GPS原理及其应用

课程的要求——基本概念的掌握——知识面的拓展课程成绩——闭卷考试70％，平时成绩（作业和提问）30％——主要考核基本概念和基本知识——考核包括简单的计算，无公式推导——考试范围为课程的讲授范围——13周上复习课，14周考试第1页/共83页参考文献——1.徐绍铨等，GPS测量原理及应用，武汉大学出版社，2003——2.周忠谟等，GPS卫星测量原理与应用，测绘出版社，1997——3.刘基余，GPS卫星导航定位原理与方法，科学出版社，2003——4.李征航，空间定位技术及应用，武汉大学出版社，2003第2页/共83页一、绪论（1）二、坐标系统和时间系统（2）三、卫星运动基础及GPS卫星星历（3）四、GPS卫星的导航电文和卫星信号（4）五、GPS卫星定位基本原理（5，6，7）六、GPS卫星导航（8）七、GPS测量的误差来源及其影响（9，10）八、GPS测量的设计与实施（11）九、GPS测量数据处理（12）十、GPS应用（13）内容提要第3页/共83页1.1GPS卫星定位技术的发展一、绪论常规定位方法古人的定位方法利用自然天体定向：日、月、特别的星体利用自然景观、自然现象定向：树木的生长态势，植物的生长态势（如苔藓、年轮）利用人造器械定向：司南，指南针第4页/共83页常规定位方法近、现代的常规定位方法采用的仪器设备尺：铟钢尺光学仪器：经纬仪，水准仪电磁波或激光仪器：测距仪综合多种技术的仪器：全站仪观测值角度或方向观测距离观测天文观测方法第5页/共83页第6页/共83页常规定位方法的局限性需要事先布设大量的地面控制点观测点之间需要保证通视需要修建觇标边长受到限制作业难度大效率低：无用的中间过渡点无法同时精确确定点的三维坐标观测受气候、环境条件限制受系统误差影响大难以确定地心坐标第7页/共83页卫星定位技术产生的必然性提供精确的地心坐标的需要提供全球统一的坐标的需要长距离高精度定位的需要全天候、快速、精确、简便定位方式的需要第8页/共83页早期的卫星定位技术卫星作为光学观测目标子午卫星导航系统（美国）CICADA卫星导航系统（苏联）第9页/共83页子午卫星系统子午卫星系统（NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem）也称为Transit卫星沿着地球子午圈轨道运行，即轨道绕过地球南北极上空，故又成子午卫星系统系统组成空间部分卫星及卫星星座控制部分跟踪站计算中心注入站控制中心海军天文台用户部分接收机卫星星历广播星历精密星历定位方法单点定位联测定位短弧定位第10页/共83页TRANSIT系统卫星：6颗极地轨道轨道高度：1100km信号频率：400MHz、150MHz卫星通过时间间隔：~100min，有时达到10h绝对定位精度：1m相对定位精度：0.1m~0.5m定位原理：多普勒定位第11页/共83页多普勒定位原理多普勒频移与多普勒计数单点定位第12页/共83页多普勒定位对观测时间的要求多普勒计数的时间间隔一般取4.6s，通常合成5～7个4.6s（约0.5min）的长计数为多普勒观测值一颗子午卫星一次通过用户上空时间约10～18min，一次通过可采集20～40次有效观测值以5颗子午卫星计算，低纬度地区每天15次左右的卫星通过，高纬度地区约30次两次卫星通过时间间隔0.8~1.6h，同一颗卫星间隔更长些一台接收机需观测15次合格的卫星通过，单点定位精度10m左右；各测站观测公共的17次合格卫星通过，联测定位精度0.5m左右第13页/共83页问题：子午卫星导航系统存在什么问题？第14页/共83页存在的主要问题：一次定位所需时间过长；卫星少，无法实现连续导航定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。全球定位系统概述美国为军事目的而建立通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理：被动式电磁波测距、距离交会第16页/共83页1.2GPS系统组成什么是全球定位系统全球定位系统GPS的英文全称是NAVigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem（授时与测距导航系统/全球定位系统），简称GPS有时也被称作NAVSTARGPS。根据Wooden1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。第17页/共83页GPS的系统组成由空间部分、地面部分和用户部分等组成第18页/共83页空间部分（SpaceSegment）GPS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6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55

，周期11h58min（地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）保证在24小时，在高度角15°以上，能够同时观测到4至12颗卫星当前星座：28颗第19页/共83页GPS卫星作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双向调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置卫星重量：890kg(BlockⅡ)第20页/共83页GPS卫星类型试验卫星：BlockⅠ(1978~1985)工作卫星：BlockⅡ(1989~)BlockⅡ：存储星历能力为14天，具有SA和AS功能BlockⅡA（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BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率GPS卫星编号：PRN（PseudorandomNoisecode）编号SVN(SpaceVehicleNumber)编号第21页/共83页BlockIIRBlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR第22页/共83页地面监控部分（GroundSegment）主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统第23页/共83页GPS的地面监控部分第24页/共83页主控站管理、协调地面监控系统各部分的工作编算广播星历－轨道参数、卫星钟改正数等调整卫星状态调度卫星监测站对卫星进行跟踪观测记录气象数据将数据传送到主控站注入站向卫星注入导航电文和指令等第25页/共83页用户部分（UserSegment）组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机第26页/共83页GPS信号接收机组成天线单元天线前置放大器接收天线接收单元信号通道（channel）存储器微处理器输入输出设备电源任务按一定高度截止角捕获卫星，跟踪卫星运行对接收到的GPS信号，具有变换、放大、处理功能测量信号传播时间，解译导航电文；实时计算用户位置、速度与时间第27页/共83页美国政府的GPS政策：限制非特许用户利用GPS进行导航定位的能力测距码：P码与C/A码；载波：L1与L2SPS与PPSSPS－标准定位服务（StandardPositioningService）只提供L1载波上的C/A码和导航电文单点实时定位精度：20～40mPPS－精密定位服务（PrecisePositioningSystem）提供L1、L2载波上的P码，L1载波上的C/A码，导航电文和消除SA的密匙单点实时定位精度：5～10m第28页/共83页SA–SelectiveAvailability（选择可用性）技术－在广播星历中加入长周期的干扰技术－在卫星的基准频率（原子钟信号）中加入快速的抖动AS–Anti-Spoofing（反电子欺骗）P+WY自2000年5月1日起，停止实施SA技术第29页/共83页GLONASS系统(GLObalNavigationSatelliteSystem,俄罗斯)

星座组成24颗卫星（21＋3）三个轨道平面每个轨道面上卫星均匀分布轨道高度：19100km轨道倾角：64.8°卫星运行周期：11h15min1995年底建成第30页/共83页GLONASS信号每颗卫星载波频率不同计划调整载波频率，使同轨道上相对的卫星载波频率相同。2005年后L1:1598.0625~1604.2500MHzL2:1242.9375~1247.7500MHz各颗卫星也有C/A码与P码，且不同卫星间相同无SA与AS技术，但不向民用用户提供P码GLONASS单点定位精度平面±20m左右；高程±40m左右（95%）第31页/共83页GALILEO系统(欧洲)

星座组成30颗卫星（27＋3）三个轨道平面轨道高度：23616km轨道倾角：56°Galileo信号根据公开、安全、商业、政府四种服务模式采用不同信号载波频率：L波段（E1,E2,E5a,E5b和E6）第32页/共83页

星座建立计划2004，发射GSTB(GalileoSystemTestBed)试验卫星2005～2006，发射4颗工作卫星，在轨作业试验2008，建立Galileo工作星座第33页/共83页北斗卫星导航系统(中国)

系统组成导航卫星：2颗地球同步卫星（Sat-31/32静地卫星），东经80度与140度上空地面中心站：地面控制中心＋地面数据处理中心定轨观测网：3个以上地面定轨观测站校准站测高站用户发收机系统建成时间：2000年底第34页/共83页定位原理主动式：用户设备既接收也发送信号，地面中心站解算用户位置并告知用户；需要高程约束解算用户位置，且用户不能自己解算坐标。定位精度：平面±20m第35页/共83页1.3GPS在国民经济建设中的应用将在第十章中详细介绍陆地应用海洋应用航空应用航天应用第36页/共83页思考题1：子午卫星系统与GPS定位原理有何区别？思考题2：为什么在卫星原子钟基准频率中加入干扰可以降低定位精度？第37页/共83页二、坐标系统和时间系统天球坐标系与地球坐标系与地球体固连在一起且与地球同步运动的坐标系，其中以地心为原点的坐标系则称为地心地固坐标系另一类是空间固定的坐标系，与地球自转无关，称为惯性坐标系或天球坐标系，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态。第38页/共83页地球坐标系大地坐标系空间直角坐标系天球坐标系天球空间直角坐标系天球球面坐标系第39页/共83页地心空间直角坐标系坐标原点在地球质心，Z轴与地球平均自转轴重合，即指向某一时刻的平均北极点；X轴指向格林尼治平均子午面与赤道面的交点Ge，Y轴与此平面垂直，指向东为正构成右手系。地球坐标系第40页/共83页第41页/共83页地心大地坐标系大地经度B大地纬度L大地高H第42页/共83页第43页/共83页

设P点的大地经度为L，在过P点的子午面上，以子午圈椭圆中心为原点，建立x,y平面直角坐标系。在该坐标系中，P点的位置用L,x,y表示。子午面直角坐标系第44页/共83页大地站心地平坐标系是以测站法线和子午线方向为依据的坐标系。原点位于测站，z轴与该点的法线重合，x轴垂直于z轴指向椭球短轴，y轴垂直于xoz平面，构成左手坐标系。点的坐标可用(x,y,z)或(S,A,Z)表示。站心地平坐标系第45页/共83页地球椭球基本参数及其互相关系

地球椭球是经过适当选择的旋转椭球,旋转椭球的形状和大小常用子午椭圆的五个基本几何参数(或称元素):椭圆的长半轴ａ椭圆的短半轴ｂ椭圆的扁率椭圆的第一偏心率椭圆的第二偏心率

各种地球坐标系间的关系第46页/共83页

克拉索夫斯基椭球体1975国际椭球体ＷGS-84椭球体a6378245.0000000000(m)6378140.0000000000(m)6378137.0000000000(m)b6356863.0187730473(m)6356755.2881575287(m)6356752.3142(m)c6399698.9017827110(m)6399596.6519880105(m)6399593.6258(m)α1/298.31/298.2571/298.257223563ｅ20.0066934216229660.0066943849995880.0066943799013e’２0.0067385254146830.0067395018194730.0067394967422第47页/共83页空间直角坐标同子午面直角坐标系的关系

第48页/共83页空间直角坐标系同大地坐标系的关系

已知大地坐标计算相应空间直角坐标在椭球面上的点：不在椭球面上的点：第49页/共83页已知空间直角坐标计算相应大地坐标第50页/共83页不同空间直角坐标系之间的转换原点相同的两坐标系O-X1Y1Z1和O-X2Y2Z2，通过三次旋转，可实现O-X1Y1Z1到O-X2Y2Z2的变换第51页/共83页第52页/共83页原点不同的两坐标系：三参数、七参数等不同大地坐标系的转换第53页/共83页站心地平直角坐标系与地心直角坐标系转换第54页/共83页第55页/共83页卫星测量常用坐标系天球坐标系基本概念：天球：地球质心为中心，半径任意的假想球体天轴与天极：地球自转轴的延伸为天轴，与天球的交点为天极天球赤道面：过地球质心与天轴垂直的平面天球子午面：包含天轴与天球上任一点的平面黄道：地球公转轨道面与天球相交的大圆黄极：通过天球中心垂直于黄道面的直线与天球的交点春分点：太阳在黄道上从南到北运行时，黄道与天球赤道的交点第56页/共83页第57页/共83页天球空间直角坐标系原点o位于地球质心，z轴指向天球北极，x轴指向春分点，y轴垂直于xoz平面与x和z轴构成右手系天球球面坐标系原点o位于地球质心，赤经为含天轴和春分点的天球子午面与过天体s的天球子午面的夹角；赤纬为原点至s连线与天球赤道面的夹角，向径长度r为原点至s的距离第58页/共83页瞬时极天球坐标系z轴指向瞬时地球自转轴；x轴指向瞬时春分点也称真天球（赤道）坐标系平天球坐标系选某一时刻为标准历元，将此刻地球的瞬时自转轴和地心至瞬时春分点的方向经岁差和章动改正后分别作z轴和x轴的指向，称为标准历元的平天球坐标系也称协议天球坐标系（协议惯性系CIS）J2000.0(TDB时2000年1月1.5日)为标准历元第59页/共83页瞬时极天球坐标系与平天球坐标系的关系岁差：由于地球的实际形状，日月和其它天体引力的影响下，地球自转轴具有周期约25800年绕黄极一周的长周期运动，该运动使得春分点每年约产生50.2“的向西运动章动：地球自转轴所产生的一系列短周期变化被统称为章动第60页/共83页第61页/共83页第62页/共83页地球坐标系瞬时极地球坐标系Z轴指向瞬时地球自转轴；X轴指向瞬时赤道面和格林尼治平子午面的交点协议地球坐标系(CTS)以协议地极（CIO）为基准点不同的机构组织用不同的方法得到不同的CIO瞬时极地球坐标系与协议地球坐标系的关系极移：地球自转轴相对于地球体位置随时间而变化的现象第63页/共83页瞬时极地球坐标系与协议地球坐标系的关系极移：地球自转轴相对于地球体位置随时间而变化的现象极移运动规律：地极坐标系第64页/共83页第65页/共83页WGS-84世界大地坐标系WGS-84是一个协议地球参考系CTS原点是地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协议地极CTP方向，X轴指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系

第66页/共83页WGS-84坐标系统采用的4个基本参数：a=6378137mGM=3986005×108m3s-2C2,0=-484.16685×10-6ω=7292115×10-11rad/s第67页/共83页国际地球自转服务(IERS)的任务：①维持国际天球参考系统(ICRS)和框架(ICRF)；②维持国际地球参考系统(ITRS)和框架(ITRF)；③为当前应用和长期研究提供及时准确的地球自转参数(EOP)。ITRS与ITRF

第68页/共83页国际地球参考系统(ITRS),一种协议地球参考系统：①原点为地心，并且是指包括海洋和大气在内的整个地球的质心；②长度单位为米(m)，并且是在广义相对论框架下的定义；Z轴从地心指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)；④X轴从地心指向格林尼治平均子午面与CTP赤道的交点；⑤Y轴与XOZ平面垂直而构成右手坐标系第69页/共83页国际地球参考框架(ITRF)ITRF是ITRS的具体实现，是通过IERS分布于全球的跟踪站的坐标和速度场来维持并提供用户使用的。IERS每年将全球站的观测数据进行综合处理和分析，得到一个ITRF框架，并以IERS年报和IERS技术备忘录的形式发布。考虑了框架的随时间变化，是一个准四维的坐标系统

IGS精密星历是基于一特定历元的ITRF框架目前最新、精度最ITRF框架是ITRF2000第70页/共83页1954年北京坐标系

地球参心坐标系它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃。相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。缺点：

①

椭球参数有较大误差。

②

参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。④定向不明确第71页/共83页1980年国家大地坐标系

地球参心坐标系特点：

①采用1975年国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)第16届大会上推荐的4个椭球基本参数。地球椭球长半径a=6378140m，地心引力常数GM=3.986005×1014m3/s2,地球重力场二阶带球谐系数J2=1.08263×10-8,地球自转角速度ω=7.292115×10-5rad/s。第72页/共83页②参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。③椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。④

定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点

的方向

⑤

大地原点地处我国中部，位于西安市以北60km处的泾阳县永乐镇，简称西安原点。

⑥

大地高程基准采用1956年黄海高程系

第73页/共83页不同坐标系统的控制点坐标可以通过一定的数学模型，在一定的精度范围内进行互相转换，使用时必须注意所用成果相应的坐标系统。

第74页/共83页高斯平面坐标系、地方独立坐标系第75页/共83页恒星时ST(SiderealTime)平太阳时MT(MeanSolarTime)世界时UT(UniversalTime)原子时TAI(InternationalAtomicTime)协调世界时UTC(CoordinatedUniversalTime)GPS时GPST(GPSTime)时间系统第76页/共83页世界时系统恒星时（SiderealTime-ST）参考点：春分点定义：春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一恒星日，并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单位是一种地方时*有真恒星时（LAST–LocalApparentSiderealTime）与平恒星时（LMST–LocalMeanSiderealTime）之分第77页/共83页平太阳时（MeanSolarTime）参考点：平太阳定义：假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周年运动平均速度，且其在天球赤道上作周年视运动，这个参考点称为平太阳。平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日是一种地方时民用时使用平太阳时的不便之处平太阳时从正午起算，同一白天日期不同民用时（mc）的定义第78页/共83页世界