GPS定位原理及应用

《GPS定位原理及应用》授课教案第一章绪论1.1GPS卫星定位技术的发展1.1.1早期的卫星定位技术1、无线电导航系统1）罗兰--C：工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM，一般精度200-300M。2)Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。3)多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高2、早期的卫星定位技术卫星三角网：以人造地球卫星作为空间观测目标，由地面观测站对其进行摄影测量，测定测站至卫星的方向，来确定地面点的位置的三角网。卫星测距网：用激光技术测定测站至卫星的距离作为观测值的网则称为卫星测距网。20世纪60～70年代，美国国家大地测量局在英国和德国测绘部门协助下，建立了一个共45个点的全球卫星三角网，点位精度5米。卫星三角网的缺点：易受卫星可见条件和天气条件影响，费时费力，定位精度低。1.1.2子午卫星导航（多普勒定位）系统及其缺陷多普勒频移：多普勒效应是为纪念ChristianDoppler而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。他认为电磁波频率在电磁源移向观察者时变高，而在波源远离观察者时变低。因此可利用频率的变化多少来确定距离的变化量。多普勒效应的一个常被使用的例子是火车，当火车接近观察者时，其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发动机声。子午卫星导航系统(NNSS)：将卫星作为空间动态已知点，通过在测站上接受子午卫星发射的无线电信号，利用多普勒定位技术，进行测速、定位的卫星导航系统。子午卫星导航系统的优点：经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制，且可获得测站的三维地心坐标。子午卫星导航系统的缺点：由于卫星数量少，故不能实时定位、定位时间长、定位精度也低。1958年，美国为解决北极星核潜艇在深海航行和执行军事任务而需要精确定位的问题，开始研制军用导航卫星，命名为“子午仪计划”。1960年4月，美国发射了世界第一颗子午导航卫星，传统的无线电导航系统从此被这种新的导航方式取代。美国1964年建成子午导航卫星系统，主要由美国海军使用，到1967年开始正式向民用开放。由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均1.5h），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。单点定位精度约为30—40米，每次定位约需8—10分钟。而各测站观测了公共的17次合格的卫星通过时，联测定位的精度才能达到0.5米左右。子午导航卫星系统是低轨道导航卫星，它集中了远程无线电导航台全球覆盖和近程无线电导航台定位精度高的优点，仅用4颗卫星组成的太空导航星座就能提供全天候全球导航覆盖和周期性二维（经纬度）定位能力，使全球用户统一于地心坐标系进行高精度定位，使导航技术产生了革命性突破。70年代中期，我国利用引进的多普勒接收机进行了西沙群岛的大地测量基准联测，国家测绘总局和总参测绘局联合测设了全国卫星多普勒大地网，石油和地质勘探部门也在西北地区测设了卫星多普勒定位网。前苏联卫星导航系统（CICADA）：12颗宇宙卫星组成，也存在上述缺点。1.1.3GPS全球定位系统的建立GPS全球定位系统：全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。GPS计划实施的三个阶段：1)第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。2)第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。3)第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。为了改进GPS系统，美国计划并发射了第三代GPS卫星。表1GPS卫星的发展概况卫星类型卫星数量/颗发射时间/年用途第一代BlockI111978～1985试验第二代BlockII,IIA281989～1996正式工作第三代BlockIIR,IIF331997～2010改进GPS系统注：BlockIIA(A=Advanced),IIR(R=Replacement),IIF(F=Followon)GPS系统包括三大部分：1)空间部分—GPS卫星星座；2)地面控制部分—地面监控系统；3)用户设备部分—GPS信号接收机。GPS卫星星座的基本参数：1)卫星数21+3颗；2)6个卫星轨道面，轨道倾角55度；3)卫星高度为20200km,卫星运行周期为11小时58分；4)载波L1频率为1575.42MHz，L2为1227.60MHz。GPS工作卫星情况：1)在轨重量843.68kg，设计寿命七年半；2)在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电；3)有12根螺旋形天线组成的阵列天线，向地面发射张角为30度的电磁波束；4)由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整，卫星姿态调整采用三轴稳定方式，使卫星天线始终对准地心。过天顶的卫星可见时间为5小时，在地表任意地点及任何时刻，在高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星，但随着第三代GPS卫星的发射，可观测到的卫星个数大大增多。GPS接收机：采用码分多址（CDMA）技术，实现了接收机多通道接收卫星信号，提高系统的稳定性。通信领域的联通CDMA手机应用了此技术。经近10年我国测绘等部门的使用表明，GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。1.1.4GLONASS全球导航卫星系统GLONASS全球导航卫星系统的建成：前苏联于1982年开始发射GLONASS卫星，至1996年共发射24+1颗卫星，经数据加载，调整和检验，于1996年1月18日系统正式运行，主要为军用。其原理和系统组成与GPS系统类似。主要特点：1、GLONASS卫星的识别方法采用频分复用制，L1频率为1.602～1.616GHz,频道间隔为0.5625MHz；L2频率为1.246～1.256GHz,频道间隔为0.4375MHz。2、GLONASS卫星上均装由激光反射镜，地面控制站组（GCS）对卫星进行激光测距，对测距数据作周期修正。3、GLONASS系统民用不带任何限制。不收费。4、民用的标准精度通道（CSA）精度数据为：水平精度为50～70m，垂直精度75m，测速精度15cm/s,授时精度为1µs。卫星定位系统的集成：目前已有GPS与GLONSS集成的接收机，这样GLONSS可与GPS卫星一起定位，使可接受的卫星数目增加一倍，提高定位精度，也可有效地削弱美俄两国对各自定位系统的可能控制，提高定位的可靠性和安全性。1.1.5伽利略(Galileo)GNSS系统Galileo系统建设始于2002年，计划2008年投入使用，我国参与了该系统的投资建设，是一个全开放型的高精度的民用卫星导航定位系统。卫星星座：30颗卫星均匀分布在3个中高度圆轨道平面上，轨道高度23616km，倾角56度。地面任一地点任一时间可见到4颗Galileo卫星，达到全天候、实时导航和定位。与GPS/GLONASS有机地兼容，增强系统使用的安全性和完善性。表2三种卫星系统比较卫星系统GLONASSGPSGalileo卫星数（颗）21+321+327+3轨道面数（个）363轨道倾角（度）64.85556平均高度（km）191002020023616周期（hm）11h15m11h58m14h卫星射电频率L11602-1616MHz1575.42MHz1561-1569MHz卫星射电频率L21246-1256MHz1227.6MHz1224-1232MHzC/A码频率511kHz1.023MHz1176.75MHz(E1.1.6双星导航定位系统(北斗一号)系统组成：北斗导航定位卫星、地面控制中心、北斗用户终端。星座由2颗＋1颗（备用）的地球同步卫星组成。其特点为：主动式、全天候、区域性、短信通讯和低动态。功能：1、定位2、通讯3、授时1.2GPS系统组成GPS系统包括三大部分：1）空间部分—GPS卫星星座；2）地面控制部分—地面监控系统；3）用户设备部分—GPS信号接收机。1.2.1GPS工作卫星及其星座GPS卫星星座的基本参数：1）卫星数21+3颗；2）6个卫星轨道面，轨道倾角55度；3）卫星高度为20200km,卫星运行周期为11小时58分；4）载波L1频率为1575.42MHz，L2为1227.60MHz。GPS工作卫星情况：1）在轨重量843.68kg，设计寿命七年半；2）在轨时依靠太阳能电池及镉镍蓄电池供电；3）有12根螺旋形天线组成的阵列天线，向地面发射张角为30度的电磁波束；4）由一个推力系统保持卫星在轨位置及姿态调整，卫星姿态调整采用三轴稳定方式，使卫星天线始终对准地心。1.2.2地面监控系统GPS的地面监控系统包括一个主控站、五个监控站和三个注入站。主控站位于美国克罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地，它的作用是根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；同时，它还对卫星进行控制，向卫星发布指令，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；另外，主控站也具有监控站的功能。监控站有五个，除了主控站外，其它四个分别位于夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），监控站的作用是接收卫星信号，监测卫星的工作状态。注入站分别位于阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、卡瓦加兰（Kwajalein），注入站的作用是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去。1.2.3GPS信号接收机GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。GPS接收机采用码分多址（CDMA）技术，实现了接收机多通道接收卫星信号，提高系统的稳定性。它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。1.3GPS在国民经济建设中的应用1.3.1GPS系统的特点GPS系统的特点：高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等。1、定位精度高应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,较差中误差为0.3mm。2、观测时间短随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。3、测站间无须通视GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。4、可提供三维坐标经典大地测量将平面与