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1、全球定位系統(tǒng)技術(shù)與應(yīng)用第一講 概論劉旭春北京建筑工程學(xué)院.測量工程系Email: 7/19/20221GPS技術(shù)與應(yīng)用課程概述目標(biāo)：介紹GPS衛(wèi)星測量基本原理及其應(yīng)用課件：PPT課件在學(xué)習(xí)指定教材的基礎(chǔ)上，依據(jù)學(xué)生的興趣和個人能力，學(xué)習(xí)內(nèi)容和形式多樣重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)基本原理的理解和掌握其它要求：網(wǎng)上查閱中英文GPS專業(yè)資料的能力；獨(dú)立完成作業(yè)、嚴(yán)禁拷貝成績評定：平時成績 30%；期末考試70%7/19/20222GPS技術(shù)與應(yīng)用課程重點(diǎn)掌握內(nèi)容歷史、發(fā)展和當(dāng)前狀況坐標(biāo)系統(tǒng)與時間系統(tǒng)衛(wèi)星軌道運(yùn)動 及GPS衛(wèi)星的坐標(biāo)計算GPS衛(wèi)星信號與傳播GPS觀測量、觀測方程及誤差

2、分析絕對（單點(diǎn)）定位原理相對（差分）定位原理GPS測量實施及軟件操作（實習(xí)）GPS應(yīng)用7/19/20223GPS技術(shù)與應(yīng)用第一章 全球定位系統(tǒng)概論全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定義GNSS(global navigation satellite system)通過實時地測定運(yùn)載體在途中行進(jìn)時的位置和速度，引導(dǎo)運(yùn)載體沿一定航線經(jīng)濟(jì)而安全地到達(dá)目的地的技術(shù)。目前主要包括美國的全球定位系統(tǒng)（ global positioning system,GPS)、俄羅斯的格羅納斯系統(tǒng)（GLONASS）、中國的北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)（COMPASS）以及歐盟的伽利略系統(tǒng)（GALILEO）。其中以GPS系統(tǒng)覆蓋范圍最廣泛，技術(shù)最全面

3、，因此本書以GPS為例對全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行介紹。 推算定位天文導(dǎo)航慣性導(dǎo)航無線電導(dǎo)航7/19/20224GPS技術(shù)與應(yīng)用1.1無線電定位原理 基本原理根據(jù)電磁波在理想均勻媒質(zhì)中按直線傳播，且速度為常數(shù)，并在任兩種媒質(zhì)介面上一定產(chǎn)生反射，入射波和反射波同在一鉛垂面內(nèi)的特性，進(jìn)行導(dǎo)航定位。 優(yōu)點(diǎn)因為電磁波的傳播基本上不受晝夜與氣候的限制，也無論距離的遠(yuǎn)近，以及在惡劣氣候與能見度不良的條件下，隨時都可借助各種頻率的無線電信號有效地對空中、海上與地面的各種運(yùn)動載體乃至人進(jìn)行精確定位，并將它（他）們安全、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地由出發(fā)點(diǎn)，沿預(yù)定的航行路線駛達(dá)目的地；而且測量快、精確度高，可靠性也高。缺點(diǎn)電磁波易受

4、外界干擾。 7/19/20225GPS技術(shù)與應(yīng)用無線電導(dǎo)航定位方法 測邊交會法 雙曲線定位 多普勒定位 7/19/20226GPS技術(shù)與應(yīng)用1、測邊交會法 S1S2S3P利用測量待測點(diǎn)到已知點(diǎn)之間的距離，來求得待測點(diǎn)坐標(biāo)的方法就稱為測邊交會法，也稱為Time Of Arrival (TOA)的方式。GPS、GLONASS、GALILEO等均采用此方式定位7/19/20227GPS技術(shù)與應(yīng)用2、雙曲線定位 用戶站TDOA31=t3-t1TDOA21=t2-t1基站3基站1基站2采用Time Difference Of Arrival (TDOA)的方式，其原理是通過檢測無線電波到達(dá)兩個基站的時間

5、差，而不是由到達(dá)的絕對時間來確定待測點(diǎn)的位置。待測點(diǎn)必定位于以兩個基站為焦點(diǎn)的雙曲線方程上，確定待測點(diǎn)的二維位置坐標(biāo)需要建立兩個以上雙曲線方程，兩雙曲線的交點(diǎn)即為待測點(diǎn)的二維位置坐標(biāo)。羅蘭、臺卡等 7/19/20228GPS技術(shù)與應(yīng)用3、多普勒定位 t1t2t3t4P（X, Y, Z）通過測定同一信號發(fā)射源不同間隔時段其信號的多普勒效應(yīng)，從而確定發(fā)射源在各時段相對觀察者的視向速度和視向位移，再利用發(fā)射源所給定的t1、t2、t3、t4時刻的空間坐標(biāo)，結(jié)合對應(yīng)的視向位移則可解算出測站空間坐標(biāo)P（X，Y，Z）。子午衛(wèi)星系統(tǒng)等7/19/20229GPS技術(shù)與應(yīng)用1.2 GPS的發(fā)展歷程 子午衛(wèi)星導(dǎo)航系

6、統(tǒng)（TRANSIT）全球定位系統(tǒng)（GPS）全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GLONASS）雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（北斗一號）伽俐略系統(tǒng)（GAILILEO）1957年10月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星由前蘇聯(lián)成功發(fā)射，是人類致力于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)晶，它使空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，迅速地跨入了一個嶄新的時代。7/19/202210GPS技術(shù)與應(yīng)用一、子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（TRANSIT）子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，又稱多普勒衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它是58年底由美國海軍武器實驗室開始研制，于64年建成的“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（Navy Navigation Satellite System）。這是人類歷史上誕生的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1967年7月

7、該系統(tǒng)由軍方解密供民間使用。此后用戶數(shù)量迅速增長，最多達(dá)9.5萬戶，而軍方用戶最多時只有650個，不足總數(shù)的1%，可見因生產(chǎn)的需要民間用戶遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軍方。7/19/202211GPS技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)組成 衛(wèi)星星座由六顆獨(dú)立軌道的極軌衛(wèi)星組成，軌道傾角i =90；衛(wèi)星運(yùn)行周期為T=107min；衛(wèi)星高度約為H=1075km。地面系統(tǒng)地面設(shè)有4個衛(wèi)星跟蹤站； 1個計算中心；1個控制中心；2個注入站；1個天文臺（海軍天文臺）。 7/19/202212GPS技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn) 定軌精度廣播星歷所預(yù)報的衛(wèi)星位置的切向誤差17m；徑向誤差26m；法向誤差8m。 精密星歷所預(yù)報的衛(wèi)星位置精度為 2m。 衛(wèi)星性能

8、星體直徑約為50公分，衛(wèi)星重量為4573公斤。 衛(wèi)星信號 4.9996MHz基準(zhǔn)鐘頻信號，倍頻30和80倍后，形成149.988MHz和399.968MHz的標(biāo)準(zhǔn)信號。 定位精度利用廣播星歷的單點(diǎn)定位精度約為10m，觀測100次衛(wèi)星通過后的測量數(shù)據(jù)平差解算后，可獲得精度為35m；利用精密星歷觀測40次衛(wèi)星通過的測量數(shù)據(jù)平差解算后，可獲得精度為0.51m；為了消除公共誤差提高定位精度，相對定位的精度為0.5m 。 7/19/202213GPS技術(shù)與應(yīng)用不足之處 一次定位所需時間過長，無法滿足高速用戶的需要一次定位一般需要連續(xù)觀測一顆衛(wèi)星通過的時間約為1518分鐘 衛(wèi)星出現(xiàn)時間間隔過長，無法滿足連

9、續(xù)導(dǎo)航的需要。沒有采用頻分、碼分、時分等多路接收技術(shù)，確定了該系統(tǒng)不能成為連續(xù)導(dǎo)航系統(tǒng)。子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度偏低衛(wèi)星軌道低，信號頻率較低受電離層影響大，衛(wèi)星鐘頻不夠穩(wěn)定 7/19/202214GPS技術(shù)與應(yīng)用二、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GLONASS） 該系統(tǒng)是82年底由前蘇聯(lián)開始承建，期間因蘇聯(lián)解體，幾經(jīng)周折最后由俄羅斯于96年建成全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（Global Navigation Satellite System, GLONASS）。該系統(tǒng)與美國的全球定位系統(tǒng)同屬于第二代衛(wèi)星定位系統(tǒng)。7/19/202215GPS技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)組成 衛(wèi)星星座三個獨(dú)立橢圓軌道的24顆衛(wèi)星組成（另加1顆備用衛(wèi)

10、星），每個軌道分布8顆衛(wèi)星，各軌道升交點(diǎn)赤經(jīng)相差120；軌道偏心率e=0.01；衛(wèi)星軌道傾角i =64.8；衛(wèi)星運(yùn)行周期T=11h15m；衛(wèi)星高度H=19100km；衛(wèi)星設(shè)計使用壽命4.5年，直至2019年衛(wèi)星星座布成，經(jīng)過數(shù)據(jù)加載、調(diào)整和檢驗，已于2019年1月18日整個系統(tǒng)正式運(yùn)轉(zhuǎn)。地面系統(tǒng)1個系統(tǒng)控制中心（在莫斯科區(qū)的Golitsyno-2），1個指令跟蹤站（CTS），整個跟蹤網(wǎng)絡(luò)分布于俄羅斯境內(nèi)。7/19/202216GPS技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn) 衛(wèi)星信號兩種載波信號，L1載波信號16021616MHz ，民用；L2載波信號12461256MHz ，軍用。衛(wèi)星之間的識別方法采用頻分多址（F

11、DMA），L1頻道間隔為0.5625 MHz，L2頻道間隔為0.4375 MHz 。測距粗碼（C/A碼）的碼頻0.511MHz 碼長為511比特，重復(fù)周期為1ms ；精碼P碼， 盡管前蘇聯(lián)嚴(yán)格保密，英國立茨大學(xué)G.R.Lennen博士成功破譯。定位精度水平精度：5070m；垂直精度：75m；測速精度：15cm/s； 授時精度：1s。7/19/202217GPS技術(shù)與應(yīng)用三、雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（北斗一號） 我國已于2000年底（10月31日、12月21日）發(fā)射了兩顆同步靜止定位衛(wèi)星，并完成了大量的測試工作。該系統(tǒng)的第三顆同步靜止定位衛(wèi)星，在2019年5月25日發(fā)射，于6月3日5時順利定點(diǎn)，系統(tǒng)大功

12、告成。 7/19/202218GPS技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)組成 衛(wèi)星星座由3顆同步靜止衛(wèi)星組成（其中1顆在軌備用）；軌道傾角i =0；公轉(zhuǎn)周期T=24h恒星時；軌道高度H=36000km 。 地面系統(tǒng)一個中心站、定軌觀測網(wǎng)、校準(zhǔn)站、測高站7/19/202219GPS技術(shù)與應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)服務(wù)區(qū)域：70145E； 555N用戶設(shè)備：定位收發(fā)機(jī)的瞬間發(fā)射功率較大定位精度：平面精度20m；垂直精度10m 7/19/202220GPS技術(shù)與應(yīng)用定位原理 衛(wèi)星1星下點(diǎn)1星下點(diǎn)2定位圓 1定位圓 2地面中心站衛(wèi)星2地面中心站通過2顆衛(wèi)星傳送測距問詢信號，用戶回復(fù)應(yīng)答信號。地面中心站可根據(jù)用戶的應(yīng)答信號的時差計算出衛(wèi)地

13、距離，這樣以兩顆定位衛(wèi)星為中心以兩個衛(wèi)地距離為半徑可作出兩個定位球。而兩個定位球又和地面交出兩個定位圓，用戶必定位于兩個定位圓相交的兩個點(diǎn)上（這兩個交點(diǎn)一定是以赤道為對稱軸南北對稱的）。地面中心站求出用戶坐標(biāo)后，再根據(jù)坐標(biāo)在地面數(shù)字高程模型中讀出用戶高程，進(jìn)而讓衛(wèi)星轉(zhuǎn)告用戶 。 7/19/202221GPS技術(shù)與應(yīng)用四、伽俐略系統(tǒng)（GAILILEO） 從1994年歐盟開始對伽利略（GAILILEO）系統(tǒng)方案實施論證以來，2000年歐盟已向世界無線電委員會申請并獲準(zhǔn)建立伽利略（GAILILEO）系統(tǒng)的L頻段的頻率資源。2019年3月歐盟15國交通部長一致同意伽利略（GAILILEO）系統(tǒng)的建設(shè)。

14、該系統(tǒng)由歐盟各政府和私營企業(yè)共同投資（36億歐元），是將來精度最高的全開放的新一代衛(wèi)星定位系統(tǒng)。7/19/202222GPS技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)組成 衛(wèi)星星座3個獨(dú)立的圓形軌道，30顆GNSS衛(wèi)星（27顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星）；軌道傾角i =56；公轉(zhuǎn)周期T=14h23m14s；軌道高度H=23616km。地面系統(tǒng)在歐洲建立2個控制中心；在全球構(gòu)建監(jiān)控網(wǎng)。定位精度導(dǎo)航定位精度比目前任何系統(tǒng)都高7/19/202223GPS技術(shù)與應(yīng)用計劃實施 1994年開始進(jìn)入方案論證階段；2019年開始發(fā)射兩顆試驗衛(wèi)星進(jìn)入試驗階段；2019年整個伽利略（GNSS）系統(tǒng)建成并投入使用。7/19/202224GPS技術(shù)

15、與應(yīng)用服務(wù)方式 按不同用戶層次分為免費(fèi)服務(wù)和有償服務(wù)兩種級別。免費(fèi)服務(wù)包括：提供L1頻率基本公共服務(wù)，與現(xiàn)有的GPS民用基本公共服務(wù)信號相似，預(yù)計定位精度為10m。有償服務(wù)包括：提供附加的L2或L5信號，可為民航等用戶提供高可靠性、完好性和高精度的信號服務(wù)。系統(tǒng)定義了三種類型的業(yè)務(wù)： 1. 開放接入業(yè)務(wù)（OAS）：向民用用戶開放的免費(fèi)業(yè)務(wù)2. 一類控制接入業(yè)務(wù)（CAS 1）：為商業(yè)應(yīng)用提供有償服務(wù)。3. 二類控制接入業(yè)務(wù)（CAS 2）：為安全和軍事提供有償服務(wù)。所有這三類服務(wù)的精度都優(yōu)于10m。CAS 2可實現(xiàn)水平4m、垂直16m的定位精度。7/19/202225GPS技術(shù)與應(yīng)用五、全球定位系

16、統(tǒng)（GPS） 全球定位系統(tǒng)的全稱是：導(dǎo)航衛(wèi)星測時測距/全球定位系統(tǒng)（Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System），簡稱GPS。1973年12月，美國國防部批準(zhǔn)陸、海、空三軍聯(lián)合研制第二代的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)（GPS）。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全能性（陸地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、連續(xù)性、實時性的導(dǎo)航、定位和定時等多種功能。能為各類靜止或高速運(yùn)動的用戶迅速提供精密的瞬間三維空間坐標(biāo)、速度矢量和精確授時等多種服務(wù)。 GPS計劃經(jīng)歷了方案論證（19741978年），系統(tǒng)論證

17、（19791987年），試驗生產(chǎn)（19881993年）三個階段，總投資300億美元。7/19/202226GPS技術(shù)與應(yīng)用GPS系統(tǒng)組成7/19/202227GPS技術(shù)與應(yīng)用空間部分 24顆衛(wèi)星 （21顆工作衛(wèi)星+3顆備用衛(wèi)星 ），6個近圓形軌道面，高度約20200km，軌道傾斜55，軌道平面升交點(diǎn)赤經(jīng)相差60 ，周期約11小時58分7/19/202228GPS技術(shù)與應(yīng)用GPS衛(wèi)星發(fā)展歷程空間部分第一代：實驗衛(wèi)星(Block I) 1978-1985共發(fā)射11顆，設(shè)計壽命5年，停止工作第二代 ：Block II 、Block IIA、Block IIR、Block IIF1988-1994年共

18、發(fā)射28顆Block II 、Block IIA第三代 ： Block 下一代工作衛(wèi)星7/19/202229GPS技術(shù)與應(yīng)用BLOCK IBLOCK II/IIA7/19/202230GPS技術(shù)與應(yīng)用BLOCK IIFBLOCK IIR7/19/202231GPS技術(shù)與應(yīng)用地面控制部分1個主控站、5個監(jiān)測站、3個注入站7/19/202232GPS技術(shù)與應(yīng)用用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備主要是GPS接收機(jī)，它由天線前置放大器、信號處理、控制與顯示、記錄和供電單元組成。 7/19/202233GPS技術(shù)與應(yīng)用GPS系統(tǒng)的特點(diǎn) 定位精度高觀測時間短測站間無需通視可提供三維坐標(biāo)操作簡便全天候作業(yè)功能多，應(yīng)用廣7

19、/19/202234GPS技術(shù)與應(yīng)用美國對GPS用戶的限制性政策 標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）和精密定位服務(wù)（PPS）選擇性可用（SA）政策對（SPS）服務(wù)實施干擾反電子欺騙技術(shù)(A-S)對P碼實施加密7/19/202235GPS技術(shù)與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)和精密定位服務(wù)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技術(shù)與應(yīng)用選擇性可用政策（ Selective Availability ，SA）技術(shù)將鐘頻信號加入高頻抖動使C/A碼波長不穩(wěn)定 技術(shù)將廣播星歷的衛(wèi)星軌道參數(shù)加入人為誤差，降低定位精度SA政策1991年7月1日實施，因影響美國商業(yè)利益，于2000年5月2日取消SA政策7/19/202237GPS技術(shù)與應(yīng)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技術(shù)與應(yīng)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