GPS原理及其應用 第一章 緒論

1、1GPS原理及其應用2教材及參考文獻教材李征航、黃勁松編著，GPS測量與數(shù)據(jù)處理，武漢大學出版社，2010參考文獻周忠謨等，GPS衛(wèi)星測量原理與應用，測繪出版社，1997劉基余，GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法，科學出版社，20033第一章緒 論1.1 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展1.2 美國政府的GPS政策1.3 其它衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)概況41.1 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展5導航與定位6導航與定位空間位置與運動定位導航獲取運動載體的空間位置，并控制載體從一點到另一點的運動的過程( X,Y,Z )7原始的導航定位方法利用天體進行定向日、月及特定的星體和星座利用自然景觀高山、河流利用自然現(xiàn)象樹木與植物的生

2、長態(tài)勢利用人造器械指南針（羅盤）利用人工建筑烽火臺、燈塔8近現(xiàn)代的導航定位方法 (1)天文導航如六分儀（18世紀）地面方法導航系統(tǒng)或儀器地基無線電導航系統(tǒng)慣導系統(tǒng)地面測量儀器尺：銦鋼尺光學儀器：經(jīng)緯儀，水準儀電磁波或激光儀器：測距儀綜合多種技術的儀器：全站儀JYL-1 雷達六分儀索佳銦鋼尺9近現(xiàn)代的導航定位方法 (2)衛(wèi)星導航利用星載無線電信標進行導航定位，即星基無線電導航TRANSITGPS10子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性11子午衛(wèi)星系統(tǒng)的建立1957年10月4日，sputnik-1衛(wèi)星成功發(fā)射吉爾與魏芬巴哈博士利用地面測得的sputnik-1衛(wèi)星的多普勒頻移資料對該衛(wèi)星進行了精密定軌麥克盧爾與克

3、什納博士提出了利用多普勒測量進行定位的思想1958年，受美國海軍委托，由克什納博士領導開始子午衛(wèi)星系統(tǒng)的研究1964年1月，子午衛(wèi)星系統(tǒng)建立并投入軍用1967年7月，子午衛(wèi)星系統(tǒng)解密并提供民用Sputnik-1衛(wèi)星John Hopkins大學12子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（1）名稱NNSS Navy Navigation Satellite System（海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)）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)）13子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（2）空間部分衛(wèi)星星座6顆衛(wèi)星6個極軌道面軌道高度1075km衛(wèi)星信號頻率1：4.9996MHz 30 = 149.988MHz頻率2：4.9996M

4、Hz 80 = 399.968MHz星歷（廣播星歷）子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座14子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（3）地面控制部分跟蹤站計算中心注入站控制中心海軍天文臺用戶部分多普勒接收機大地測量多普勒接收機 - 1（MX1502）大地測量多普勒接收機 - 2（CMA751）15子午衛(wèi)星系統(tǒng)概況（4）定位及時間同步精度（單次衛(wèi)星通過）定位：約200m時間同步：約50ms16子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（1）多普勒效應Doppler頻移17子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（2）多普勒計數(shù)對于電磁波令則從而多普勒計數(shù)Doppler頻移18子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（3）定位的觀測值定位原理雙曲定位雙曲線19子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（4）t

5、1、t2 時刻衛(wèi)星在空間的位置S1 、S2 可據(jù)衛(wèi)星星歷求得，那么我們就能以S1 和S2 為焦點作出一個旋轉雙曲面，該雙曲面上任意一點至這兩個焦點的距離之差恒等于 D2-D1。顯然用戶必定位于該旋轉雙曲面上。多普勒定位示意圖120子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（5）如果我們繼續(xù)在時間段t2,t3 內(nèi)進行多普勒測量，求得距離差 D3-D2,，就能按照上述方法作出第二個旋轉雙曲面。多普勒定位示意圖221子午衛(wèi)星系統(tǒng)的工作原理（6） 在時間段t3,t4 內(nèi)進行多普勒測量，求得距離差 D4-D3,則作出第三個旋轉雙曲面,從而交出用戶在空間的位置。多普勒定位示意圖322子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（1）一次定位時間過長

6、原因存在一個對同一衛(wèi)星信號的多普勒計數(shù)進行時間積分的過程為獲得良好的幾何圖形，通常需要觀測一次完整的衛(wèi)星通過（約818min）引發(fā)問題無法為高動態(tài)用戶服務為縮短定位時間，采用低軌道衛(wèi)星，從而又帶來衛(wèi)星定軌上的難度對于低動態(tài)用戶，仍需進行位置歸算，從而影響導航定位的精度23 首尾兩個焦點與地面測站之間所構成的夾角也應足夠大，以便能組成較好的幾何圖形。24子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（2）無法進行連續(xù)定位原因衛(wèi)星數(shù)少不同衛(wèi)星采用相同頻率的信號引發(fā)問題兩次衛(wèi)星通過的平均間隔長（中低緯度地區(qū)約1.5h）相鄰軌道衛(wèi)星信號可能相互干擾，導致有時必須關閉其中一顆衛(wèi)星的信號25子午衛(wèi)星系統(tǒng)的局限性（3）對測量帶來的不

7、利影響觀測時間偏長，作業(yè)效率偏低（需要50100次衛(wèi)星通過,耗時約1周）定位精度偏低原因鐘的穩(wěn)定度偏低信號頻率偏低軌道高度偏低26全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展27全球定位系統(tǒng)概況建立國家美國名稱Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System （ NAVSTAR GPS ）衛(wèi)星星座設計方案：24顆GPS衛(wèi)星載波信號L1, L2信號調制載波信號上調制有測距碼與導航電文系統(tǒng)基本功能定位、測速、授時GPS28全球定位系統(tǒng)的基本定位方式單點定位29全球定位系統(tǒng)的建立（1）前期準備美國海軍Timation計劃始于1964年利用衛(wèi)星播

8、發(fā)的精確時間參考信號進行測距和時間傳遞Timation-1 (1967), Timation-2 (1969),搭載石英鐘NTS-1(1974)搭載2臺銣鐘, NTS-2 (1977)搭載銫鐘美國空軍621B計劃采用偽隨機噪聲（PRN-Pseudo Random Noise）碼進行距離測量在1968年到1971年間利用飛機進行試驗30全球定位系統(tǒng)的建立（2）項目開展1973年，美國國防部成立聯(lián)合工作辦公室JPO (Joint Program Office)，提出了NAVSTAR/GPS項目方案1973年12月17日，正式批準NAVSTAR/GPS項目1978年2月22日，第一顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)

9、射成功1989年2月14日，第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功1991年，海灣戰(zhàn)爭中GPS首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)1993年12月8日，宣布系統(tǒng)具有IOC（Initial Operational Capability）能力1995年4月27日，宣布系統(tǒng)具有FOC（Full Operational Capability）能力311.2 美國政府的GPS政策 32SPS與PPSSPS 標準定位服務使用C/A碼，民用精度（ 2DRMS ，實施SA）水平：100 m垂直：150-170 m測時：340 nsPPS精密定位服務可使用P碼,軍用精度（ 2DRMS)水平: 22 m垂直: 27.7 m測時: 200 n

10、s33SA（1）名稱SA（ Selective Availability ），選擇可用性制定目的降低民用定位精度實施方法技術：在廣播星歷中人為加入誤差,降低星歷精度技術：衛(wèi)星鐘加高頻抖動實施時間1990.3.252000.5.134SA （2）SA的影響35AS名稱Anti-Spoofing, 反電子欺騙制定目的防止敵方對GPS信號進行電子欺騙和電子干擾實施方法在P碼上加上嚴格保密的W碼, 產(chǎn)生完全保密的Y碼實施時間1994.1.31影響非特許用戶無法使用Y碼增加L2載波相位測量的難度36美國GPS政策的新變化終止SA2000年5月2日4時 (UTC)進行GPS現(xiàn)代化L2上增加L2C碼, 增加

11、第三民用頻率L5，改善服務質量, 提高系統(tǒng)完備性增加軍隊專用碼(M碼), 與民用碼分開增強衛(wèi)星信號強度, 增加抗電子干擾能力軍用接收機具有更好的保護裝置和快速初始化能力使用新技術防止敵方干擾或使用371.3其他衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)的概況38GLONASS （1）GLONASS Global Navigation Satellite System（全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)）開發(fā)者俄羅斯（前蘇聯(lián)）系統(tǒng)構成衛(wèi)星星座地面控制部分用戶設備39GLONASS與GPS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

12、期（恒星時）11h15min12h衛(wèi)星信號的區(qū)分FDMACDMAL1頻率16021615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率12461256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHzGLONASS （2）40GLONASS （3）衛(wèi)星運行狀況從1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星起，至今共發(fā)射了80余顆衛(wèi)星。由于衛(wèi)星壽命過短，加之俄羅斯前一段時間經(jīng)濟狀況欠佳，無法及時補充新衛(wèi)星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作。到2010年11月9日,GLONASS系統(tǒng)共有26顆衛(wèi)星在軌，其中工作衛(wèi)星有19顆(http:/www.glonass-ianc.rsa.ru/） 。41G

13、alileo （1）伽俐略（Galileo）衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)2002年3月24日歐盟決定研制組建Galileo衛(wèi)星星座27+33個軌道平面衛(wèi)星高度為23616km軌道傾角為56信號頻率E5a, E5b, Eb, E2-L1-E1服務模式公開服務 （公開）安全服務 （公開）商業(yè)服務 （特許）政府服務 （特許）the Galileo satellite constellation 42Galileo （2）運行狀況GlOVE-A (2005.12.28)GIOVE-B (2008.04.25)P28GIOVE A GIOVE B /esaNA/galileo.html: 1. GIOVE-A sa

14、tellite orbit raised (18 September 2009)GIOVE-A, the first Galileo test satellite in orbit, has been moved to a higher orbit to ensure that it does not cross the operational Galileo constellations orbits for more than 100 years.2. Galileo IOV launch services contract signed (16 June 2009)Yesterday a

15、t the Paris Air Show in Le Bourget, ESA and Arianespace signed a contract for the launch of the first four operational Galileo satellites on two Soyuz launch vehicles from Europes Spaceport in French Guiana. The four IOV satellites will be placed in a circular orbit at an altitude of 23600km by the

16、end of 2010. 43中國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) （1） 概況我國獨立研制的區(qū)域性的有源衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)系統(tǒng)由兩顆衛(wèi)星組成，又稱雙星系統(tǒng)2000年10月31日發(fā)射第一顆試驗衛(wèi)星2000年12月20日發(fā)射第二顆試驗衛(wèi)星2003年5月25第三顆北斗試驗衛(wèi)星也被送入預定軌道44北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) （2）系統(tǒng)組成空間部分23顆GEO衛(wèi)星地面部分以地面控制中心站為主北斗用戶終端45P32北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) （4）定位的基本思想由兩顆GEO衛(wèi)星對用戶雙向測距由1個配有電子高程圖庫的地面中心站進行位置計算定位由用戶終端向地面中心站發(fā)出請求, 中心站對其進行位置解算后將定位信息發(fā)送給該用戶46北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)

17、（5）定位原理 (三球交會)以兩顆衛(wèi)星的已知坐標為圓心,各自到用戶的距離為半徑,形成兩個球面中心站電子高程圖庫提供的是一個以地心為球心, 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,并已知目標在赤道北側,即可獲得用戶的二維位置信息47北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng) （3）測距流程地面中心站對一顆BD衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送C波段的載波(詢問信號)衛(wèi)星將詢問信號擴頻、放大并轉發(fā)用戶終端接收訊問信號，注入必要信息并向兩顆BD衛(wèi)星發(fā)射作為應答兩顆衛(wèi)星接收到應答信號并轉發(fā)到地面中心站地面中心站處理接收到的應答信號并處理把處理好的信號經(jīng)衛(wèi)星發(fā)送到用戶終端用戶終端接收到所需信息48中國新一代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)北斗二代（COMPASS）區(qū)域性衛(wèi)星導航系統(tǒng)星座：12顆衛(wèi)星（GEO+IGSO+MEO）預計