《GPS原理及其應(yīng)用》本科全冊(cè)配套完整教學(xué)課件

1、 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院測(cè)繪學(xué)院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組GPSGPS原理及其應(yīng)用本科原理及其應(yīng)用本科全冊(cè)配套完整教學(xué)課件全冊(cè)配套完整教學(xué)課件1 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院測(cè)繪學(xué)院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組2GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用3教材及參考文獻(xiàn)教材及參考文獻(xiàn) 教材教材 李征航、黃勁松編著，李征航、黃勁松編著，GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理，測(cè)量與數(shù)據(jù)處理，武漢大學(xué)出版社，武漢大學(xué)出版社，2010 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 周忠謨等，周忠謨等，GPS衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用，測(cè)繪出衛(wèi)星測(cè)量原理與應(yīng)用，測(cè)繪出版社，版社，1997

2、劉基余，劉基余，GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法，科學(xué)衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法，科學(xué)出版社，出版社，2003GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用4第一章第一章緒緒 論論 1.1 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展 1.2 美國(guó)政府的美國(guó)政府的GPS政策政策 1.3 其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)概況其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)概況GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用51.1 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用6導(dǎo)航與定位導(dǎo)航與定位GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用7導(dǎo)航與定位導(dǎo)航與定位 空間位置與運(yùn)動(dòng)空間位置與運(yùn)動(dòng) 定位定位 導(dǎo)航導(dǎo)航 獲取運(yùn)動(dòng)載體的空間位置，獲取運(yùn)動(dòng)載體的空

3、間位置，并控制載體從一點(diǎn)到另一并控制載體從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)的過程點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)的過程( X,Y,Z )GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用8原始的導(dǎo)航定位方法原始的導(dǎo)航定位方法 利用天體進(jìn)行定向利用天體進(jìn)行定向 日、月及特定的星體和星座日、月及特定的星體和星座 利用自然景觀利用自然景觀 高山、河流高山、河流 利用自然現(xiàn)象利用自然現(xiàn)象 樹木與植物的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)樹木與植物的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì) 利用人造器械利用人造器械 指南針（羅盤）指南針（羅盤） 利用人工建筑利用人工建筑 烽火臺(tái)、燈塔烽火臺(tái)、燈塔GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用9近現(xiàn)代的導(dǎo)航定位方法近現(xiàn)代的導(dǎo)航定位方法 (1) 天文導(dǎo)航天文導(dǎo)航 如六分儀（如六分儀（18世

4、紀(jì)）世紀(jì)） 地面方法地面方法 導(dǎo)航系統(tǒng)或儀器導(dǎo)航系統(tǒng)或儀器 地基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)地基無線電導(dǎo)航系統(tǒng) 慣導(dǎo)系統(tǒng)慣導(dǎo)系統(tǒng) 地面測(cè)量?jī)x器地面測(cè)量?jī)x器 尺：銦鋼尺尺：銦鋼尺 光學(xué)儀器：經(jīng)緯儀，水準(zhǔn)儀光學(xué)儀器：經(jīng)緯儀，水準(zhǔn)儀 電磁波或激光儀器：測(cè)距儀電磁波或激光儀器：測(cè)距儀 綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀JYL-1 雷達(dá)雷達(dá)六分儀六分儀索佳銦鋼尺索佳銦鋼尺GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用10近現(xiàn)代的導(dǎo)航定位方法近現(xiàn)代的導(dǎo)航定位方法 (2) 衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星導(dǎo)航 利用星載無線電信標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航定位，即星基無利用星載無線電信標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航定位，即星基無線電導(dǎo)航線電導(dǎo)航TRANSITGPSGPS原理及其

5、應(yīng)用原理及其應(yīng)用11子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用12子午衛(wèi)星系統(tǒng)的建立子午衛(wèi)星系統(tǒng)的建立 1957年年10月月4日，日，sputnik-1衛(wèi)星成功發(fā)衛(wèi)星成功發(fā)射射 吉爾與魏芬巴哈博士利用地面測(cè)得的吉爾與魏芬巴哈博士利用地面測(cè)得的sputnik-1衛(wèi)星的多普勒頻移資料對(duì)該衛(wèi)星的多普勒頻移資料對(duì)該衛(wèi)星進(jìn)行了精密定軌衛(wèi)星進(jìn)行了精密定軌 麥克盧爾與克什納博士提出了利用多麥克盧爾與克什納博士提出了利用多普勒測(cè)量進(jìn)行定位的思想普勒測(cè)量進(jìn)行定位的思想 1958年，受美國(guó)海軍委托，由克什納年，受美國(guó)海軍委托，由克什納博士領(lǐng)導(dǎo)開始子午衛(wèi)星系統(tǒng)的研究博士領(lǐng)導(dǎo)開始子午衛(wèi)

6、星系統(tǒng)的研究 1964年年1月，子午衛(wèi)星系統(tǒng)建立并投入月，子午衛(wèi)星系統(tǒng)建立并投入軍用軍用 1967年年7月，子午衛(wèi)星系統(tǒng)解密并提供月，子午衛(wèi)星系統(tǒng)解密并提供民用民用Sputnik-1衛(wèi)星衛(wèi)星John Hopkins大學(xué)大學(xué)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用13子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（1） 名稱名稱 NNSS Navy Navigation Satellite System（海軍（海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)）導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)） 由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用14子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（子午衛(wèi)星系

7、統(tǒng)概況（2） 空間部分空間部分 衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座 6顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星 6個(gè)極軌道面?zhèn)€極軌道面 軌道高度軌道高度1075km 衛(wèi)星信號(hào)衛(wèi)星信號(hào) 頻率頻率1：4.9996MHz 30 = 149.988MHz 頻率頻率2：4.9996MHz 80 = 399.968MHz 星歷（廣播星歷）星歷（廣播星歷）子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座子午衛(wèi)星星座GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用15子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（3） 地面控制部分地面控制部分 跟蹤站跟蹤站 計(jì)算中心計(jì)算中心 注入站注入站 控制中心控制中心 海軍天文臺(tái)海軍天文臺(tái) 用戶部分用戶部分 多普勒接收機(jī)多普勒接收機(jī)大地測(cè)量多普勒接收機(jī)大地測(cè)量多普

8、勒接收機(jī) - 1（MX1502）大地測(cè)量多普勒接收機(jī)大地測(cè)量多普勒接收機(jī) - 2（CMA751）GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用16子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（4） 定位及時(shí)間同步精度（單次衛(wèi)星通過）定位及時(shí)間同步精度（單次衛(wèi)星通過） 定位：約定位：約200m 時(shí)間同步：約時(shí)間同步：約50msGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用17子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（1） 多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)coswaveRSwaveVffVV Doppler頻移頻移GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用18子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（2） 多普勒計(jì)數(shù)多普勒計(jì)數(shù) 對(duì)于電磁波對(duì)于電磁波

9、令令 則則 從而從而 多普勒計(jì)數(shù)多普勒計(jì)數(shù)1(1)RSscffD fcDc22110002121()()()()()ttRssRttssNffdtffffdtfffttDDccosdDVDdt ssRfffDc Doppler頻移頻移GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用19子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（3） 定位的觀測(cè)值定位的觀測(cè)值 定位原理定位原理 雙曲定位雙曲定位21021021()()()()sssscDDNffttNffttf雙曲線雙曲線GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用20子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（4） t1、t2 時(shí)刻衛(wèi)星在空間時(shí)刻衛(wèi)星在空間的位置的位

10、置S1 、S2 可據(jù)衛(wèi)星可據(jù)衛(wèi)星星歷求得，那么我們就星歷求得，那么我們就能以能以S1 和和S2 為焦點(diǎn)作出為焦點(diǎn)作出一個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面，該雙一個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面，該雙曲面上任意一點(diǎn)至這兩曲面上任意一點(diǎn)至這兩個(gè)焦點(diǎn)的距離之差恒等個(gè)焦點(diǎn)的距離之差恒等于于 D2-D1。顯然用戶必。顯然用戶必定位于該旋轉(zhuǎn)雙曲面上。定位于該旋轉(zhuǎn)雙曲面上。多普勒定位示意圖多普勒定位示意圖1GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用21子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（5） 如果我們繼續(xù)在如果我們繼續(xù)在時(shí)間段時(shí)間段tt2 2,t,t3 3 內(nèi)進(jìn)行多普勒測(cè)內(nèi)進(jìn)行多普勒測(cè)量，求得距離差量，求得距離差 D D3 3-D-D2,2,，就能

11、按，就能按照上述方法作出照上述方法作出第二個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲第二個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面。面。多普勒定位示意圖多普勒定位示意圖2GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用22子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（6） 在時(shí)間段在時(shí)間段tt3 3,t,t4 4 內(nèi)進(jìn)行多普勒測(cè)內(nèi)進(jìn)行多普勒測(cè)量，求得距離差量，求得距離差 D D4 4-D-D3 3, ,則作出第則作出第三個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面三個(gè)旋轉(zhuǎn)雙曲面, ,從而交出用戶在從而交出用戶在空間的位置?？臻g的位置。多普勒定位示意圖多普勒定位示意圖3GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用23子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（1） 一次定位時(shí)間過長(zhǎng)一次定位時(shí)間過長(zhǎng) 原因原因 存在一個(gè)

12、對(duì)同一衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移進(jìn)行時(shí)間積分存在一個(gè)對(duì)同一衛(wèi)星信號(hào)的多普勒頻移進(jìn)行時(shí)間積分的過程的過程 為獲得良好的幾何圖形，通常需要觀測(cè)一次完整的衛(wèi)為獲得良好的幾何圖形，通常需要觀測(cè)一次完整的衛(wèi)星通過（約星通過（約818min） 引發(fā)問題引發(fā)問題 無法為高動(dòng)態(tài)用戶服務(wù)無法為高動(dòng)態(tài)用戶服務(wù) 為縮短定位時(shí)間，采用低軌道衛(wèi)星，從而又帶來衛(wèi)星為縮短定位時(shí)間，采用低軌道衛(wèi)星，從而又帶來衛(wèi)星定軌上的難度定軌上的難度 對(duì)于低動(dòng)態(tài)用戶，仍需進(jìn)行位置歸算，從而影響導(dǎo)航對(duì)于低動(dòng)態(tài)用戶，仍需進(jìn)行位置歸算，從而影響導(dǎo)航定位的精度定位的精度GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用24u 首尾兩個(gè)焦點(diǎn)與地面測(cè)站之間所構(gòu)成的夾角也首尾兩

13、個(gè)焦點(diǎn)與地面測(cè)站之間所構(gòu)成的夾角也應(yīng)足夠大，以便能組成較好的幾何圖形。應(yīng)足夠大，以便能組成較好的幾何圖形。GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用25子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（2） 無法進(jìn)行連續(xù)定位無法進(jìn)行連續(xù)定位 原因原因 衛(wèi)星數(shù)少衛(wèi)星數(shù)少 不同衛(wèi)星采用相同頻率的信號(hào)不同衛(wèi)星采用相同頻率的信號(hào) 引發(fā)問題引發(fā)問題 兩次衛(wèi)星通過的平均間隔長(zhǎng)（中低緯度地區(qū)約兩次衛(wèi)星通過的平均間隔長(zhǎng)（中低緯度地區(qū)約1.5h） 相鄰軌道衛(wèi)星信號(hào)可能相互干擾，導(dǎo)致有時(shí)必須關(guān)閉相鄰軌道衛(wèi)星信號(hào)可能相互干擾，導(dǎo)致有時(shí)必須關(guān)閉其中一顆衛(wèi)星的信號(hào)其中一顆衛(wèi)星的信號(hào)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用26子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（

14、子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（3） 對(duì)測(cè)量帶來的不利影響對(duì)測(cè)量帶來的不利影響 觀測(cè)時(shí)間偏長(zhǎng)，作業(yè)效率偏低（需要觀測(cè)時(shí)間偏長(zhǎng)，作業(yè)效率偏低（需要50100次次衛(wèi)星通過衛(wèi)星通過,耗時(shí)約耗時(shí)約1周）周） 定位精度偏低定位精度偏低 原因原因 鐘的穩(wěn)定度偏低鐘的穩(wěn)定度偏低 信號(hào)頻率偏低信號(hào)頻率偏低 軌道高度偏低軌道高度偏低 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院測(cè)繪學(xué)院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組27GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用28全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用29全球定位系統(tǒng)概況全球定位系統(tǒng)概況 建立國(guó)家建立國(guó)家 美國(guó)美

15、國(guó) 名稱名稱 Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System （ NAVSTAR GPS ） 衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座 設(shè)計(jì)方案：設(shè)計(jì)方案：24顆顆GPS衛(wèi)星衛(wèi)星 載波信號(hào)載波信號(hào) L1, L2 信號(hào)調(diào)制信號(hào)調(diào)制 載波信號(hào)上調(diào)制有測(cè)距碼與導(dǎo)航電文載波信號(hào)上調(diào)制有測(cè)距碼與導(dǎo)航電文 系統(tǒng)基本功能系統(tǒng)基本功能 定位、測(cè)速、授時(shí)定位、測(cè)速、授時(shí)GPSGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用30全球定位系統(tǒng)的基本定位方式全球定位系統(tǒng)的基本定位方式 單點(diǎn)定位單點(diǎn)定位(, ,)X Y ZGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用31全球定位系統(tǒng)的建立（全球定位

16、系統(tǒng)的建立（1） 前期準(zhǔn)備前期準(zhǔn)備 美國(guó)海軍美國(guó)海軍Timation計(jì)劃計(jì)劃 始于始于1964年年 利用衛(wèi)星播發(fā)的精確時(shí)間參考信號(hào)進(jìn)行測(cè)距和時(shí)間傳利用衛(wèi)星播發(fā)的精確時(shí)間參考信號(hào)進(jìn)行測(cè)距和時(shí)間傳遞遞 Timation-1 (1967), Timation-2 (1969),搭載石英鐘搭載石英鐘 NTS-1(1974)搭載搭載2臺(tái)銣鐘臺(tái)銣鐘, NTS-2 (1977)搭載銫鐘搭載銫鐘 美國(guó)空軍美國(guó)空軍621B計(jì)劃計(jì)劃 采用偽隨機(jī)噪聲（采用偽隨機(jī)噪聲（PRN-Pseudo Random Noise）碼進(jìn)）碼進(jìn)行距離測(cè)量行距離測(cè)量 在在1968年到年到1971年間利用飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)觊g利用飛機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)G

17、PS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用32全球定位系統(tǒng)的建立（全球定位系統(tǒng)的建立（2） 項(xiàng)目開展項(xiàng)目開展 1973年，美國(guó)國(guó)防部成立聯(lián)合工作辦公室年，美國(guó)國(guó)防部成立聯(lián)合工作辦公室JPO (Joint Program Office)，提出了，提出了NAVSTAR/GPS項(xiàng)目方案項(xiàng)目方案 1973年年12月月17日，正式批準(zhǔn)日，正式批準(zhǔn)NAVSTAR/GPS項(xiàng)目項(xiàng)目 1978年年2月月22日，第一顆日，第一顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功 1989年年2月月14日，第一顆日，第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功工作衛(wèi)星發(fā)射成功 1991年，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中年，海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中GPS首次大規(guī)模用于實(shí)戰(zhàn)首次大規(guī)模用于實(shí)戰(zhàn)

18、1993年年12月月8日，宣布系統(tǒng)具有日，宣布系統(tǒng)具有IOC（Initial Operational Capability）能力）能力 1995年年4月月27日，宣布系統(tǒng)具有日，宣布系統(tǒng)具有FOC（Full Operational Capability）能力）能力GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用331.2 美國(guó)政府的美國(guó)政府的GPS政策政策 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用34SPS與與PPS SPS 標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù) 使用使用C/A碼，民用碼，民用 精度（精度（ 2DRMS ，實(shí)施，實(shí)施SA） 水平：水平：100 m 垂直：垂直：150-170 m 測(cè)時(shí)：測(cè)時(shí)：340 ns PPS 精密

19、定位服務(wù)精密定位服務(wù) 可使用可使用P碼碼,軍用軍用 精度（精度（ 2DRMS) 水平水平: 22 m 垂直垂直: 27.7 m 測(cè)時(shí)測(cè)時(shí): 200 nsGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用35SA（1） 名稱名稱 SA（ Selective Availability ），選擇可用性），選擇可用性 制定目的制定目的 降低民用定位精度降低民用定位精度 實(shí)施方法實(shí)施方法 技術(shù)：在廣播星歷中人為加入誤差技術(shù)：在廣播星歷中人為加入誤差,降低星歷精度降低星歷精度 技術(shù)：衛(wèi)星鐘加高頻抖動(dòng)技術(shù)：衛(wèi)星鐘加高頻抖動(dòng) 實(shí)施時(shí)間實(shí)施時(shí)間 1990.3.252000.5.1GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用36SA （2） SA

20、的影的影響響GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用37AS 名稱名稱 Anti-Spoofing, 反電子欺騙反電子欺騙 制定目的制定目的 防止敵方對(duì)防止敵方對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行電子欺騙和電子干擾信號(hào)進(jìn)行電子欺騙和電子干擾 實(shí)施方法實(shí)施方法 在在P碼上加上嚴(yán)格保密的碼上加上嚴(yán)格保密的W碼碼, 產(chǎn)生完全保密的產(chǎn)生完全保密的Y碼碼 實(shí)施時(shí)間實(shí)施時(shí)間 1994.1.31 影響影響 非特許用戶無法使用非特許用戶無法使用Y碼碼 增加增加L2載波相位測(cè)量的難度載波相位測(cè)量的難度GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用38美國(guó)美國(guó)GPS政策的新變化政策的新變化 終止終止SA 2000年年5月月2日日4時(shí)時(shí) (UTC) 進(jìn)行進(jìn)行G

21、PS現(xiàn)代化現(xiàn)代化 L2上增加上增加L2C碼碼, 增加第三民用頻率增加第三民用頻率L5，改善服，改善服務(wù)質(zhì)量務(wù)質(zhì)量, 提高系統(tǒng)完備性提高系統(tǒng)完備性 增加軍隊(duì)專用碼增加軍隊(duì)專用碼(M碼碼), 與民用碼分開與民用碼分開 增強(qiáng)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度, 增加抗電子干擾能力增加抗電子干擾能力 軍用接收機(jī)具有更好的保護(hù)裝置和快速初始化軍用接收機(jī)具有更好的保護(hù)裝置和快速初始化能力能力 使用新技術(shù)防止敵方干擾或使用使用新技術(shù)防止敵方干擾或使用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用391.3其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的概況其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的概況GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用40GLONASS （1） GLONASS

22、Global Navigation Satellite System（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)） 開發(fā)者開發(fā)者 俄羅斯（前蘇聯(lián)）俄羅斯（前蘇聯(lián)） 系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成 衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座 地面控制部分地面控制部分 用戶設(shè)備用戶設(shè)備GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用41 GLONASS與與GPS的比較的比較 參 數(shù)GLONASSNAVSTAR GPS系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)213213軌道平面數(shù)36軌道傾角64.8 55軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時(shí)）11h15min12h衛(wèi)星信號(hào)的區(qū)分FDMACDMAL1頻率16021615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率1

23、2461256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHzGLONASS （2）GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用42GLONASS （3） 衛(wèi)星運(yùn)行狀況衛(wèi)星運(yùn)行狀況 從從1982年年10月月12日發(fā)射第一顆日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星起，至今共發(fā)射了衛(wèi)星起，至今共發(fā)射了80余余顆衛(wèi)星。顆衛(wèi)星。 由于衛(wèi)星壽命過短，加之俄羅斯前一段由于衛(wèi)星壽命過短，加之俄羅斯前一段時(shí)間經(jīng)濟(jì)狀況欠佳，無法及時(shí)補(bǔ)充新衛(wèi)時(shí)間經(jīng)濟(jì)狀況欠佳，無法及時(shí)補(bǔ)充新衛(wèi)星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作。星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作。 到到2011年年8月月27日日,GLONASS系統(tǒng)共有系統(tǒng)共有27顆衛(wèi)星在軌，其中工作衛(wèi)星有顆衛(wèi)星在軌，

24、其中工作衛(wèi)星有23顆顆(http:/www.glonass-ianc.rsa.ru/） 。GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用43Galileo （1） 伽俐略（伽俐略（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)）衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 2002年年3月月24日歐盟決定研制組建日歐盟決定研制組建 Galileo衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座 27+3 3個(gè)軌道平面?zhèn)€軌道平面 衛(wèi)星高度為衛(wèi)星高度為23616km 軌道傾角為軌道傾角為56 信號(hào)頻率信號(hào)頻率 E5a, E5b, Eb, E2-L1-E1 服務(wù)模式服務(wù)模式 公開服務(wù)公開服務(wù) （公開）（公開） 安全服務(wù)安全服務(wù) （公開）（公開） 商業(yè)服務(wù)商業(yè)服務(wù) （特許）（特許） 政府服

25、務(wù)政府服務(wù) （特許）（特許）the Galileo satellite constellation altitude 23616 kmSMA 29993.707 kminclination 56 degrees period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 daysG G G GA A L LI IL LE E O OA A L LI IL LE E O OD D A A T TA AD D A A T TA A27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO)Walker 27/3/

26、1ConstellationGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用44Galileo （2） 運(yùn)行狀況運(yùn)行狀況 GlOVE-A (2005.12.28) GIOVE-B (2008.04.25) 兩顆工作衛(wèi)星兩顆工作衛(wèi)星 （2011.10.21） 另兩顆另兩顆IOV衛(wèi)星衛(wèi)星（2012年夏季）年夏季）P28P28GIOVE A GIOVE B IOV GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用45中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （1） 概況概況 我國(guó)獨(dú)立研制的我國(guó)獨(dú)立研制的區(qū)域性區(qū)域性的的有有源源衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 系統(tǒng)由兩顆衛(wèi)星組成，又稱系統(tǒng)由兩顆衛(wèi)星組成，又稱雙星系統(tǒng)雙星系統(tǒng) 2000年

27、年10月月31日發(fā)射第一顆日發(fā)射第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星試驗(yàn)衛(wèi)星 2000年年12月月20日發(fā)射第二顆日發(fā)射第二顆試驗(yàn)衛(wèi)星試驗(yàn)衛(wèi)星 2003年年5月月25第三顆北斗試第三顆北斗試驗(yàn)衛(wèi)星也被送入預(yù)定軌道驗(yàn)衛(wèi)星也被送入預(yù)定軌道GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用46北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （2） 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 空間部分空間部分 23顆顆GEO衛(wèi)星衛(wèi)星 地面部分地面部分 以地面控制中心站為主以地面控制中心站為主 北斗用戶終端北斗用戶終端GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用47P32P32北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （4） 定位的基本思想定位的基本思想(10-21) 由兩顆由兩顆GEO衛(wèi)星對(duì)用戶衛(wèi)星對(duì)用

28、戶雙向測(cè)距雙向測(cè)距 由由1個(gè)配有電子高程圖庫(kù)個(gè)配有電子高程圖庫(kù)的地面中心站進(jìn)行位置的地面中心站進(jìn)行位置計(jì)算計(jì)算 定位由用戶終端向地面定位由用戶終端向地面中心站發(fā)出請(qǐng)求中心站發(fā)出請(qǐng)求, 中心站中心站對(duì)其進(jìn)行位置解算后將對(duì)其進(jìn)行位置解算后將定位信息發(fā)送給該用戶定位信息發(fā)送給該用戶GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用48北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （5） 定位原理定位原理 (三球交會(huì)三球交會(huì)) 以兩顆衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心以兩顆衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心,各自到用戶的距各自到用戶的距離為半徑離為半徑,形成兩個(gè)球面形成兩個(gè)球面 中心站電子高程圖庫(kù)提供的是一個(gè)以地心為球中心站電子高程圖庫(kù)提供的是一個(gè)以地心為球心

29、心, 以球心至地球表面距離為半徑的非均勻球面以球心至地球表面距離為半徑的非均勻球面 求解圓弧線與地球表面交點(diǎn)求解圓弧線與地球表面交點(diǎn),并已知目標(biāo)在赤道并已知目標(biāo)在赤道北側(cè)北側(cè),即可獲得用戶的二維位置信息即可獲得用戶的二維位置信息GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用49北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) （3）測(cè)距流程測(cè)距流程 地面中心站對(duì)一顆地面中心站對(duì)一顆BD衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送C波段的載波波段的載波(詢問信號(hào)詢問信號(hào)) 衛(wèi)星將詢問信號(hào)擴(kuò)頻、放大并轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星將詢問信號(hào)擴(kuò)頻、放大并轉(zhuǎn)發(fā) 用戶終端接收訊問信號(hào)，注入必要信用戶終端接收訊問信號(hào)，注入必要信息并向兩顆息并向兩顆BD衛(wèi)星發(fā)射作為應(yīng)答衛(wèi)星發(fā)射作

30、為應(yīng)答 兩顆衛(wèi)星接收到應(yīng)答信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)到地兩顆衛(wèi)星接收到應(yīng)答信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)到地面中心站面中心站 地面中心站處理接收到的應(yīng)答信號(hào)并地面中心站處理接收到的應(yīng)答信號(hào)并處理處理 把處理好的信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星發(fā)送到用戶終把處理好的信號(hào)經(jīng)衛(wèi)星發(fā)送到用戶終端端 用戶終端接收到所需信息用戶終端接收到所需信息GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用50中國(guó)新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)中國(guó)新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 北斗二代（北斗二代（COMPASS） 區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) 星座：星座：12顆衛(wèi)星顆衛(wèi)星（GEO+IGSO+MEO） 已發(fā)射已發(fā)射11顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星 全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 預(yù)計(jì)預(yù)計(jì)20

31、20年建成年建成 北斗網(wǎng)北斗網(wǎng) http:/ 系統(tǒng)概況系統(tǒng)概況 區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)區(qū)域性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 星座星座:7顆衛(wèi)星（其中顆衛(wèi)星（其中3顆為顆為GEO衛(wèi)星）衛(wèi)星） 2006年開始籌建，預(yù)計(jì)年開始籌建，預(yù)計(jì)2014年投入運(yùn)行年投入運(yùn)行GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用52思考題思考題 1.請(qǐng)查閱相關(guān)資料，結(jié)合課堂內(nèi)容，從定位請(qǐng)查閱相關(guān)資料，結(jié)合課堂內(nèi)容，從定位原理上對(duì)原理上對(duì)Transit系統(tǒng)與系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)進(jìn)行比較，系統(tǒng)進(jìn)行比較，說明第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。說明第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所在。 2.美國(guó)美國(guó)GPS政策經(jīng)歷了怎樣的變化過程？政策經(jīng)歷了怎樣的變化過程？ 3.

32、北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS定位原理有定位原理有何不同？何不同？ 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院測(cè)繪學(xué)院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組53GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用54第二章第二章時(shí)間系統(tǒng)與坐標(biāo)系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)與坐標(biāo)系統(tǒng)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用55時(shí)間系統(tǒng)時(shí)間系統(tǒng)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用56世界時(shí)系統(tǒng)世界時(shí)系統(tǒng) 以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為尺度基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)以地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為尺度基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng) 根據(jù)量測(cè)地球自轉(zhuǎn)時(shí)所選的空間參考點(diǎn)不同，根據(jù)量測(cè)地球自轉(zhuǎn)時(shí)所選的空間參考點(diǎn)不同，分為分為 恒星時(shí)恒星時(shí) 平太陽(yáng)時(shí)平太陽(yáng)時(shí) 世界時(shí)世界時(shí)G

33、PS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用57恒星時(shí)恒星時(shí) 參考點(diǎn)：參考點(diǎn)：春分點(diǎn)春分點(diǎn) 恒星日的定義恒星日的定義 性質(zhì)：地方時(shí)性質(zhì)：地方時(shí) 兩種不同恒星時(shí)兩種不同恒星時(shí) 真恒星時(shí)真恒星時(shí) 對(duì)應(yīng)真春分點(diǎn)對(duì)應(yīng)真春分點(diǎn) GAST, LAST 平恒星時(shí)平恒星時(shí) 對(duì)應(yīng)平春分點(diǎn)對(duì)應(yīng)平春分點(diǎn) GMST, LMSTcosLASTLMSTGASTGMSTGMSTLMSTGASTLAST GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用58真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí)真太陽(yáng)時(shí)與平太陽(yáng)時(shí) 真太陽(yáng)時(shí)真太陽(yáng)時(shí) 真太陽(yáng)日的定義真太陽(yáng)日的定義 真太陽(yáng)時(shí)真太陽(yáng)時(shí)=太陽(yáng)中心相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角太陽(yáng)中心相對(duì)于本地子午圈的時(shí)角+12h 真太陽(yáng)時(shí)不具備作為時(shí)間系統(tǒng)的基本

34、條件真太陽(yáng)時(shí)不具備作為時(shí)間系統(tǒng)的基本條件 平太陽(yáng)時(shí)（平太陽(yáng)時(shí)（Mean Solar Time-MT） 平太陽(yáng)平太陽(yáng) 周年視運(yùn)動(dòng)軌跡位于赤道平面周年視運(yùn)動(dòng)軌跡位于赤道平面 平太陽(yáng)在赤道上的運(yùn)動(dòng)角速度是恒定的平太陽(yáng)在赤道上的運(yùn)動(dòng)角速度是恒定的 平太陽(yáng)時(shí)平太陽(yáng)時(shí) 以平太陽(yáng)中心為參考點(diǎn)建立的時(shí)間系統(tǒng)以平太陽(yáng)中心為參考點(diǎn)建立的時(shí)間系統(tǒng) 平太陽(yáng)日的定義平太陽(yáng)日的定義 平太陽(yáng)時(shí)平太陽(yáng)時(shí)=平太陽(yáng)時(shí)角平太陽(yáng)時(shí)角+12hGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用59世界時(shí)（世界時(shí)（Universal Time-UT） 世界時(shí)世界時(shí) 格林尼治起始子午線處的平太陽(yáng)時(shí)稱為世界時(shí)格林尼治起始子午線處的平太陽(yáng)時(shí)稱為世界時(shí) 時(shí)區(qū)時(shí)區(qū) 全

35、球劃分為全球劃分為24個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)區(qū)（個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)區(qū)（1884，國(guó)際子午線會(huì)議），國(guó)際子午線會(huì)議） 劃分方法劃分方法 區(qū)時(shí)區(qū)時(shí) 在同一時(shí)區(qū)內(nèi)，采用該時(shí)區(qū)中央子午線上的平太陽(yáng)在同一時(shí)區(qū)內(nèi)，采用該時(shí)區(qū)中央子午線上的平太陽(yáng)時(shí)，即區(qū)時(shí)時(shí)，即區(qū)時(shí)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用60UT0、UT1與與UT2 問題的引出問題的引出UT（UT0）不完全均勻）不完全均勻 地球自轉(zhuǎn)速度的不均勻地球自轉(zhuǎn)速度的不均勻 長(zhǎng)期變緩、季節(jié)變化、短周期變化長(zhǎng)期變緩、季節(jié)變化、短周期變化 極移現(xiàn)象極移現(xiàn)象 解決方法解決方法 引入極移改正引入極移改正 再進(jìn)行地球自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性改正再進(jìn)行地球自轉(zhuǎn)速度季節(jié)性改正10UTUT210UTUTTUT

36、T GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用61原子時(shí)（原子時(shí)（Atomic Time-AT） 原始定義原始定義 尺度：尺度： 1967年年10月，第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通月，第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過：位于海平面上的銫過：位于海平面上的銫133（Cs133）原子基態(tài)兩）原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間在零磁場(chǎng)中躍遷輻射振蕩9192631770周所持續(xù)的時(shí)間為周所持續(xù)的時(shí)間為1原子時(shí)秒。原子時(shí)秒。 原點(diǎn)：原本規(guī)定原點(diǎn)：原本規(guī)定AT與與UT在在1958年年1月月1日日0h時(shí)時(shí)相同，但實(shí)際相差相同，但實(shí)際相差0.0039秒，即：秒，即：(AT-UT)1958.0 = -0.0039秒

37、秒 擴(kuò)展定義擴(kuò)展定義 以原子躍遷的穩(wěn)定頻率為時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)。以原子躍遷的穩(wěn)定頻率為時(shí)間基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)。GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用62國(guó)際原子時(shí)（國(guó)際原子時(shí)（ International Atomic Time TAI ） 引入引入 每臺(tái)原子鐘給出的時(shí)間并不嚴(yán)格相同每臺(tái)原子鐘給出的時(shí)間并不嚴(yán)格相同 需要建立一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng)需要建立一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)間系統(tǒng) 建立建立 1971年由國(guó)際時(shí)間局建立年由國(guó)際時(shí)間局建立 現(xiàn)由國(guó)際計(jì)量局（現(xiàn)由國(guó)際計(jì)量局（BIPM）的時(shí)間部門維持）的時(shí)間部門維持 利用全球約利用全球約60個(gè)實(shí)驗(yàn)室的大概個(gè)實(shí)驗(yàn)室的大概240臺(tái)自由運(yùn)轉(zhuǎn)的臺(tái)自由運(yùn)轉(zhuǎn)的原子鐘給出的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理得到

38、原子鐘給出的數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理得到GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用63協(xié)調(diào)世界時(shí)協(xié)調(diào)世界時(shí)( Universal Time Coordinated UTC ) 建立建立 20世紀(jì)世紀(jì)60年代由國(guó)際無線電科學(xué)協(xié)會(huì)建立年代由國(guó)際無線電科學(xué)協(xié)會(huì)建立 定義定義 與與AT秒長(zhǎng)相同秒長(zhǎng)相同 通過跳秒，與通過跳秒，與UT的時(shí)刻差保持在的時(shí)刻差保持在0.9秒內(nèi)（通常在秒內(nèi)（通常在6月月30日日24h或或12月月31日日24h進(jìn)行跳秒）進(jìn)行跳秒）,即即UTC+跳秒跳秒TAI（ ） 類型類型 局部性局部性UTC，如，如UTC (USNO) 全球性全球性UTC，由，由BIPM維持維持 應(yīng)用應(yīng)用 應(yīng)用廣泛，已取代應(yīng)用廣泛，已

39、取代UT成為無線電通信中的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間成為無線電通信中的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間 利用利用IERS公報(bào)中給出的參數(shù)可內(nèi)插任意時(shí)刻的公報(bào)中給出的參數(shù)可內(nèi)插任意時(shí)刻的UT1-UTC，得到，得到UT1 GPS導(dǎo)航電文中給出了導(dǎo)航電文中給出了GPS時(shí)與時(shí)與UTC (USNO)之差之差1STAIUTCnGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用64GPS時(shí)時(shí) 建立建立 由由GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)和衛(wèi)星中的原子鐘建立和維地面監(jiān)控系統(tǒng)和衛(wèi)星中的原子鐘建立和維持的一種原子時(shí)持的一種原子時(shí) 起點(diǎn)為起點(diǎn)為1980年年1月月6日日0h，在該時(shí)刻，在該時(shí)刻GPST與與UTC對(duì)齊對(duì)齊 與其它時(shí)間系統(tǒng)的關(guān)系與其它時(shí)間系統(tǒng)的關(guān)系 TAI-GPST=19s，實(shí)

40、際上，實(shí)際上TAI-GPST=19s+C0 UTC-GPST=n整秒整秒+C0GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用65GLONASS時(shí)時(shí) 采用莫斯科時(shí)，與采用莫斯科時(shí)，與UTC存在存在3h偏差偏差 UTC+3h=GLONASS+C1GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用66坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用67天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系天球坐標(biāo)系與地球坐標(biāo)系 地球坐標(biāo)系與地球體固連在一起且與地球同步運(yùn)地球坐標(biāo)系與地球體固連在一起且與地球同步運(yùn)動(dòng)，以地心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系則稱為地心地固坐標(biāo)動(dòng)，以地心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系則稱為地心地固坐標(biāo)系系 與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，空間固定的坐標(biāo)系稱為慣性坐與地球自轉(zhuǎn)無關(guān)，空間固定的坐

41、標(biāo)系稱為慣性坐標(biāo)系或天球坐標(biāo)系，主要用于描述衛(wèi)星和地球的標(biāo)系或天球坐標(biāo)系，主要用于描述衛(wèi)星和地球的運(yùn)行位置和狀態(tài)運(yùn)行位置和狀態(tài)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用68協(xié)議天球坐標(biāo)系 瞬時(shí)平天球坐標(biāo)系 瞬時(shí)真天球坐標(biāo)系 瞬時(shí)真地球坐標(biāo)系 歲差旋轉(zhuǎn)變換 章動(dòng)旋轉(zhuǎn)變換 極移旋轉(zhuǎn)矩陣 協(xié)議地球坐標(biāo)系 (GAST)zRGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用69極移極移瞬時(shí)極平極yx（x xp p，y yp p）GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用70瞬時(shí)地球坐標(biāo)系與協(xié)議地球坐標(biāo)系瞬時(shí)地球坐標(biāo)系與協(xié)議地球坐標(biāo)系 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換地球質(zhì)心地球質(zhì)心瞬時(shí)極國(guó)際協(xié)議原點(diǎn)CIO瞬時(shí)赤道與零子午線交點(diǎn)協(xié)議赤道與零子午線交點(diǎn)右手系右手系DtCTS

42、ZYXMZYX)()( pXpYyRxRM極移旋轉(zhuǎn)矩陣ZDTZCTSYDTYCTSXCTS 定義定義GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用71ITRS與與ITRF(09-09) ITRS 定義定義 實(shí)現(xiàn)和維持實(shí)現(xiàn)和維持ITRS的大地測(cè)量技術(shù)的大地測(cè)量技術(shù) ITRF 由一組由一組IERS測(cè)站的站坐標(biāo)（空間直角坐標(biāo)）、站坐標(biāo)的測(cè)站的站坐標(biāo)（空間直角坐標(biāo)）、站坐標(biāo)的年變化率及相應(yīng)的地球定向參數(shù)實(shí)現(xiàn)年變化率及相應(yīng)的地球定向參數(shù)實(shí)現(xiàn) IGS的精密星歷采用這一框架的精密星歷采用這一框架 12個(gè)不同版本的個(gè)不同版本的ITRF（ITRF88 ITRF2008） 不同版本不同版本ITRF間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（7參

43、數(shù)模型）參數(shù)模型） 地面站在某一地面站在某一ITRF框架中的坐標(biāo)（框架中的坐標(biāo)（2-37式）式）GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用72WGS84 GPS廣播星歷所使用的坐標(biāo)系統(tǒng)廣播星歷所使用的坐標(biāo)系統(tǒng) 理論上，理論上，WGS84與與ITRS一致一致 采用空間大地坐標(biāo)的形式表示點(diǎn)的位置采用空間大地坐標(biāo)的形式表示點(diǎn)的位置 WGS84的三次精化的三次精化 WGS84 (G730) WGS84 (G873) WGS84 (G1150) 與與ITRF2000符合程度為符合程度為1cmGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用73RDTtXXYYZZZDT (Zt)春分點(diǎn)rOYtXtGASTXDTGGAST：真春分點(diǎn)的格

44、林 尼治恒星時(shí)時(shí)角YDTR(GAST)zR瞬時(shí)天球坐標(biāo)系與瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換瞬時(shí)天球坐標(biāo)系與瞬時(shí)地球坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院測(cè)繪學(xué)院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用75第三章第三章全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)3.1 全球定位系統(tǒng)的組成全球定位系統(tǒng)的組成GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用763.1 全球定位系統(tǒng)的組成全球定位系統(tǒng)的組成GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用77GPS的系統(tǒng)組成的系統(tǒng)組成 GPS系統(tǒng)由三部分組成系統(tǒng)由三部分組成 空間部分空間部分 地面控制部分地面控制部分

45、用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用78GPS的空間部分的空間部分 GPS的空間部分的組成的空間部分的組成 GPS衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分 6個(gè)軌道面 平均軌道高度20200km 軌道傾角55 周期11h 58minGPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用79GPS的空間部分的空間部分全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分 GPS衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座 設(shè)計(jì)

46、星座：設(shè)計(jì)星座：21+3 21顆正式的工作衛(wèi)星顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動(dòng)的備用衛(wèi)星顆活動(dòng)的備用衛(wèi)星 保證在每天保證在每天24小時(shí)的任何時(shí)刻，在小時(shí)的任何時(shí)刻，在高度角高度角15 以以上，能夠同時(shí)觀測(cè)到上，能夠同時(shí)觀測(cè)到4顆以上衛(wèi)星顆以上衛(wèi)星GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用80GPS的空間部分的空間部分全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用81GPS的空間部分的空間部分 GPS衛(wèi)星的地面軌跡衛(wèi)星的地面軌跡全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間

47、部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用82GPS的空間部分的空間部分 GPS衛(wèi)星衛(wèi)星 作用：作用： 接收、存儲(chǔ)導(dǎo)航電文接收、存儲(chǔ)導(dǎo)航電文 生成用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（測(cè)距碼、載波）生成用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（測(cè)距碼、載波） 發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測(cè)發(fā)送用于導(dǎo)航定位的信號(hào)（采用雙相調(diào)制法調(diào)制在載波上的測(cè)距碼和導(dǎo)航電文）距碼和導(dǎo)航電文） 接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作接受地面指令，進(jìn)行相應(yīng)操作 其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測(cè)核暴等。其他特殊用途，如通訊、監(jiān)測(cè)核暴等。 主要設(shè)備主要設(shè)備 太陽(yáng)能電池板太陽(yáng)能電池板 原子鐘（原子鐘（2臺(tái)銫鐘、臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘）臺(tái)銣鐘） 信號(hào)生成與發(fā)射裝置信號(hào)生

48、成與發(fā)射裝置 全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用83 GPS衛(wèi)星（續(xù)）衛(wèi)星（續(xù)） 類型類型 試驗(yàn)衛(wèi)星：試驗(yàn)衛(wèi)星：Block 工作衛(wèi)星：工作衛(wèi)星：Block Block ：存儲(chǔ)星歷能力為：存儲(chǔ)星歷能力為14天，具有天，具有SA和和AS能力能力 Block A （Advanced）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲(chǔ)星歷能）：衛(wèi)星間可相互通訊，存儲(chǔ)星歷能力為力為180天，天，SV35和和SV36帶有激光反射棱鏡帶有激光反射棱鏡 Block R （Replacement/Replenishment）：衛(wèi)星間可相互

49、）：衛(wèi)星間可相互跟蹤相互通訊跟蹤相互通訊 Block F（Follow On）：新一代的）：新一代的GPS衛(wèi)星衛(wèi)星,增設(shè)第三民增設(shè)第三民用頻率用頻率GPS的空間部分的空間部分全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用84GPS的空間部分的空間部分Block IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR不同類型的不同類型的GPS衛(wèi)星衛(wèi)星全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應(yīng)

50、用原理及其應(yīng)用85GPS的空間部分的空間部分 當(dāng)前的衛(wèi)星狀態(tài)當(dāng)前的衛(wèi)星狀態(tài)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分SUBJ: GPS STATUS 26 MAR 20041. SATELLITES, PLANES, AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A. BLOCK I : NONE 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

51、, 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, E2, D1, A2, F2, A4, B3, F5, B2, C3 CLOCK : RB, RB, RB, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, RB, RB, RBGPS原理及其應(yīng)用原理及

52、其應(yīng)用86GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分 （Ground Segment） 組成組成 主控站：主控站：1個(gè)個(gè) 監(jiān)測(cè)站：監(jiān)測(cè)站：6個(gè)個(gè) 注入站：注入站：3個(gè)個(gè) 通訊與輔助系統(tǒng)通訊與輔助系統(tǒng)GPS衛(wèi)星注入站監(jiān)測(cè)站主控站全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用87主控站監(jiān)測(cè)站注入站大西洋太平洋印度洋GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分 （Ground Segment）（續(xù)）（續(xù)） 分布分布全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)

53、 GPS的組成的組成 GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用88GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 主控站（主控站（1個(gè)）個(gè)） 作用：作用： 管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作; 收集各監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星; 監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令； 衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理。 地點(diǎn)：美國(guó)科羅拉多州法爾地點(diǎn)：美國(guó)科羅拉多州法爾孔空軍基地?？卓哲娀?。全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用89GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 監(jiān)測(cè)站

54、監(jiān)測(cè)站 作用：作用：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，采集氣象信息，并將所收集到的并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控?cái)?shù)據(jù)傳送給主控站。站。 地點(diǎn)地點(diǎn) 1997年后，共有年后，共有17個(gè)監(jiān)測(cè)站個(gè)監(jiān)測(cè)站全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用90GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 注入站（注入站（3個(gè)）個(gè)） 作用：作用：將導(dǎo)航電文注入將導(dǎo)航電文注入GPS衛(wèi)星。衛(wèi)星。 地點(diǎn)：地點(diǎn)：阿松森群島（大西阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）加蘭（

55、太平洋）全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的地面監(jiān)控部分的地面監(jiān)控部分 GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用91GPS的用戶部分的用戶部分 組成組成 用戶用戶 接收設(shè)備接收設(shè)備 接收設(shè)備接收設(shè)備 GPS信號(hào)接收機(jī)信號(hào)接收機(jī) 其它儀器設(shè)備其它儀器設(shè)備全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用92GPS的用戶部分的用戶部分 GPS信號(hào)接收機(jī)信號(hào)接收機(jī) 組成組成 天線單元天線單元 帶前置放大器帶前置放大器 接收天線接收天線 接收單元接收單元 信號(hào)通道信號(hào)通道 存儲(chǔ)器

56、存儲(chǔ)器 微處理器微處理器 輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備 電源電源天線單元天線單元接收單元接收單元全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用93GPS的用戶部分的用戶部分 天線單元天線單元 類型類型 單極天線單極天線 微帶天線微帶天線 錐形（螺旋）天線錐形（螺旋）天線 四絲螺旋天線四絲螺旋天線 空間螺旋天線空間螺旋天線 背腔平面盤旋天線背腔平面盤旋天線單極天線微帶天線空間螺旋天線四絲螺旋天線背腔平面盤旋天線GPS天線天線全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的用戶

57、部分的用戶部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用94GPS的用戶部分的用戶部分 天線單元天線單元 天線特性天線特性 相位中心相位中心 平均相位中心與幾何中心平均相位中心與幾何中心 相位中心的偏移相位中心的偏移 相位中心偏移的消除：歸心相位中心偏移的消除：歸心改正、消去法改正、消去法 天線高天線高 標(biāo)志至平均相位中標(biāo)志至平均相位中心所在平面的垂直距離心所在平面的垂直距離L2的平均相位中心12L1的平均相位中心sincosrYYrXX平均相位中心幾何中心平均相位中心幾何中心r1r2HHHHhHRhHHH22R全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的用戶部分

58、的用戶部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用95GPS的用戶部分的用戶部分 接收單元接收單元 接收（信號(hào)）通道接收（信號(hào)）通道 定義：接收機(jī)中用來跟蹤、處理、量測(cè)衛(wèi)星信號(hào)的部件，由無定義：接收機(jī)中用來跟蹤、處理、量測(cè)衛(wèi)星信號(hào)的部件，由無線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。線電元器件、數(shù)字電路等硬件和專用軟件所組成。 類型：根據(jù)信號(hào)跟蹤方式：序貫通道、多路復(fù)用通道和多通道；類型：根據(jù)信號(hào)跟蹤方式：序貫通道、多路復(fù)用通道和多通道；根據(jù)工作原理：碼相關(guān)通道、平方律通道等根據(jù)工作原理：碼相關(guān)通道、平方律通道等 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 微處理器微處理器 作用：數(shù)據(jù)處理、控制作用：數(shù)據(jù)處理、控制 輸入輸出設(shè)備輸

59、入輸出設(shè)備 電源電源前置放大器信號(hào)通道天線觀測(cè)值全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用96GPS的用戶部分的用戶部分信號(hào)通道微處理器輸入輸出存儲(chǔ)器電源全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分 武漢大學(xué)武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院測(cè)繪學(xué)院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用98第三章第三章全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)3.2 載波與測(cè)距碼載波與測(cè)距碼

60、(10-26)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用99GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu)全球定位系統(tǒng)的組成及信號(hào)結(jié)構(gòu) GPS衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用100概述概述 GPS衛(wèi)星信號(hào)的組成部分衛(wèi)星信號(hào)的組成部分 載波（載波（Carrier） L1 L2 測(cè)距碼（測(cè)距碼（Ranging Code） C/A碼（目前只被調(diào)制在碼（目前只被調(diào)制在L1上）上） P(Y)碼（被分別調(diào)制在碼（被分別調(diào)制在L1和和L2上）上） 衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文（衛(wèi)星（導(dǎo)航）電文（Message） GPS衛(wèi)星信號(hào)的生成衛(wèi)星信號(hào)的生成 關(guān)鍵設(shè)備關(guān)鍵設(shè)備 原子鐘原子鐘全球定位系統(tǒng)的組成及