GPS卫星定位技术与应用

GPS卫星定位技术与应用第一章绪论一、基本概念1.卫星导航定位及基本作用1）卫星定位：通过卫星的瞬时位置利用空间距离后方交会的方法确定点位置。优点：经济、快速、精度均匀，不受天气和时间限制，可以全天候作业原理：1.通过卫星进行距离交会是GPS系统的基础2.接收机通过测定信号传播时间来测定卫星与接收机之间的距离3.为了测定信号的传播时间，GPS需要有高精度的钟4.要进行定位，用户除了要知道卫星的距离外，还需要知道卫星的位置5.GPS信号穿过地球的电离层和对流层时，会产生信号延迟2）卫星导航：通常指运载工具的实时动态定位，即三维位置、速度和包括航向偏转、纵向摇摆、横向摇摆三个角度的姿态的确定。3）基本作用：向各类用户和运动平台实时提供准确、连续的位置、速度和时间信息。目前的卫星导航系统：GPS，GLONASS，GALILEO，BDS4W时空信息when、where、whatobject、whatchange4A服务目标anyone、anything、anytime、anywhere4）卫星三角测量：由地面上的测站拍摄卫星的瞬时位置测定地面点的坐标2.卫星定位的基本观测量：距离、距离差1）距离差定位方式：双曲面定位系统（NNSS、TSICADA）2）距离定位方式：球面定位系统（GPS、GLONASS、Galileo、BDS）3）GPS发展趋势：GIS/GPS/RS组成的3S集成系统GPS/INS组合导航系统GNSS/全球导航卫星系统二、全球定位系统（GPS）1.功能特点：导航、定位、授时1.采用距离定位方式，进行测距空间交会定点2.提供精密的全天候的位置、速度和时间信息3.能够进行连续的、实时的三维定位2.卫星导航定位应用：1）在测量学中的主要应用：大地测量、地球动力学研究、测量控制网联测、航空遥感测量、地形测量、地籍测量、土地资源调查测量、海洋测量、精密工程测量、工程变形监测等。2）在导航学中的主要应用：车辆、船只和飞机的精密导航、测速以及运动目标的监控与管理等。3）在其它相关学科领域中的主要应用：运动载体姿态测量，弹道导弹的制导，近地卫星的定轨，精密测时以及气象学和大气物理学的研究等。4）在海陆空的应用：1、卫星导航定位陆地应用：国家、区域、工程等大地测量控制网测设；工程建设的施工放样测量；土建工程的实时监控；大型建筑和油气田的沉降监测；地球板块运动状态和地壳形变测量；陆地、海洋大地测量基准的测定；精细农业监测2、卫星导航定位海洋应用：海底大地测量控制网的布测；海底地形的精细测量；浮标抛设和暗礁爆破等海洋工程的精确定位；水文测量，验潮网的测设；海洋油气平台的就位和复位测定；海底沉船位置的精确探测，海底管道敷设测量；远洋船舶最佳航线测定，在途航行实时调度和监测；内河船只的实时调度和自主导航测量3、卫星导航定位航空、航天应用：航空应用：民航飞机的在途自主导航；飞机精密着陆；摄影和遥感飞机的七维状态参数和三维姿态参数测量；飞机空中加油控制；机群编队飞行的安全保护；航空援救的探寻和定点测量；机载地球物理勘探；飞机探测灾区大小和标定测量航天应用：低轨通讯卫星群的实时轨道测量；卫星入轨和卫星回收的实时点位测量；载人航天器在轨防护探测；星载GPS的遮掩天体大小和大气参数测量；对地观测卫星的七维状态参数和三维姿态参数测量。3.GPS组成：1.空间星座部分——GPS卫星网（21+3颗卫星）2.地面监控部分——地面监控系统（主控站：1注入站：3监控站：5）3.用户设备部分.——GPS信号接收机4.GNSS常规的、主要的应用技术：DGPS技术——静态相对定位技术RTK技术——实时动态差分技术PPP技术——GPS精密单点定位测量技术FKP/VRS/MAC技术（多基站）——网络RTK定位技术ITS技术——智能交通技术STGPS技术——超站式集成测绘系统5.GNSS技术的“四多”特性：多领域、多模式、多用途、多机型三、中国的GPS技术发展1.中国卫星导航技术应用：1）通讯、通信行业用GNSS进行时间同步测控2）电力、有线电视、城市地下管道采用GNSS布设线路3）交通、运输部门用GNSS等相关集成技术营建ITS系统和监控系统4）公安、银行、医疗、消防等用GNSS营建紧急救援或报警系统5）汽车、船舶、飞机等用GNSS导航定位6）GIS数据提供商用GNSS采集地理信息相关数据，并提供位置信息相关服务（LBS）7）广播电视行业用GNSS与罗盘制造卫星电视定向接收天线8）电子商务领域，GNNS甚至应用于CRM客户管理和物流配送体系9）数字城市、智慧城市广泛采用GNSS系统2.我国卫星定位产业四个重点发展方向：1）单一GPS接收机将向多星座兼容接收机发展，高精度定位向综合服务技术迅速发展2）卫星导航在智能交通的应用迅速发展，以车载导航为核心的移动目标监控、管理与服务市场3）以差分定位技术为核心的差分网建设，网络差分技术迅速发展4）以个性化移动信息终端为核心的移动导航产品市场，个人位置服务将成为卫星导航应用新领域第二章卫星大地测量基础一、卫星大地测量及技术1.卫星大地测量学：研究利用人造地球卫星解决大地测量学问题，利用空间技术手段进行区域或全球大地测量的学科。2.卫星大地测量学的技术1）卫星地面跟踪观测技术2）卫星对地观测技术3）卫星对卫星观测技术3.几种现代卫量测量技术1）VLBI：甚长基线干涉测量2）GPS：全球定位系统3）SLR：卫星激光测距4）SA：卫星雷达测高二、坐标系统1.天球坐标系：与地球自转无关，用于描述卫星的位置和状态的坐标系。1）章动、岁差原因:日、月、地球与其他星体的相对运动，地球内部质量分布的不均匀。岁差：地球差异旋转产生的回归年与恒星年的时间差1.日月岁差：由于日月引力作用而引起的地球自转轴绕黄道的垂直轴旋转的一种长期运动。50.371″/年，周期约为25800年。2.行星岁差：由于行星引力对地球绕日运动轨道的摄动而引起的变化。0.134″/年周期约为100万年。3.总岁差：赤道与黄道由于日月岁差和行星岁差引起的缓慢运动。章动：地球在公转轨道上左右摇摆的周期运动。2）三种天球坐标系：1.瞬时真天球坐标系:由瞬时真天极、瞬时真赤道面和瞬时真春分点所定义的天球坐标系。2.瞬时平天球坐标系:由瞬时平天极、瞬时平赤道面和瞬时平春分点所定义的天球坐标系。3.协议天球坐标系:相应于某一确定时刻为标准历元的一种特定的天球坐标系。2.地球坐标系：随地球自转，用于表示地球观测站的空间位置的坐标系。1）极移:由于地球体内复杂的运动而引起自转轴相对于表面不断变动的现象。2）两种地球坐标系：1.瞬时地球坐标系：准地固坐标系。固联在地球上，以地球质心为原点，Z轴指向瞬时地北极，X轴指向瞬时真赤道与格林威治平子午线交点方向，构成右手坐标系，以确定Y轴方向。2.协议地球坐标系：地固坐标系。固联在地球上，以地球质心为原点，Z轴指向国际协议原点（CIO），X轴指向协议赤道与格林威治平子午线交点方向，构成右手坐标系，以确定Y轴方向。3.协议地球坐标系：1）CTS-84坐标系：协议地球坐标系，由一组具有已知的精确地心坐标的台站所具体体现的。2）WGS-84坐标系：固联在地球上，以地球质心为原点，Z轴指向BIH系统所定义的协议地极（CTP）的方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面与CTP赤道的交点方向，构成右手坐标系，以确定Y轴方向。椭球基本大地参数：（书P31）椭球几何参数：三、卫星大地测量中的时间系统1.世界时（UT）：以平子夜为零时起算的平太阳时，以地球自转运动来计量。2.原子时（AT）：以稳定度很高的原子能级跃迁的频率作为标准的时间。3.协调世界时（UTC）：是一种介于原子时和世界时之间的标准时间的服务方法，定义接近世界时的折中时间系统，秒长采用原子钟进行控制。4.力学时（DT）：人造地球卫星动力学中所要求的时间系统。其基本单位采用国际秒制，与原子时的尺度相一致。5.GPS时间（GPST）：GPS时属于原子时系统，由GPS主控站的原子钟控制，GPS时与协调世界时（UTC）在1980年1月6日0时相一致。其后随着时间成整倍数积累，至1987年该差值4S。四、卫星运动（了解）卫星运动状态：受地球、太阳、月球对卫星的引力，太阳光压、地球潮汐力等影响。卫星受到的作用力：1.地球质心引力（中心力）------无摄运动、无摄轨道2.摄动力（非中心力）------有摄运动、有摄轨道第三章GPS定位系统信号和接收机的基本工作原理GPS卫星信号采用组合码调制技术（伪随机码扩频技术）组合码调制技术：将卫星导航电文（基带信号）经伪随机码扩频技术成为组合码，再对L频段的载波进行BPSK调制（正交调制）。作用：提高系统导航定位精度，使系统具有很高的抗电子干扰能力和极强的保密能力。伪距：接收机到GPS卫星之间的距离。码：表达信息的二进制数及其组合。卫星信号的调制分为二级调制：第一级是导航电文调制到测距随机码：采用二进制编码序列“模二和”算法，调制结果是把数据码(导航电文)从50Hz扩展到1.023MHz(对于C/A码)，从而在接收信号时，采用CDMA原理，可提高获取数据码的信噪比。第二级是测距码调制到载波：采用二进制信号“波形相乘”的算法，将导航电文与测距码合成后的二进制码调制到载波上，实现了第二次扩频，把测距码（C/A）从1.023MHz扩展到1575.42MHz（L1），在接收机接收GPS信号时，根据CDMA原理，可以提高C/A码的信噪比什么时候开始，从何处143242,0563781373.98600510/4.8416685107.29211510/amGMmscrads一、伪随机码：由二进制码组成的伪随机序列，由“多级反馈移位寄存器”产生。伪随机序列：具有非随机序列自相关特性的有周期性的二进制序列。1.C/A码（粗码）：用于分址、搜捕卫星信号、粗测距，具有一定抗干扰能力，并提供民用的明码。2.P码（精码）：用于分址、通过C/A码获取卫星信号，精密测距，具有较强抗干扰能力，提供特许用户使用的受控密码。3.GPS卫星信号构成：载波信号，测距信号，导航信号GPS定位系统通常采用两种伪随机码：C/A码和P码二、导航电文（D码）1.导航电文：1）组成：卫星星历、卫星工作状态、时间系统、卫星钟偏差校正参数、轨道摄动改正参数、大气折射改正参数、遥测码、交换信息等。2）格式：组成数据帧，按帧向外播发。由25帧组成，播发时间12.5min，播发速度50bit/s。1帧→5子帧1子帧→10字1字→30bit1bit需0.02s25*1500bit/帧=25*5*300bit/子帧2.导航电文内容：（1）遥测码（TLM）:用于指导用户是否可选用卫星（2）转换码（HOW）：用于辅助用户转换C/A码至P码（3）第一数据块（DATA1）；（4）第二数据块（DATA2）；（5）第三数据块（DATA3）3.卫星星历：用于确定卫星瞬间位置的信息，可以分为三类：1）卫星历书(Almanac，精度：数km)2）广播星历(BroadcastEphemeris，精度：1m)：也叫预报星历，是指相对参考历元的外推星历。3）精密星历(PreciseEphemeris，精度：5~20cm)：精密星历是不含外推误差的实测后处理星历。卫星轨道参数——六个开普勒元素三、GPS接收机1.GPS接收机分类1）按通道工作原理分2）按用途分3）按载波频率分4）按通道数分2.基本结构：1）天线2）主机3）电源四五六七为重点第四章GPS定位的基本观测量及误差分析一、GPS定位基本原理：ρ=c·Δt二、GPS定位基本观测量1）码相位伪距测量：将伪码发生器产生的与卫星信号结构完全相同的码经过延时器延时同本机复制码进行相关处理，得到卫星信号延迟传播时间Δt，从而获得伪距：ρ=c·Δt。测量原理：ρ=c·Δt利用测距码测距的必要条件：必须了解测距码的结构利用测距码进行测距的优点：采用的是CDMA（码分多址）技术易于捕获微弱的卫星信号可提高测距精度便于对系统进行控制和管理（如AS）2）载波相位测量：作为传输工