定位精度：平面精度20m；垂直精度10m 7/19/202220GPS技术与应用定位原理 卫星1星下点1星下点2定位圆 1定位圆 2地面中心站卫星2地面中心站通过2颗卫星传送测距问询信号，用户回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出卫地

13、距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个卫地距离为半径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型中读出用户高程，进而让卫星转告用户 。 7/19/202221GPS技术与应用四、伽俐略系统（GAILILEO） 从1994年欧盟开始对伽利略（GAILILEO）系统方案实施论证以来，2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略（GAILILEO）系统的L频段的频率资源。2019年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略（GAILILEO）系统的建设。

14、该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资（36亿欧元），是将来精度最高的全开放的新一代卫星定位系统。7/19/202222GPS技术与应用系统组成 卫星星座3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星（27颗工作卫星，3颗备用卫星）；轨道倾角i =56；公转周期T=14h23m14s；轨道高度H=23616km。地面系统在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。定位精度导航定位精度比目前任何系统都高7/19/202223GPS技术与应用计划实施 1994年开始进入方案论证阶段；2019年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段；2019年整个伽利略（GNSS）系统建成并投入使用。7/19/202224GPS技术

15、与应用服务方式 按不同用户层次分为免费服务和有偿服务两种级别。免费服务包括：提供L1频率基本公共服务，与现有的GPS民用基本公共服务信号相似，预计定位精度为10m。有偿服务包括：提供附加的L2或L5信号，可为民航等用户提供高可靠性、完好性和高精度的信号服务。系统定义了三种类型的业务： 1. 开放接入业务（OAS）：向民用用户开放的免费业务2. 一类控制接入业务（CAS 1）：为商业应用提供有偿服务。3. 二类控制接入业务（CAS 2）：为安全和军事提供有偿服务。所有这三类服务的精度都优于10m。CAS 2可实现水平4m、垂直16m的定位精度。7/19/202225GPS技术与应用五、全球定位系

16、统（GPS） 全球定位系统的全称是：导航卫星测时测距/全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System），简称GPS。1973年12月，美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统全球定位系统（GPS）。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时等多种功能。能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服务。 GPS计划经历了方案论证（19741978年），系统论证

17、（19791987年），试验生产（19881993年）三个阶段，总投资300亿美元。7/19/202226GPS技术与应用GPS系统组成7/19/202227GPS技术与应用空间部分 24颗卫星 （21颗工作卫星+3颗备用卫星 ），6个近圆形轨道面，高度约20200km，轨道倾斜55，轨道平面升交点赤经相差60 ，周期约11小时58分7/19/202228GPS技术与应用GPS卫星发展历程空间部分第一代：实验卫星(Block I) 1978-1985共发射11颗，设计寿命5年，停止工作第二代 ：Block II 、Block IIA、Block IIR、Block IIF1988-1994年共

18、发射28颗Block II 、Block IIA第三代 ： Block 下一代工作卫星7/19/202229GPS技术与应用BLOCK IBLOCK II/IIA7/19/202230GPS技术与应用BLOCK IIFBLOCK IIR7/19/202231GPS技术与应用地面控制部分1个主控站、5个监测站、3个注入站7/19/202232GPS技术与应用用户设备部分用户设备主要是GPS接收机，它由天线前置放大器、信号处理、控制与显示、记录和供电单元组成。 7/19/202233GPS技术与应用GPS系统的特点 定位精度高观测时间短测站间无需通视可提供三维坐标操作简便全天候作业功能多，应用广7

19、/19/202234GPS技术与应用美国对GPS用户的限制性政策 标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）选择性可用（SA）政策对（SPS）服务实施干扰反电子欺骗技术(A-S)对P码实施加密7/19/202235GPS技术与应用标准定位服务和精密定位服务Precise Positioning Service - PPS(P-code) Standard Positioning Service - SPS(C/A code) Accuracy in:PPS (95%)SPS (95%)horizontal plane22 meters100 metersvertical plane27.7

20、 meters156 meterstime transfer200 nanoseconds340 nanoseconds7/19/202236GPS技术与应用选择性可用政策（ Selective Availability ，SA）技术将钟频信号加入高频抖动使C/A码波长不稳定 技术将广播星历的卫星轨道参数加入人为误差，降低定位精度SA政策1991年7月1日实施，因影响美国商业利益，于2000年5月2日取消SA政策7/19/202237GPS技术与应用GPS Fluctuations Over Time on May 2, 2000 This is a plot of GPS navigatio

21、nal errors through the SA transition prepared by Rob Conley of Overlook Systems for the GPS Support Center in Colorado Springs, Colorado. The GPS errors can be seen diminishing significantly around 0405 UTC (shortly after midnight EDT). The data indicates a circular error of only 2.8 meters and a sp

22、herical error of 4.6 meters during the first few hours of SA-free operation. The data was measured using a Trimble SV6 receiver. 7/19/202238GPS技术与应用GPS Accuracy Before and After SA Removal The images compare the accuracy of GPS with and without selective availability (SA). Each plot shows the position