GPS技術(shù)及其應(yīng)用課件

2023/7/23-1衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(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。2023/7/23-1衛(wèi)星無線電導(dǎo)航系統(tǒng)子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（2023/7/23-2一、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)”（NavyNavigationSatelliteSystem）。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。2023/7/23-2一、子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（TRANSIT）2023/7/23-3系統(tǒng)組成衛(wèi)星星座由六顆獨立軌道的極軌衛(wèi)星組成，軌道傾角i=90°；衛(wèi)星運行周期為T=107m；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）。2023/7/23-3系統(tǒng)組成衛(wèi)星星座2023/7/23-4技術(shù)特點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)星性能星體直徑約為50公分，衛(wèi)星重量為45~73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3~5m；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0.5~1m；為了消除公共誤差提高定位精度，相對定位的精度為0.5m。2023/7/23-4技術(shù)特點定軌精度2023/7/23-5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15～18分鐘衛(wèi)星出現(xiàn)時間間隔過長，無法滿足連續(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2023/7/23-5不足之處一次定位所需時間過長，無法滿2023/7/23-6二、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)（GlobalNavigationSatelliteSystem,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)。2023/7/23-6二、全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)（GLONASS）2023/7/23-7系統(tǒng)組成衛(wèi)星星座三個獨立橢圓軌道，的24顆衛(wèi)星組成（另加1顆備用衛(wèi)星），每個軌道分布8顆衛(wèi)星，各軌道升交點赤經(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1995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1996年1月18日整個系統(tǒng)正式運轉(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)。2023/7/23-7系統(tǒng)組成衛(wèi)星星座2023/7/23-8技術(shù)特點衛(wèi)星信號兩種載波信號，L1載波信號1602~1616MHz，民用；L2載波信號1246~1256MHz，軍用。衛(wèi)星之間的識別方法采用頻分多址（FDMA），L1頻道間隔為0.5625MHz，L2頻道間隔為0.4375MHz。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：±50~70m；垂直精度：±75m；測速精度：±15cm/s；授時精度：±1μs。2023/7/23-8技術(shù)特點衛(wèi)星信號2023/7/23-9三、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2003年5月25日發(fā)射，于6月3日5時順利定點，系統(tǒng)大功告成。2023/7/23-9三、雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（北斗一號）我國2023/7/23-10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2023/7/23-10系統(tǒng)組成衛(wèi)星星座2023/7/23-11技術(shù)特點服務(wù)區(qū)域：70°~145°E；5°~55°N用戶設(shè)備：定位收發(fā)機的瞬間發(fā)射功率較大定位精度：平面精度±20m；垂直精度±10m2023/7/23-11技術(shù)特點服務(wù)區(qū)域：2023/7/23-12定位原理衛(wèi)星1☆星下點1☆星下點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上（這兩個交點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。2023/7/23-12定位原理衛(wèi)星1☆星下點1☆星下點22023/7/23-13四、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。2002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)。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)。2023/7/23-13四、伽俐略系統(tǒng)（GAILILEO）2023/7/23-14系統(tǒng)組成衛(wèi)星星座3個獨立的圓形軌道，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2023/7/23-14系統(tǒng)組成衛(wèi)星星座2023/7/23-15計劃實施1994年開始進(jìn)入方案論證階段；2003年開始發(fā)射兩顆試驗衛(wèi)星進(jìn)入試驗階段；2008年整個伽利略（GNSS）系統(tǒng)建成并投入使用。2023/7/23-15計劃實施1994年開始進(jìn)入方案論證2023/7/23-16服務(wù)方式按不同用戶層次分為免費服務(wù)和有償服務(wù)兩種級別。免費服務(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業(yè)務(wù)2.一類控制接入業(yè)務(wù)（CAS1）：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)（CAS2）：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。CAS2可實現(xiàn)水平4m、垂直16m的定位精度。2023/7/23-16服務(wù)方式按不同用戶層次分為免費服務(wù)2023/7/23-17五、全球定位系統(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)（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem），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（1974～1978年），系統(tǒng)論證（1979～1987年），試驗生產(chǎn)（1988～1993年）三個階段，總投資300億美元。2023/7/23-17五、全球定位系統(tǒng)（GPS）2023/7/23-18GPS系統(tǒng)組成2023/7/23-18GPS系統(tǒng)組成2023/7/23-19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，軌道平面升交點赤經(jīng)相差60，周期約11小時58分2023/7/23-19空間部分24顆衛(wèi)星（21顆工作衛(wèi)2023/7/23-20GPS衛(wèi)星發(fā)展歷程第一代：實驗衛(wèi)星(BlockI)1978-1985共發(fā)射11顆，設(shè)計壽命5年，停止工作第二代：BlockII、BlockIIA、BlockIIR、BlockIIF1988-1994年共發(fā)射28顆BlockII、BlockIIA第三代：BlockIⅢ下一代工作衛(wèi)星2023/7/23-20GPS衛(wèi)星發(fā)展歷程第一代：實驗衛(wèi)星(2023/7/23-21BLOCKIBLOCKII/IIA2023/7/23-21BLOCKIBLOCKII/II2023/7/23-22BLOCKIIFBLOCKIIR2023/7/23-22BLOCKIIFBLOCKIIR2023/7/23-23控制部分1個主控站、5個監(jiān)測站、3個注入站2023/7/23-23控制部分1個主控站、5個監(jiān)測站、3個2023/7/23-24用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備主要是GPS接收機，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。2023/7/23-24用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備主要是GPS接收2023/7/23-25GPS系統(tǒng)的特點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2023/7/23-25GPS系統(tǒng)的特點定位精度高2023/7/23-26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2023/7/23-26美國對GPS用戶的限制性政策標(biāo)準(zhǔn)定2023/7/23-27標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)和精密定位服務(wù)PrecisePositioningService-PPS(P-code)StandardPositioningService-SPS(C/Acode)

Accuracyin:PPS(95%)SPS(95%)

horizontalplane

22meters100meters

verticalplane27.7meters156meterstimetransfer200nanoseconds340nanoseconds2023/7/23-27標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)和精密定位服務(wù)Preci2023/7/23-28選擇性可用政策（SelectiveAvailability，SA）δ技術(shù)將鐘頻信號加入高頻抖動使C/A碼波長不穩(wěn)定ε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2023/7/23-28選擇性可用政策（Selective2023/7/23-29單點定位:2000年五月以前L1C/A碼有SA政策25-100m2023/7/23-29單點定位:2000年五月以前L12023/7/23-30單點定位:目前L1C/A碼無SA政策10-20m2023/7/23-30單點定位:目前L1C/A碼10-2023/7/23-31單點定位:到2009年L1C/A碼L2C/A碼5-10m2023/7/23-31單點定位:到2009年L1C/A2023/7/23-32單點定位:到2013L1C/A碼L2C/A碼L5P碼1-5m更好的抗干擾特性2023/7/23-32單點定位:到2013L1C/A2023/7/23-33RTK定位:TodayL1碼和載波相位L2載波相位數(shù)據(jù)鏈10km2cm精度2023/7/23-33RTK定位:TodayL1碼和載2023/7/23-34RTK定位:將來L1碼和載波相位L2碼和載波相位L5碼和載波相位數(shù)據(jù)鏈100+km信號失鎖快速恢復(fù)能力2cm精度2023/7/23-34RTK定位:將來L1碼和載波相位2023/7/23-35測繪/制圖/GIS方面的應(yīng)用測量精度可達(dá)到cm-mm級精度節(jié)省時間、成本、勞動力大約100%-300%自動制圖各種工程測量石油、天然氣、礦藏開發(fā)各種等級的控制測量變形監(jiān)測：路基、橋梁和隧道的水平位移監(jiān)測，滑坡和高邊坡的變形監(jiān)測2023/7/23-35測繪/制圖/GIS方面的應(yīng)用測量精度2023/7/23-