GS原理及应用导论

第1章GPS的原理与应用§1.1GPS定位技术的发展

§1.2GPS组成及原理§1.3GPS的应用1§1.1GPS定位技术的发展1957年10月，世界上（前苏联）第一颗人造地球卫星发射成功，标志着空间科学技术的发展跨入了一个崭新的时代。随着人造地球卫星的不断发射，利用卫星进行定位测量已成为现实。第一阶段：卫星仅作为观测目标第二阶段：多普勒卫星定位第三阶段：GPS定位系统2一、早期的定位技术（第一代卫星大地测量）第一代（1960年）：卫星仅作为观测目标，建立卫星三角网或卫星测距网。

观测方法：通过地面点对卫星的观测，可将卫星实际运行的轨道确定，然后根据卫星的位置再确定地面点的位置。3人造卫星激光测距4人卫激光测距5优点：实现了陆岛联测。缺点：受卫星可见条件及天气的影响，费时费力，定位精度低，不能测得点位的地心坐标。大陆岛屿6二、子午卫星导航系统（第二代）20世纪50年代末期，美国的科学家对空中的卫星进行监测，发现了卫星信号频率出现了变化，称为频移现象（多普勒效应）。随着卫星运动的速度、方向、距离的变化，可建立频移Δf与v、s(t)之间的函数关系。随后，美国开始研制用多普勒定位技术进行测速定位的卫星导航系统（子午卫星导航系统）。开始主要用于军用。f1f1+Δff1f1+Δf7子午卫星导航系统的组成：卫星轨道均在子午面上。子午卫星导航系统采用6颗卫星，并都通过地球的南北极运行。1、空间部分:

卫星：太阳能、稳定杆朝向地球。内容名称TRANSIT卫星数(颗)6轨道数(个)6卫星高度(公里)10100运行周期(分钟)107载波频率(兆赫)400，1508

2、控制部分

1）、卫星跟踪站：2）、计算中心：

3）、注入站：

4）、控制中心：

5）、海军天文台：计算卫星钟、频率改正数。93、用户部分：接收机、气象仪、读带机、微机。接收机：天线及放大器接收单元微机及微处理器输出设备：存储。104、定位方法（1）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。（2）联测定位:

各站共同观测17次合格卫星通过，精度可达0.5m

RS1S2S3S4S1S2S3S4S1S2S3S4S1AS2S3S4B△X,△Y,△Z11优点：经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制、可在地球表面的任何地方进行单点定位和联测定位。缺点：卫星少，不能实时定位；只能提供二维坐标（经度和纬度）；轨道高度10100公里,太低,因为地球引力、摄动影响，卫星难以精密定轨；频率低，难以补偿电离层折射的影响；定位精度低。

上世纪70年代中期，我国引进多普勒接收机，实现了南沙群岛与陆地的联测。12三、GPS全球定位系统的建立（第三代）

1973年12月，美国国防部出于军事战略的考虑，决定建立NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem(导航卫星测时与测距全球定位系统，简称全球定位系统),简称GPS,有时也称NAVSTARGPS。GPS计划经历了以下三个阶段：第一阶段：方案论证和初步设计阶段。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。13第二阶段：全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。第三阶段：实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。整个系统分为卫星星座、地面控制和监测站、用户设备三大部分。与前两代相比：全球性、全天候、连续性和实时的导航、定位、定时的功能。14GPS卫星星座24-27颗卫星2万多公里高度6个轨道空间部分15四、洞其他涉卫星衔导航命系统1、GL杠ON邻AS胞S（Gl监ob钳al哄N桑av蚂ig停at满io因n睛Sa涌te馆ll老it猛e棕Sy玩st争em）全球能导航乡丰卫星向系统:由前政苏联松建立俭，起核步比GP订S晚9年（19梯82年）庙，19尼96年1月18日整钟个系磨统正插常运郑行。视该系否统的握组成蚕和原袖理与GP版S类似晋，也类是有誉空间父卫星右星座骂、地笨面控阅制和分用户瘦设备每三大怖部分兴组成到。系止统可彩供国两防和拜民用悟，不怠带任密何限汗制，歼也不愤计划诊对用骡户收男费。GL袭ON连AS盯S卫星交星座16GL阀ON书AS妨S卫星17地面饮控制虚系统找：地面阔控制太站组逐（GC担S）包垫括一焦个系统控直制中派心，沃设在胜莫斯脉科；葛一个筒指令凉跟踪旺站（CT置S），侄网络辫分布狐于俄他罗斯供境内浓。指鄙令跟缺踪站（CT晌S）跟绣踪GL侄ON尤AS吸S可视设卫星虚，它浓遥测添所有苦卫星，萝进行受测距较数据沈的采骂集和拖处理廉，并波向各早卫星毫发送控制倾指令物和导蚀航信剂息。用户妥设备觉：GL帜ON论AS露S接收唉机接附收GL庸ON苦AS易S卫星耗信号遍并测别量其住伪距从和速监度，收同时轻从卫浇星信年号中蚕选出映并处战理导秃航电势文。篇接收宁机内骆的计及算机此对所姻有数项据处构理并蜡算出日位置湿坐标揭的三轧个分颜量、与速度包矢量易的三我个分做量和误时间绪。18卫星秃运行欲状况从19亏82年10月12日发铺射第洪一颗GL密ON天AS舌S卫星恰起，尸至19框95年12月14日共院发射凶了73颗卫则星，侨其中拒有效柱卫星24颗。20世纪90年代所后期柄，由悠于卫酬星寿冲命过腊短，零加之牢政治滩和经堪济原像因，坟无法份及时拨补充馆新卫揉星，顶故该款系统醉有一奔段时小间曾终不能锡维持兄正常由工作陡，到20衰06年3月20日,G俩LO租NA田SS系统钱共有17颗卫呼星在货轨。包其中脏有11颗卫谢星处廉于工军作状诉态，2颗备都用，4颗已绍过期滥而停框止使背用。20禾09年俄浴罗斯堵的格叶洛纳趣斯系振统计弃划终聋于重备上正巧轨，12月14号发重射了良三颗耽型号侦为GL毙ON誓AS颗S-滥M的导认航卫抵星，20呀10年2月又猴进行瞒第二口次发浮射。济现有23颗卫管星在寒工作头。192、伽隙利略（G骗al冻il扭eo赚）系统卖：19晶94年开闭始系瘦统方逮案论门证。20扰02年3月，察欧盟15国交抬通部血长一锡致同注意该葬系统泰的建蛋设。忆计划20御12年前量完成材系统产部署堵并投圈入使疗用。Ga彻li翠le食o系统乏的主睁要设交计思想：与GP相S/盈GL茎ON佩AS摄S不同施，完食全从闻民用确出发压；可与GP家S/形GL稠ON药AS莲S系统兼浓容；释有偿接的对俘民用开放缓（商歇用）求，高赌精度融。2020何05年11月28日凌习晨3时，哈萨进克斯音坦境厕内拜科爪努尔叠航天茂发射场竖发射磨了欧剑洲“伽仁利略甲”卫扒星定位系级统首家颗实恢验卫星社。GP混S克星——哈“伽利国略”史卫星预定位因系统21伽利蜓略卫取星223、北脉斗卫情星导筝航系铃统（龄双星皱导航镜定位扶系统股）：23北斗占一号米卫星前两驳颗“射北斗笛一号练”卫抱星分弦别于20替00年10月31日和12月21日发磁射升空待，第垂三颗于20隶03年5月25日发预射。24北斗脖一号巷海上掠救生觉型用它户机北斗魂一号得实用晴型车下载式劣用户产机北斗户一号馋指挥符型用李户机北斗客一号咏数据添传输愈型用勉户机25珠峰庄测高蕉中的捐使用雀的北斗皇一号培接收煤机20仿05年3月10日至5月22日观测，10月9日上贤午10点公焦布结匀果。原高情程：88警48浮.1薪3米新高朵程：88认44边.4叫3米26北京悔时间20胆03年5月25日零右时34分，拍我国肢在西六昌卫渐星发嚼射中办心用触“长窃征三昏号甲盆”运答载火写箭，肿成功浩地将勇第三陕颗“缸北斗液一号驰”导疏航定侍位卫零星送将入太况空。27“北走斗一煎号”予导航鹊定位粪卫星贡运往丈发射燥架途假中28卫星浩发射据前，向科研扒人员竖进行驶卫星睁与火搞箭的膏总装29等待保升空废的“穗北斗伶一号绩”导榴航定运位卫嫁星30卫星悉发射植升空协后，悼科研瞧人员弄在地唱面进扩行数亡据观享测。31双星阀导航唯定位五系统活空间迈部分猫：由三盾颗地榜球静航止轨名道卫修星（姨一颗技备用壶）组醉成。地面绍中心饿站：包括育地面鸣应用凉系统庄和测停控系锡统，跳具有读位置报联告、翠双向联报告富通讯张及双蹦向授骄时功熟能。用户希部分葱：车辆凳、船熔舶、饥飞机释以及口各军炮兵种披的动困态及静态内导航批定位办的用喷户。服务辱区域鸦：东经70挽~1惩45度，兔北纬5~迷55度范阵围（使我国处于矮东经72晚~1盐36度）定位惭精度棋：平面±2脸0米，土高程±1读0米。32“北赴斗一辜号”深卫星虏定位皇系统孔是利详用地球彼同步扮卫星为用户提厌供快速痛定位、简短粉数字滔报文怀通信和授时服务忍的一飞种全天们候、苹区域窝性的纷卫星犯定位恋系统杯。系塞统的衬主要院功能怨是：1、定位：快办速确街定用录户所传在地京的地惜理位按置，刃向用完户及主诞管部督门提炎供导查航信怪息。2、通讯：用市户与敢用户仓、用仙户与虏中心规控制否系统复间均偏可实现挨双向币简短烦数字络报文礼通信粘。3、授时：中笼心控馆制系矛统定杯时播扶发授蜡时信职息，缸为定蛋时用户专提供次时延烦修正呈值。333435基于保“北善斗一该号”淘的指辽挥控稍制系酸统36“北崭斗一跟号”尚海上铅安全厨与管奥理系申统37“北秀斗一搂号”蒜卫星周定位拼系统迅的工滋作过改程：1、首朴先由还中心海控制概系统鲁向两闭颗卫枣星同号时发胆送询谣问信号聪，经排卫星虾转发浑器向笔服务挤区内松的用未户广墨播。2、用椒户响岗应其柔中一伙颗卫挠星的踏询问职信号舞，并舟同时载向两颗裳卫星怀发送绳响应授信号纤，经冷卫星泻转发余回中太心控制系亮统。3、中夸心控丑制系面统接衡收并来解调违用户戏发来关的信丢号，文然后根撒据用忘户的观申请唯服务危内容果进行密相应救的数接据处理。384、对璃定位凑申请绸，中寺心控篇制系泳统测扁出两烟个时营间延芽迟：即从油中心轻控制省系统晋发出顷询问控信号陵，经好某一棋颗卫星转恩发到象达用达户，悉用户鸽发出肿定位域响应泛信号隐，经同一猪颗卫息星转及发回监中心铁控制多系统伸的延可迟；尝和从中心励控制坟发出切询问闹信号额，经帽上述辩同一槽卫星宰到达用户赔，用席户发锦出响胀应信焰号，容经另孝一颗无卫星骗转发回中预心控乌制系艇统的水延迟诵。395、由誉于中室心控薯制系友统和炕两颗戚卫星景的位扎置均授是已谈知的骆，因此吴由上否面两宁个延军迟量击可以岁算出观用户曾到第草一颗扒卫星的距跟离，晚以及吉用户最到两埋颗卫拖星距疼离之软和，愉从而覆知道用户笼处于群一个贫以第湾一颗权卫星埋为球咐心的息一个强球面文，和以两滩颗卫胆星为隶焦点臣的椭肤球面扫之间叹的交珠线上吧。6、另许外中行心控谱制系扁统从宫存储弯在计刚算机麻内的映数字脖化地宵形图查育寻到懒用户昌高程朝值，组又可籍知道仰用户详处于护某一再与地球基保准椭锋球面唐平行廉的椭眼球面你上。界从而节中心阅控制酱系统可最葡终计具算出膨用户剪所在蠢点的船三维顶坐标腹，这特个坐端标经加密协由出妻站信面号发共送给币用户概。40定位番的基盈本原达理：空间睛球面咸交会商测量蛾原理肺。与GP奶S定位转系统坟的区峰别：定位阁区域融不同忌（在烦本土阴），裳定位扎原理击不同塔，具碌有通厉讯功家能。插（76年的从唐山盐大地油震，堪所有化通讯井设施碧全被锡破坏详，工杂作人脏员只世有坐谈车向枕国务唇院求利救，分如果瓦当时垦有双故星导辅航系逼统，签只要继有双拨星导糖航接超收机线就可傍以与尖外界誉随时栋取得携联系秒。）北斗，张少木中谈体北斗1，2，3，4，5，620快12量-2发射缺第11颗北固斗ht勉tp束:/劲/t百v.酱pe族op梦le叮.c凑om隙.c逃n/驻GB军/1论66距41孔9/作17愿21协92独32哪.h巩tm况l专家词在线淡谈北绵斗-ht暗tp型:/彻/w暖ww壤.t扁ud识ou冶.c岂om燥/p方ro港gr诵am俯s/脾vi葱ew亮/9泽x6鲁AE获OM斯ZM薯g0返回41空间哨部分——暖GP丘S卫星象星座三大杂部分蔬地面角控制叉部分——地面满监控丛系统用户乖设备畜部分——兵GP怜S信号肿接收诸机§1款.2GP明S系统毯组成用户部分主控站USCG空间部分地面控制部分4243卫星炒星座漏的基斗本参彩数：21寒+3颗卫策星，6个轨道固面，乏卫星嗓高度20晨20散0k痛m，轨雨道倾角55度，及卫星虽运行周期11小时58分，载波趁频率唉为15尘75凭.4炮2和12鼠27避.6录0M技Hz。一、GP颜S工作恩卫星系及其止星座44GP舞S卫星45卫星亲在GP很S系统截中的济作用：（1）用醉两个玩频率渠向用乘户连续发器送信万号，们通知趣其卫星当克前位铸置和远工作赵情况折；（2）接伤收地葛面注肥入站秒发射的导伍航电为文和鹊其他府有关信促息，显实时滩的发律给广大喘用户躺；（3）接腰收地绒面主坊控站吩通过开注入阔站发猪送给膀卫星蝴的调拨度指令，但适时英修正造卫星咳运行号的偏跟差。46美国GP壤S卫星叠工作竹想像食图47美国GP目S卫星炊工作映想像窜图4849一个玩主控尾站三个摔注入绒站五个千监测旱站二、颂地面纹监控静系统夏威君夷监科罗必拉多主卡瓦选加兰注+监迪戈猛加西址亚注+监阿森昆松岛注+监地面孙监控找系统栗的组晴成49主控兔站：设体在美概国本精土科罗透拉多。其膏主要洪任务度：（1）协僻调和交管理岩地面长监控更系统趋工作纽奉；（2）根微据本颗站和多其他吼监测智站的划所有援观测密资料部，推仰算编制匠各卫愿星的绣星历构、卫着星钟毁差和认大气沸层的庄修正参数籍等，耻并把不这些淡数据渐传送勺到注宏入站勉；（3）提曾供全刚球定的位系赞统的扑时间沃基准爪。各症测站踢和GP销S卫星的擦原子践钟、泡均应违与主赞控站鲜的原较子钟租同步艺，或茂测出其港间的绩钟差悔，并删把这榨些钟极差信填息编冠入导约航电文，再送到模注入狮站；（4）调抽整偏袜离轨寒道的漫卫星乳，使茎之沿恨预定度的轨怪道运船行；（5）启诵用备专用卫挂星，服以代仿替失辣效的帝工作洗卫星哨。50注入麦站：三烘个分吐别设荷在印度无洋的疏迭哥登加西碗亚、南大柱西洋示的阿宁松森虹岛、南太穗平洋枕的卡模瓦加荷兰。其主拴要任桨务：在主忍控站商的控路制下哈将主勺控站禾推算债和编准制的蕉卫星井星历例、钟童差、饲导航锄电文熄和其蹲他控吓制斯指令偏等，竹注入案到相新应卫间星的盾存储箭系统谈，并敞检测洞注入货星系学的正扯确性满。51监测撤站：五个链分别李设在买美国识本土盏科罗陕拉多煌、印窑度洋齐的迭钻哥加溪西亚聪、南亿大西惑洋的壶阿松垄森岛虚、南沈太平灰洋的浅卡瓦手加兰展、夏垫威夷愤。其主贩要任牢务：为券主控耕站提赚供卫广星的侨观测咏数据缎。地面脚控制联系统钱的工乌作程榴序：监测逝站检爹测卫星暖的位气置主控窗站，亩利用控检测逼站的割已知火位置奸，编乏算卫樱星未煤来的劲位置注入隔站，酒利用挠大功芽率发败射机啊发射补给卫星是一酬个循环岩、闭晴合的过代程52三、膨用户摩设备欺部分—敞GP市S信号乌接收祥机GP任S的空骑间部隔分和历地面步监控趋部分夺，是钓用户莲应用井该系统芝定位宵的基振础，停而用棒户只嘴有通箱过用惕户设念备，忌才能鞋实现应照用GP饶S定位牛的目糊的。GP施S信号平接收牧机的祖主要浸任务：接票收GP软S卫星册发射君的无线电借信号肥，获羊得必届要的供定位美信息钥及观草测量咐并经笑数据处理香而完庆成定著位工倒作。凯（捕葬获卫黎星信配号，早对信怜号进银行处理寻，测霸量出闸信号感传播垮的时荣间，乏解译么出GP识S卫星唯所发送的膨导航旦电文筹，实匙时的网计算饿出测坏站的现三维锋信息搁，甚涨至三位冠速度华和时时间。53用户雪设备袍：由GP拆S接收妨机硬未件（息主机阔、天斜线和碧电源）沈和数良据处店理软堡件，细以及剪微处举理机慢及其终角端设示备组朵成。各种夕车载劲型：5455各种惑手持张机：56多普夸达GP巩S导航猾器P8奶00这是勉一部蚁融合GP蓄S导航砖、掌裁上电纯脑和探手机硬三者督完美翅的结元合的脏电脑浇手机情。5758一体锻机：GJ洲S3猛00静态锣接收浓机F3召0静态乘接严收机59Sm司ar倒t3吓10岂0I励S傻瓜农型60徕卡GP确S1争20您0RT萄K操作ht厅tp胖:/辞/v稀id狸eo桑.s揉in册a.名co梯m.仇cn敌/v倾/b针/6剥46阴99川20裂0-车10锅93叠08剂35尿35伞.h拥tm饥l使用ht橡tp草:/哪/w虑ww幼.5垂6.产co桑m/评u1烧1/慨v_附Mz窗U1跨Nz皮I3板Mz谦k.挂ht宗ml61南方夺测绘S8辰0862天测As庭ht农ec卷h63易测64摄0单频64华测X2季0单频65华测X9机0双频RT园K66华测X9宿0双频RT临K基准挖站67华测X9健0双频RT仔K移动响站68单基搂站CO语RS系统69蓝牙展接收略机：70“天久目领鱼航”此汽车迎卫星帝定位销导航千系统7198雕00天王茂星海扶洋水器上测明量系袄统(R佛TK映)返回72§1衣.3秒GP企S的应教用（1）定位舱精度借高单机丑定位浇精度贝优于10蜡m，相膜对（厨差分诉）定庸位，雷精度氧可达驶厘米炉级和极毫米课级。一、GP网S系统雄的特渗点（2）观测游时间礼短20葵km以内朝的相纺对静腊态定点位，篮仅需15穴~2蒙0分钟何；速伶静态雾定位律时，奥流动未站距著基准炸站15次km以内催时，抓流动踢站观袖测仅奸需15钩~2谁0分钟兔；动股态定位界仅需谎几秒叉钟。73（3）测站赌间无裂需通屋视只需缘瑞测站妈上空翠开阔辞即可些，布及点灵烘活。（4）可提之供三席维坐传标经典洪大地标测量阀将平兼面与侵高程勒分别似施测慕，GP贝S可同叙时测崇定点伍的三示维坐露标。（5）操作波简便随着碑接收宵机的臭不断逃改进轰，有肺的已誓达“私傻瓜朝化”搂。（6）全天耽候作京业可在纽奉一天24小时须内任克何时庆间进博行。（7）功能投多、呀应用蕉广“GP青S的应熟用仅遍受到馒人们电想象小力的党限制课！”741、GP导S系统涉用途掘广泛导航会方面已、军事方面、测物量方脾面、否地球法动力尽学研究忽方面碰、气熄象、交通管理孝、农林种植方面返等等格。紧急贺营救：1，2，3，4，5决胜息堰塞松湖1,2,3,4,5二、GP粗S系统壮的应搂用前鱼景测绘继应用测绘缴应用据包括窝大地扑测量律、航冬测与壶遥感根、工拨程测量、户地形岔测量来、地分籍测扛量与GI驶S。(李德付仁院弦士:1,2,3,4,5,6,7,8,9)75重点袄工程贤任务全国GP陪S丧A、B级网懂的建慈立与意研究76地球嚷动力盏学应捷用GP亲S测定肿地球铃板块吊和地披壳运串动“九薯五”右期间草，国砍家科罚委批窜准科贼学工何程《中国予地壳种运动徒观测卸网络》立项袍，该著项目跟是十这大科挪学工专程之迷一。吵网络讽工程榜是以GP收S观测晕技术络为主逮构成秋的大鹿范围落、高从精度晌、高稼时空惧分辨询率。巾具有京连续栽动态须监测喜功能投的地商壳运父动观币测网骄络。虑网络欧中有12个连折续观扛测的GP斧S全国唤基准反站。50个定箩期复闯测的GP卵S基本勾站、50钉0～80社0个非彩定期盛复测精的GP填S区域队站。77广州魄站永兴距岛嵩山元站鼎新酷站国家专大型舰科学坦工程场项目中国绢地壳酒运动免观测左网络软基准绑站78工程抓测量揪应用79导航猪应用80在载司人航先天、盈舰船局入港摄导航甚、飞机、汽车导航、紧耻急搜说救、11额0监控趣、石煎油勘浴探、四渔业壮、旅丘游观威光等之有着况广泛唉的应只用和久很高努的应奖用价咏值。E路航使用，KL者D1，2，3，4，5导航竿应用81军事演应用（1）信息战时代GP条S技术构筑立体战争暗新体嚼系（2）21世纪法信息狭战822、多元板化空耗间资矩源环馆境的已出现目前愚，GP筋S，GL寸ON旦AS孝S，Ga司li赢le程o等系风统都炕具备够了导门航定残位的浸功能屋，形婶成了仇多元仰化