GPS测量原理与应用1

第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展第二节：GPS系统组成第三节：GPS在国民经济建设中的应用GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展1.人类最初的导航，只能通过石头，树，山脉等作为参照物，渐渐发展到天文观测法，即通过天上的太阳，月亮和星星来判断位置。而中国四大发明之一的指南针是人类导航领域的一个里程碑。2.20世纪20年代，第一个无线电导航系统-无线电信标的问世，开创了海洋船舶和航空飞行器导航的新篇章；3.1957年10月4日，原苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星，开创了空间技术造福人类的新时代。GPS测量原理及应用第一章绪论GPS测量原理及应用第一章绪论GPS测量原理及应用东方红一号卫星第一颗人造卫星斯普特尼克1957年10月4日由P-7捆绑式洲际导弹送入轨道，正常工作了3个月GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统。一、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GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展二、早期的卫星定位技术早期的卫星定位技术主要有两种方法：（１）卫星三角网：（２）卫星测距网：GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展三、子午卫星导航系统的应用及其缺陷第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统（NavyNavigationSatelliteSystem—NNSS）。在该系统中卫星的轨道都通过地极，故也称“子午仪（Transit）卫星系统”。1964年该系统建成后即被美国军方使用，1967年将星历解密而提供民用服务。实践表明，子午仪卫星系统具有精度均匀、不受时间和天气限制等优点，只要系统的卫星在视界内，就可在地球表面任何地方进行单点定位或联测定位，从而获得观测点的三维地心坐标。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展子午卫星导航系统的缺陷尽管子午仪卫星系统具有以往导航系统所无法比拟的优越性，但也存在一些严重的缺陷，这主要是由于该系统卫星数目较少（5～6颗），运行高度较低（平均约为1000Km），从地面观测到卫星的时间间隔较长（平均1.5小时），因而无法连续地提供实时三维定位信息，难以充分满足军事用户和某些民事用户的定位要求。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展四、GPS全球定位系统的建立GPS实施计划共分三个阶段：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。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。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展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，宣告了GPS系统进入了工程建设阶段，这种工作卫星称为BlockⅡ和BlockⅡA型卫星。这两组卫星差别是：BlockⅡ只能存储14天用的导航电文（每天更新三次）；而BlockⅡA卫星能存储180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即(21+3)GPS星座已建立，今后将根据计划更换失效的卫星。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展五、GLONASS（theGlobalNavigationSatelliteSystem）全球导航卫星系统本世纪70年代，作为对美国宣布建立和发展GPS的反应，前苏联国防部构想了GLONASS。该系统是82年底由前苏联开始承建，期间因苏联解体，几经周折最后由俄罗斯于96年建成全球导航定位系统。在1993年，俄罗斯政府正式将GLONASS交由俄空军（VKS）负责。VKS负责GLONASS的航天器部署及在轨维护，并通过科学信息中心将GLONASS的信息传播给公众。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展在80年代，GLONASS的信息鲜为人知，除了卫星轨道的一般特征和传送导航信息的频率之外，前苏联国防部未披露任何其它信息。然而，Leeds大学的PeterDaly教授和它的研究生们经过努力，侦察出了GLONASS卫星信号结构的一些细节。随着前苏联的解体，俄罗斯解密了界面控制文件（theInterfaceControlDocument：ICD）。ICD描述了系统及其组成，信号结构以及供民用的导航信息。1995年11月4日在加拿大蒙特利尔国际民用航空组织第二次会议上，俄罗斯将其最新版本的ICD交给大会的导航卫星系统讨论组。自此，有关GLONASS的信息越来越明朗。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展GLONASS卫星系统的组成：与GPS一样，GLONASS也由三部分组成：空间部分；控制部分；用户部分。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展1.卫星星座（空间部分）由分布在三个独立椭圆轨道的24颗（GLONASS）卫星组成（另加1颗备用卫星），平均每个轨道上分布8颗卫星，各轨道升交点的赤经相差120°；轨道偏心率e=0.01；卫星轨道倾角i=64.8°；卫星运行周期T=11h15m（恒星时11.28小时）；卫星高度H=19100km；卫星设计的使用寿命为4.5年，直至1995年卫星星座布成，经过数据加载、调整和检验，已于1996年1月18日整个系统正式运转。GPS测量原理及应用第一章绪论GPS测量原理及应用第一章绪论GLONASS卫星星座第一节：GPS卫星定位技术的发展2.地面系统：地面控制站组（GCS）设有1个系统控制中心（在莫斯科区的Golitsyno-2），1个指令跟踪站（CTS），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内；CTS跟踪遥测着所有GLONASS可视卫星，对其进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展3.用户设备接收GLONASS卫星信号并测量其伪距和速度，同时从卫星信号中选出并处理导航电文。接收机中计算机对所有输入数据处理并量算出位置坐标的三个分量、速度矢量的三个分量和时间。GPS测量原理及应用第一章绪论项目：GPS系统GLONASS系统星座卫星数：2424轨道面个数：63轨道高度：20183公里19100公里运行周期：11小时58分11小时15分轨道倾角：55度65度载波频率：L1:1575.42MHzL1:1602.56-1615.50MHzL2:1227.60MHzL2:1246.44-1256.50MHz传输方式：码分多址频分多址调制码：C/A-码和P-码S码和P码时间系统：UTCUTC坐标系统：WGS-84SGS-E90SA：有（2000年5月1日取消）无AS：有无GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展GPS+GLONASS系统：1.可见卫星数增加一倍：GLONASS卫星星座组网完成后，可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。在地平线以上的可见卫星数纯GPS系统时，一般为7-11颗；GPS+GLONASS系统则可达到14-20颗。2.提高观测结果的可靠性：用卫星系统进行测量定位的观测结果的可靠性主要决定于用于定位计算的卫星颗数。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展3.提高生产效率：观测时间越长或可观测到的卫星数越多，则用于求解载波相位整周模糊度的数据也就越多，求解结果的可靠性越好。4.提高观测结果的精度：观测卫星相对于测站的几何分布(DOP值)直接影响观测结果的精度。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展六、伽利略（Galileo）GNSS系统欧盟在1999年2月首次提出“伽利略”计划。计划分成四个阶段：论证阶段，时间为2000年；系统研制和在轨确认阶段，包括研制卫星及地面设施，系统在轨确认，时间为2001年至2005年；GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006年至2007年；运营阶段，从2008年开始。2000年度的论证工作为“伽利略”计划勾画出一个轮廓。论证报告指出，计划投入32.5亿欧元的资金，服务范围覆盖全球，可以提供导航、定位、时间、通信等项服务。其服务方式包括开放服务、商业服务与官方服务三个方面。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展系统组成：卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星）。卫星的轨道倾角i=56°；卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km。地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。定位原理：与GPS相同。定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展提供服务ㆍ免费信号使用服务：OSA(开放服务)ㆍ收费信号使用服务：CAS(管制服务)-CAS1:商业性服务-CAS2-SAS:高精密服务CAS2-GAS:用于非民用领域的政府服务(使用密码的信号)GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展七、双星导航定位系统（北斗一号）1982年7月，美国L.A.Lvarez和C.Trophy及F.Rose三位科学家提出主动式卫星导航通信系统，并于1982年12月完成了总体设计,定名为GEOSTAR。该系统是一个局域实时导航定位系统，据1991年9月的报导，由于GEOSTAR系统缺乏竞争能力，拟投资的用户日渐减少，最后不得不中断该系统的建设。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展我国类似GEOSTAR系统的双星导航定位系统（北斗一号），已于2000年底发射了两颗同步静止定位卫星，并完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位卫星，在2003年5月25日发射，于6月3日5时顺利定点，系统大功告成。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展1.双星导航定位系统的组成:（1）卫星星座：由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）。轨道倾角i=0°；公转周期T=24h恒星时；轨道高度H=36000km。（2）地面系统：一个中心站：负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。GPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展2.双星导航定位系统的技术特点：（1）服务区域：70°-145°E；5°-55°N（2）用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较大。（3）定位精度：平面精度±20m；垂直精度±10mGPS测量原理及应用第一章绪论第一节：GPS卫星定位技术的发展3.双星导航定位系统的定位原理地面中心站通过2颗同步静止定位卫星传送测距问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上（这两个交点一定是以赤道为对称轴南北对称的）。地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型读出用户高程——进而让卫星转告用户。GPS测量原理及应用第一章绪论GPS测量原理及应用第一章绪论卫星1☆星下点1星下点2☆定位圆1定位圆2地面中心站卫星2北斗一号定位原理第一节：