全球卫星定位系统(第一次)

1目录第一章绪论第二章GPS系统及其信号第三章

GPS的坐标系统与定位中的误差源第四章

卫星运动基础及GPS卫星星历第五章GPS静态定位基础第六章GPS动态测量原理第七章GPS动态测量原理第八章GPS测量的设计与实施2第一章绪论早期的卫星定位技术——将卫星作为空间观测目标建立卫星三角网建立卫星测距网——解决联测定位问题缺点：受卫星可见条件及天气影响，费时费力、定位精度低第一代卫星导航系统——开始了卫星多普勒定位、测速的时代子午卫星导航系统（NNSS）——6颗工作卫星经济快速精度均匀不受天气和时间的限制CICADA导航系统——12颗宇宙卫星双频发送：150MHZ、400MHZ第一代卫星导航系统的局限性卫星少，不能实时定位轨道低，难以精确定轨——1070km（低轨卫星）频率低，难以补偿电离层效应的影响3第一章绪论第二代卫星导航系统1.GPS卫星全球定位系统(NAVSTAR/GPS)：卫星测时测距导航/全球定位系统——是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能，能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。三大研究阶段方案论证阶段（1974-1978年）：发射11颗BLOCKI试验卫星系统论正阶段（1979-1987年）生产实验究段（1988-1993年）：发射28颗BLOCKII以及BLOCKIIA工作卫星90年代末，发射20颗BLOCKIIR卫星，改进GPS系统GPS系统的优点21+3颗卫星，6个轨道面GPS系统的应用前景我国的GPS定位技术应用和发展情况(查资料)4第一章绪论2.GLONASS全球卫星导航系统卫星系统的组成2.1卫星星座：21颗工作卫星+3颗在轨备用卫星；三个等间隔椭圆轨道，轨道面夹角120度发射两种载波信号：f1:1.602-1.616GHZ,(民用)f2:1.246GHZ-1.256GHZ（军用）具有可变的射电频率：每颗卫星具有不同的射电频率2.2地面控制地面控制站组（GCS）:系统控制中心、指令跟踪站（CTS）2.30用户设备：GLONASS信号接受机俄罗斯联邦政府对GLONASS系统的使用政策？3.NAVSAT导航卫星系统(西欧欧洲空间局ESA)——民用系统卫星星座;6颗地球同步卫星（GEO）+12颗高椭圆轨道卫星（HEO）5第一章绪论卫星系统GLONASSGPSNAVSAT卫星颗数（颗）21+321+312+6轨道面数（个）367轨道倾角（度）64.85563.45平均高度（KM）191002020020178周期（HM）11h15m11h58m11h58m卫星射电频率11602-1616MHZ1575.42MHZ1561-1569MHZ卫星射电频率21246-1256MHZ1227.6MHZ1224-1232MHZC/A码频率511KHZ1.023MHZ3.937MHZC/A码码长511bit1023bit3937bit

三种卫星系统的比较

6第一章绪论主动式卫星导航系统被动测距原理、被动定位（GPS、GLONASS、NAVSAT）p14，P7，P23下主动测距原理、主动定位p14，P41卫星激光测距技术基本的测距原理GEOSTAR卫星导航通信系统其它的卫星定位系统INMARSAT系统：由国际移动卫星组织（原国际海事卫星组织）筹建主要功能：全球通讯服务GNSS系统：由国际民航组织（ICAO）提出，该系统是一个全球性的位置和时间的测定系统主要功能:导航定位、移动通信GPS全球大地测量7P:刘基余编著.《GPS卫星导航定位原理与方法》.科学出版社.2008年6月第2版.p:刘基余等编著.《全球定位系统原理及其应用》.测绘出版社.1993年10月第1版.8第二章GPS系统及其信号GPS卫星全球定位系统的系统组成1GPS卫星星座（空间部分）:21+3颗卫星GPS卫星编号：PRN编号（伪随机噪声码）GPS卫星分步入轨及轨道特点：初始轨道——转移轨道——工作轨道，两万公里高空的圆形轨道高精度的时钟定位星座——为了解算测站的三维坐标，必须观测的4颗GPS卫星间隙期：定位星座几何结构的优劣9第二章GPS系统及其信号2地面监控系统（地面控制部分）地面监控系统的构成一个主控站：位于美国科罗拉多，以大型计算机为主体的监控系统三个注入站：大西洋阿森松,印度洋狄哥.伽西亚,太平洋卡瓦加兰五个监测站：4+夏威夷p2310第二章GPS系统及其信号3GPS信号接收机（用户设备部分）静态定位和动态定位静态定位:跟踪过程中用户天线固定不变，高精度测量信号传播时间——多于观测量大、可靠性强、定位精度高动态定位：接收测定运动物体的运行轨迹11第二章GPS系统及其信号GPS接收机的分类按用途分类：导航型：测地型接收机：授时型接收机:按接收机的载波频率分类;单频接收机：双频接收机：按应用场合分类：12第二章GPS系统及其信号GPS接收机的组成和工作原理天线单元接收机天线（接收前端）：全向振子天线、小型螺旋天线、微带天线、锥形天线——将GPS卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流。前置放大器:将GPS信号电流予以放大接收机主机单元电源——蓄电池GPS数据测后处理软件包13GPS卫星的导航电文（卫星电文）：是用户用来定位和导航的数据基础。以二进制的形式，按规定格式组成，按帧向外传播。因而卫星电文也叫数据码（D码）。导航电文的结构（见图2-6）P26导航电文的主要内容第一数据块：第一子帧的第3-10字码第二数据块：包括第二和第三子帧，表示GPS卫星的星历第三数据块：包括第四和第五子帧，提供GPS卫星的历书数据，是第一和第二数据块的简略形式。第二章GPS系统及其信号14第二章GPS系统及其信号GPS卫星信号——是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的已调波，其在播处于L波段，调制波是卫星电文（不归零的二进制码组成的编码脉冲串D码）和伪随机噪声码（PRN码）的组合码。数据码的二级调制（扩频）：有效地进行低码率导航电文的传送，达到节省卫星电能，增强GPS信号的抗干扰性，实现保密的信息传送的目的。伪噪声码的产生及特性伪噪声码的表现形式：波形信号x(t)和信号序列{x}码元宽度、时间周期、长度周期15第二章GPS系统及其信号伪随机噪声码的产生GPS卫星所用的伪噪声码是一种M序列，产生于最常线性移位寄存器（抽头式反馈移存器），由4级D触发器构成。M序列的特点复合伪噪声码:由两个以上的周期较短的伪噪声码构成，可单值地测量450m以上的远距离GPS卫星采用伪噪声码的目的传送导航电文用作测距信号识别不同的卫星16第二章GPS系统及其信号C/A码：用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪随机码，是由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生的。根据相位平移的不同，共可产生1025种结果不同的C/A码，这些C/A码具有相同的码长、码元宽度和相同的周期。P码：是卫星的精测码，用于卫星的精密测距。GPS信号的鉴别GPS工作卫星的SA技术17第三章一GPS的坐标系统卫星定位中常采用的是空间直角坐标系及其相应的大地坐标系，一般以地球质心为坐标系的原点。按坐标轴的指向不同，可分为:地球坐标系：随地球自转，便于描述地面观测站的位置天球坐标系：与地球自转无关，便于描述人造地球卫星的位置。球面坐标系与直角坐标系的关系大地坐标系与直角坐标系的关系站心赤道直角坐标系站心地平直角坐标系WGS-84大地坐标系与我国的坐标系统——GPS定位成果属于WGS-84大地坐标系，即卫星星历是以WGS-84坐标系为坐标框架的。18第三章二GPS定位中的误差源§3.1概述§3.2钟误差§3.3相对论效应§3.4卫星星历误差§3.5电离层延迟19第四章卫星运动基础及GPS卫星星历概述——人造地球卫星绕地球的运动状态取决于它所受到的各种作用力。这些作用力主要由：地球对卫星的引力、太阳、月亮对地球的引力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力等。在这些作用中，地球引力是主要的。通常将卫星受到的作用力分为：中心引力和摄动力两大类卫星的无摄运动（二体问题）：卫星只受地心引力的作用，忽略所用摄动力开普勒六轨道参数（常数）20第四章卫星运动基础及GPS卫星星历二体问题的运动方程卫星的受摄运动（卫星的精密定轨）——考虑了摄动力作用的卫星运动瞬时轨道根数：卫星在地球质心引力和各种摄动力总的影响下的轨道根数，卫星运动的真实轨道称为卫星的摄动轨道或瞬时轨道各种作用力的特性及其影响21地球引力：地球质心引力和地球引力场摄动力（由于地球形状不规则及其质量不均匀而引起的），可建立函数U（r,φ,λ）来表示地球外部空间一个质点所受的作用力：U（r,φ,λ）=GM/r+R（GM/r是正常引力位，R为慑动伪函数）日、月引力：在五天弧段对卫星伪值的影响可达1-3KMFs+Fm=GMs[(rs-r)/|rs-r|3-rs/|r|3]+GMm[(rm-r)/|rm-r|3-rm/|r|3]太阳辐射光压：在五天弧段对卫星伪值的影响可达1千米Fp=KρpSrso

第四章卫星运动基础及GPS卫星星历22第四章卫星运动基础及GPS卫星星历地球潮汐力的影响：在五天弧段对卫星伪值的影响可达1米大气阻力：忽略不计GPS卫星星历预报星历（广播星历）参考星历广播星历共16个参数，其中1个参考时刻，6个对应参考时刻的开普勒轨道根数和9个反映摄动力影响的参数toe——星历表参考历元（秒）：是从星期日子夜零时开始计算的参考时刻IODE——数据龄期：从toe时刻至为做预报星历测量的最后观测时刻之间的时间。23第四章卫星运动基础及GPS卫星星历C/A码星历：精度数十米，1991年实施SA技术之后，精度下降到近百米。P码星历：精度5米左右，主要用于军事导航，C/A码星历交付民用。后处理星历（精密星历）：不通过导航电文向用户传递，而是利用磁带或通过电视、电传、卫星通讯等方式有偿地为所需要的用户服务。特点：是事后向用户提供在其观测时间内的精密轨道信息。24第五章GPS静态定位基础基本概念静态定位——待定点相对与周围的固定点没有可察觉到的运动，待定点在地固坐标系中的位置都可以认为是固定不变的。可通过大量的重复观测来提高定位精度，动态定位——在一次观测期间待定点相对与周围的固定点有可察觉到的运动或显著的运动，因而在处理该时段的观测资料时待定点的位置将随时变化。单点定位——独立确定待定点在坐标系中的绝对位置的方法，也成为绝对定位。25第五章GPS静态定位基础相对定位——确定同步跟踪相同的GPS卫星信号的若干台接收机之间的相对位置的一种定位方法。相对定位的结果是个同步跟踪站之间的基线向量（三维坐标差），因而至少需要给出网中一点的坐标后才能求出其余各点的坐标。GPS定位钟的三种误差：多台接收机共有的误差：卫星钟误差、电离层误差、对流层物差；传播延迟误差：p128接收机固有的误差：内部噪声、通道延迟、多路径效应等26第五章GPS静态定位基础卫星导航定位天文定位陆地基准无线电导航定位系统（交会法）空间基准无线电导航定位系统——卫星导航系统基本原理伪距法定位如何进行伪距测量——基本测距原理：利用码相关法测定用码相关法进行伪距测量得到的四点结论：伪距测量的观测方程伪距法定位的基本原理特殊情况下的定位（参考）27第五章GPS静态定位基础载波相位测量利用载波作为测量信号的目的——提高精度测距码波长——C/A：293.65M，P码：29.305M载波波长——L1：19CM，L2：24CM重建载波基本原理载波相位测量的实际观测值首次量测值——产生一个整周未知数N0和不足一整周的部分其余各次量测值——包括整波段数和不足一整波段的部分从原理得出的几点结论28第五章GPS静态定位基础整周跳变的探测及修复产生整周跳变的原因——是由于计数器在to到ti期间的累计工作产生中断引起的，丢失的是整周数，对于不足以整周的部分没有影响。周跳的探测及修复屏幕扫描法——早期的方法用高次差或多项式拟合来探测及修复周跳在卫星件求差根据平差后的残差来发现和修复周跳29第五章GPS静态定位基础整周未知数N0的确定——正确地确定N0是获得高精度定位结果的必要条件。确定整周未知数的方法伪距法——在进行载波行为测量的同时进行伪距测量。多普勒法（三差法）走走停停法（goandstop)将整周未知数当作平差中的待定参数（参考）30第五章GPS静态定位基础载波相位测量的线性组合必要参数与多余参数如何简化平差计算，减少工作量？给多余参数以一定的约束——在多与参数之间建立起一种函数关系。求差法在接收机之间求差在卫星之间求差在历元之间求差这种将直接观测指相减的过程称为求一次差，所的结果被当作虚拟观测值，称为载波相位观测值的一次差或单差。31第五章GPS静态定位基础若对一次差的结果继续求差，为求二次差，其结果称为二次差获双差。有三种情况：在接收机和卫星间求二次差在接收机和历元之间求二次差在卫星和历元之间求二次差。若对二次差的结果继续求差，称为求三次差。201603163233目录第一章绪论第二章GPS系统及其信号第三章

GPS的坐标系统与定位中的误差源第四章

卫星运动基础及GPS卫星星历第五章GPS静态定位基础第六章GPS动态测量原理第七章GPS动态测量原理第八章GPS测量的设计与实施34第五章GPS静态定位基础差分GPS定位目的——消除公共误差，提高定位精度在一个测站上对两个观测目标进行观测，将观测值求差在两个测站上对同一个目标进行观测，将观测值求差在一个测站上对一个目标进行两次观测求差GPS定位中存在的误差种类多台接收机共有的误差传播延迟误差接收机固有的误差差分GPS的类型单站GPS的差分35第五章GPS静态定位基础载波相位差分——精度达到厘米级载波相位差分技术又称为PTK(RealTimeKinematic)技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。PTK技术同样受到基准站到用户距离的限制，为解决这个问题，发展了局部区域差分和广域差分定位技术。局部区域GPS差分系统（LADGPS）基准站与用户之间有无线电数据通信链，用户与基准站之间的距离一般在500km以内可获得较好的精度。36第五章GPS静态定位基础广域差分（WADGPS）具体表现星历误差：外推星历，精度100m左右，是GPS定位的主要误差来源之一。解决办法：依赖区域精密定轨，确定精密星历，取代广播星历。大气延时误差（包括电离层延时和对流层延时）：建立精确的区域大气延时模型，能够精确地计算出其作用区域内的大气延时量。卫星钟差误差：考虑在SA技术的影响下，卫星钟差的随机变化。37第五章GPS静态定位基础广域差分GPS系统的工作流程广域差分GPS系统的特点WADGPS种用户定位精度对空间距离的敏感程度比LADGPS低得多。监测站数量少，经济效益高定位精度均匀分布覆盖区域多样硬件设备及通信工具昂贵，软件技术复杂。38第五章GPS静态定位基础卫星射电干涉测量VLBI（参考）甚长基线干涉测量甚长基线干涉测量技术(VLBA)基本原理利用GPS卫星作为射电源进行干涉测量的优势信号强度大对接收设备的要求低价格便宜，使用方便射电干涉测量原理39第六章GPS动态测量原理本章主要目的：讨论如何用GPS信号测量动态用户天线的七维状态参数（三维位置、三维速度、时间）GPS动态定位：实时测的运动载体（GPS信号接收机天线）所在位置导航的定义（广义的动态定位）：实时位置+速度+时间+方位，引导运动载体准确驶向预定的后续位置。短程无线电导航系统和惯性导航系统GPS动态定位的特点用户多样性——车辆、舰船、航空航天器速度多异性——低动态定位（0-100m/s）、中等动态定位（100-1000m/s）、高动态定位（>1000m/s）40第六章GPS动态测量原理实时定位方法单点动态定位（绝对动态定位）——不是直接求解用户位置的三维坐标，而是求各个坐标分量的修正量。伪距差分动态定位DGPS——用两台接收基于两个测站上同时量测来自相同GPS卫星的导航定位信号，用以联合测的动态用的精确位置。41第六章GPS动态测量原理后处理差分动态定位：基准点和运动载体之间不必建立无线电数据传输。用GPS校正值对若干台共视卫星用户的动态接收机所采集的定位数据进行测后修正。动态载波相位测量GPS卫星导航方法导航的任务——引导航行体自起点出发，沿着预定的航线经济而安全地到达目的地。关于导航的一些基本概念航路点：一系列均匀分布于路径上的坐标点航线：依次通过若干航路点，由用户自行编辑的行进路线航线方向：起始位置到目的地的方向角度制导参数待飞距离偏航距：偏离最初航线的距离42第六章GPS动态测量原理方位线：两个物体或地点之间的连线航迹角：正北方向与目标方位线之间的夹角偏流角：飞行器的纵轴方向和飞行方向之间的夹角地速：飞行器在飞行方向的速度分量（沿地球表面飞行的速度）真航向：飞行器真实飞行方向与真北方向的夹角GPS导航方法GPS单机导航——在航行体上仅配备一台GPS接收机，单独实时导航。差分GPS导航——包括地面站和用户位置差分法伪距差分法GPS/惯性综合系统43第六章GPS动态测量原理GPS全球定位系统的不足之处卫星星座对地球覆盖不完善，特别是在中纬度地区，存在间隙区必须与天空通视，否则无法接收信号GPS接收机的工作受飞行器机动的影响，当飞行器的机动超过GPS接收机的动态范围时，接收机会失锁。惯性导航系统（INS）GPS/INS整合系统44第六章GPS动态测量原理GPS与INS的综合方式松散综合用GPS重调惯导用GPS给出的位置、速度信息直接重调惯导系统的输出。把惯导和GPS输出的位置和速度信息进行加权平均。用位置、速度信息综合紧密综合——一体化设计45第六章GPS动态测量原理GPS测速——在进行GPS动态定位的同时，用GPS信号测得运动载体的运行速度。多普勒测速仪的基本工作原理——主动式测速原理多普勒频移差分GPS测速——可以消除星历对测速精度的损失，还可以消除至少显著削弱电离层/对流层效应对测速精度的损失。GPS定时以卫星为主体的其他定时技术卫星单向定时法46第六章GPS动态测量原理卫星双向定时法LASSO定时法Shuttle定时法上述四种方法定时精度较高、但设备复杂，耗资巨大，不利于广大用户使用。GPS卫星定时法一站单机定时法共视比对定时法是目前用GPS信号传递时间的主要方法。该方法不仅可以消除卫星钟差，而且能够消除至少减少星历误差的影响。47第六章GPS动态测量原理GPS/GLONASS集成接收机及其对动态测量的影响什么是GPS/GLONASS集成接收机GPS/GLONASS集成接收机的优点GPS/GLONASS卫星及其导航定位信号的异同点48第六章GPS动态测量原理GPS/GLONASS集成接收机研制的难点寻找接收机的公共频率源GPS卫星具有相同的两个载波频率：1575.42MHZ、1227.60MHZ每颗GLONASS卫星的载波频率不同Fj1=f1+(j-1)Δf1Fj2=f2+(j-1)Δf2GPS/GLONASS集成接收机最基本的要求是对于GLONASS信号而言，需要获得0.5625MHZ和0.4375MHZ的基本信号，然后通过倍频和分频的方法获得各颗GLONASS卫星的载波。对于GPS信号而言，需要获得10.23MHZ的基准频率。处理两种坐标系的坐标差49第六章GPS动态测量原理建立统一的时间尺度总结：GPS/GLONASS集成接收机需要处理6种时间偏差。解决方法：建立GPS和GLONASS时系的统一时间尺度。50第七章GPS卫星定位误差概述误差存在于发射源——传播途径——接收源的每个地方，按性质可分为系统误差（偏差）和偶然误差，其中系统误差的危害最大。与卫星有关的误差卫星星历误差卫星星历数据来源预报星历广播星历提供17个星历参数，由此确定的卫星位置的精度约为20-40米，甚至80米左右。51第七章GPS卫星定位误差实测星历需要在观测后1-2个星期才能获得，对导航和动态定位毫无意义，但在静态精密定位中具有重要作用。星历误差对定位的影响52第七章GPS卫星定位误差解决办法建立自己的卫星跟踪网进行独立定轨轨道松弛法——将卫星星历给出的卫星位置当成未知数来处理，通过平差模型来求解测站位置和轨道改正数。半短弧法——将轨道切向、径向和法向三个改正数作为未知数。短弧法——把6个轨道偏差改正数作为未知数，通过轨道模型来建立观测值和未知数之间的关系。同步观测值求差（相对定位）GPS时间系统时间系统与坐标系统一样，应具有其尺度（时间单位）和原点（历元），理论上，任何一个周期运动，只要它的运动是连续的，其周期是恒定的，并且是可观测和用试验复现的，都可作为时间尺度。53第七章GPS卫星定位误差恒星时ST（SiderealTime）章动的影响真恒星时和平恒星时平太阳时MT（MeanSolarTime）世界时UTUT+极移54第七章GPS卫星定位误差原子时ATI（InternationalAtomicTime）协调世界时UTCGPS时间系统55第七章GPS卫星定位误差物理同步误差——直接用卫星钟的读数与GPS标准时相比而得出的误差称为物理同步误差。卫星钟改正数数学同步误差——加上卫星钟改正数后的卫星钟读数和GPS标准时间之差称为数学同步误差。处理接收机钟误差的方法码相关接收机无码接收机把每个观测时刻的接收机钟差当作一个独立的未知数。认为各观测时刻的接收机钟差间是相关的，设法建立一个钟误差模型。通过在卫星间求一次差来消除接收机的钟差56第七章GPS卫星定位误差相对论效应理想状况下狭义相对论效应的影响：广义相对论效应的影响：总的相对论效应的影响：解决方法：预先降低时钟频率实际状况下

理想状况下的相对论效应＋附加偏差项与信号传播有关的误差电离层折射电子密度与电子密度有关的因素57第七章GPS卫星定位误差电子密度和高度的关系——随着高度的增加，太阳辐射强度增强，气体电离程度增强电子密度和地方时的关系——随地方时的变化作周日变化电子含量——通常指底面积为一个平方米贯穿整个电离层的柱体内所含的总电子数电子密度和太阳活动程度的关系——太阳活动强烈和平稳年份的电子含量相差悬殊电子含量的季节性变化电子含量和测站位置间的关系改正电离层影响的方法单频接收机的电离层改正58第七章GPS卫星定位误差电离层改正模型——是一种经验估算公式特点：把晚上的电离层延迟看作一个常数。中心电离层双频改正的基本原理半和改正法对流层折射59第七章GPS卫星定位误差站址的选择避免邻近有大面积的平静水面测站不宜选择在山坡、山谷及盆地中尽量离开高层建筑物及汽车对接收机的要求与接收机有关的误差接收机钟差(高精度的石英钟)60第七章GPS卫星定位误差接收机的位置误差——接收机天线相位中心相对与测站标示中心位置的误差。包括天线的置平和对中误差，量取天线高误差。天线相位中心位置的偏差——观测时相位中心的瞬间位置（一般称为相位中心）与理论上的相位中心将有不同，这种差别叫做天线相位中心的位置偏差。其他误差消除、削弱上述误差影响的措施和方法61第八章GPS测量的设计与实施GPS测量在实际工作中被划分为方案设计、外业实施及内业数据处理三个阶段。GPS测量的技术设计GPS网技术设计的依据——GPS测量规范（规程）和测量任务书。GPS测量规范（规程）——是国家测绘管理部门或行业部门规定的技术法规，目前主要有：1992年国家测绘局发布的测绘行业标准《全球定位系统测量规范》1998年建设部发布的行业标准《全球定位系统城市测量技术规程》各部委根据本部门GPS工作的实际情况制定的其他GPS测量规程或细则。第八章GPS测量的设计与实施63第八章GPS测量的设计与实施GPS网的精度、密度设计GPS测量精度标准及分类——对于各类GPS网的精度设计主要取决于网的用途。级别主要用途固定误差α（mm）

比例误差b（ppm.D）

A地壳形变测量或国家高精度GPS网建立

≤5

≤0.1

B国家基本控制测量

≤8

≤1