GPS原理教案

第一章绪论第一节GPS卫星定位技术的发展一、早期的卫星定位技术卫星三角测量：卫星作为空间动态观测目标。1966年—1972年，美、英、德合作应用卫星三角测量，测量了具有45个测站的“全球三角网”，点位精度约5米。二、子午卫星导航系统的应用及其缺陷1、卫星多普勒定位测量：卫星作定向动态已知点，非几何测量，发信号测速。2、（NAVYNAVIGATIONSATELLITESYSTEM）NNSS的建立1958年12月，美国海军和HOPKINS大学联合研究了“美国海军导航卫星系统——NNSS（NAVYNAVIGATIONSATELLITESYSTEM）。”由于卫星轨道通过南北地极，故称为子午卫星导航系统。1964年1月研制成功，用于北极星核潜艇的导航定位；军事导航定位。1967年7月，美国政府批准，对其广播星历解密提供民用，定位技术迅速兴起。作用：已知地面点坐标，测定多普勒频移，确定卫星运行轨道；已知卫星运行轨道，测定多普勒频移，确定地面点坐标。3、多普勒定位原理：多普勒效应：当波源与接收器（观测者）作相对运动时，波源的发射频率与观测者接收频率之间成立关系：cos**vcfcfsrfr——接收频率；fs——发射频率；c——光速；α——波源运动方向与波源到测站方向间的夹角；v——波源运动速度。测定多普勒频移，即可求出ρ：ffcs*，rsfff4、NNSS的优缺点优点：（1）经济、快速，不受天气和时间限制。采集2天数据，可得分米级精度的三维地心坐标。（2）实现了全球范围内的核潜艇、导航测量船、军民用舰船的全天候导航，以及海上石油勘探、钻井定位、海底电缆铺设、海洋调查等方面的广泛定位。缺点：（1）子午卫星轨道高度低（1000km左右），难以做到精确定轨。卫星沿经圈运动。（2）子午卫星仅有六颗，数量少，无法实现全球的实时导航和定位。6颗卫星，950-1200km轨道，107min。（3）信号频率低，难以补偿电离层折射的影响。（4）卫星沿经圈运动，精度与高程相关，只有在已知接收机高程的情况下，才能得到经纬度的导航解。在美洲大陆测定了500多个多普勒点，西欧测定了30多个多普勒点，中国测定了近百个多普勒点，有全国多普勒网。三、全球定位系统（GlobalPositionSystem）：子午卫星导航系统的应用受到较大的限制，为突破局限性，实现全天候、全球性和高精度的连续导航和定位----GPS卫星定位技术发展到一个辉煌的历史阶段。在子午卫星的基础上，克服其缺点。因此，具有“多星、高轨、测距”体制。导航解算需要多星，克服低轨缺点，保证多星。轨道高，覆盖范围大；高动态，瞬时解，以测距代测速。60年代末，提出计划：美国海军：“Timation”计划，12-18颗卫星，全球网；美国空军：“621-B”计划，3-4个星群，全球网。1973年，国防部联合计划局（包括美国陆海空军、制图、交通、北大西洋）正式开始了GPS的研究和论证。1973年12月，美国国防部（DOD）批准建立GPS卫星全球导航定位系统（NAVSTAR/GPS），即：测时、测距/全球定位系统，计划投资300亿美元（实际花费130亿美元，管理有方）。计划分三阶段实施：（1）第一阶段——原理与可行性（方案论证和初步设计阶段）由1973年开始至1978年2月22日第一颗试验卫星发射成功。1973-1979年，共发射4颗试验卫星，结果令人满意。（2）第二阶段——系统全面研制与试验阶段由1979年开始至1989年2月14日第一颗工作卫星发射成功。1979-1984年，发射了7颗试验卫星，BlockⅠ卫星（11颗）。定位精度远远超过设计精度。粗码定位精度为14米。（3）第三阶段——最后工程完成与发展（实用组网阶段）1989年，工作卫星发射，BlockⅡ、BlockⅡA（军事应用功能）。1993年，GPS网基本建成。DOD于1995年4月27日宣布：“GPS系统已具备全部运作能力（FOC）”。至此，整个历时23年、耗资130亿美元的GPS计划宣告完成。GPS的设计目标：实现全球、全天候、高精度的授时、导航和定位。四、GLONASS：前苏联于1982年10月开始研究，计划1995年前建成。GLONASS工作卫星星座：24颗卫星，其中21颗为工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在3个轨道上，轨道平面倾角64.8度；卫星高度：19100公里；运行周期：11小时15分；信号频率：1600MHz，1200MHz。1990年12月8日至1994年8月11日，共发射9颗GLONASS卫星；1994年11月20日开始发射三个一组的GLONASS卫星。97年全部完工，现已投入使用。五、Galileo：Galileo计划设计为支持各种领域广泛应用，包括实时导航、位置基准、安全和应急跟踪、体育、休闲服务和支持政府公共事业的需要。Galileo系统在技术构态上将以30颗MEO轨道卫星为核心星座，其空间信号等效于GPSBlock-IIF卫星上的信号，具有在L频段上和GPS兼容的多频体制，在无增强下可以达到10米精度。（1）Galileo系统的管理Galileo系统由欧盟、欧洲空间局及一些民营公司共同管理运营。Galileo系统是欧洲独立经营的全民用卫星导航系统，它平行于GPS与GPS兼容，建成后将能取代或超过GLONASS的力量，打破美国一统全球定位、导航、定时的垄断地位的局面。（2）Galileo系统服务的精度指标及其服务领域1）公开服务（免费）：15-20米（单频）、5-10米（双频）2）商业服务：5-10米（全球，双频）、1-10米（局部）3）公共事业服务：4-6米（全球，双频）、1米（局部）Galileo计划设计为支持各种领域广泛应用，包括实时导航、位置基准、安全和应急跟踪、体育、休闲服务和支持政府公共事业的需要。（3）Galileo系统建设的时间表1）第一阶段（1999-2001）：定义Galileo系统的框架，制定发展计划；2）第二阶段（2001-2005）：发展阶段；3）第三阶段（2006-2007）：实施阶段，进行卫星的研制、卫星的发射及地面设施建设；4）第四阶段（2008-2020）：运行应用阶段。（4）目前的状况1999年2月10日，欧洲委员会（EC）公布了筹划Galileo系统的消息。欧洲委员会（EC）指定了一个欧洲工业财团称之为“GalileoIndustries”负责总体结构项目（GALA）。欧洲航天局（ESA）负责空间段项目（GalileoSat），并自筹研究资金。欧洲工业界自筹组成一个欧洲卫星导航设备和服务工业组织（OREGIN），配合Galileo计划提供技术资源和市场策略，支持用户设备和服务供应上的标准化和取证程序，由37家公司参加。2001年2月，欧盟（EU）的部长级会议明确EC负责项目的总协调，欧洲航天局（ESA）负责和保障系统的技术集成。尽快发动承包和引资入伙工作，在2001年11月提出招标程序。（5）比较Galileo系统是欧洲独立经营的全民用卫星导航系统，它平行于GPS与GPS兼容，建成后将能取代或超过GLONASS的力量，打破美国一统全球定位、导航、定时的垄断地位局面。第二节GPS定位系统的组成GPS系统的组成全称：授时与测距导航系统/全球定位系统（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem-NAVSTAR/GPS）。包括下列三大部分：GPS工作卫星星座——空间部分；地面监控系统——地面控制部分；GPS接收机——用户设备部分。一、空间部分——GPS工作卫星星座1、GPS卫星星座的构成与现状21颗工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道上（每个轨道上有4颗卫星）。在地面上可见卫星数随地点、时间而变，最少4颗，最多11颗。轨道倾角；55度；轨道高度：20186.8公里（平均高度约为20200公里）；运行周期：11小时58分（恒星时）（每颗每天约有5个小时在地平线上）；轨道间距：60度；同一轨道平面内各卫星的升交角距：90度；为解算测站的三维坐标，至少同时观测4颗卫星——定位卫星，而4颗卫星在观测过程中的位置分布——卫星的几何结构的优劣对定位精度有较大的影响，有时甚至无法达到定位精度。第一代卫星（BLOCKⅠ型），第7颗发射失败，未能入轨；第1、2、5颗虽入轨运行，但不能服务于导航，仅7颗GPS试验卫星能够正常飞行。截止1992年11月1日，只有4颗试验卫星仍能正常工作，3颗（PRN6、8、9）不能发射正常GPS信号。第二代卫星，发射了10颗，寿命为7.5年。发射信号：（1）L1载波：频率为1575.42MHz，其上调制测距码信号（C/A码，CoarseandAccess，粗捕获码；P码，Precision，精码，捕获不到，可以保密）；（2）L2载波：频率为1227.60MHz，其上调制P码。2、GPS卫星：（1）（1）BlockⅠ——试验卫星；（2）（2）BlockⅡ、BlockⅡA——工作卫星；电源——两块四叶太阳能电池叶板（每块面积7.2平方米）；重量——在轨重量843.68公斤；时钟——配备两台鉫原子钟和两台铯原子钟（稳定度达1210s与1310s）。3、GPS卫星的作用：（1）向广大用户连续不断地发送导航定位信号（GPS信号）；并用导航电文报告自己的位置及其他卫星的概略位置。（2）飞越注入站上空时，接收并存储地面注入站发射的导航电文和其他信息并把这些信息转换成GPS信号，再发送给用户；（3）接收主控站的调度命令；接收并执行监控站的控制指令，纠正飞行偏差，应用备用钟；（4）提供高精度的时间标准。二、地面控制部分——地面监控系统主控站：设在ColoradoSprings联合空间执行中心（SOC）；注入站：分别设在南大西洋的Ascension，印度洋的DiegGercia，南太平洋的Kwajalein。监测站：以上四个站同时是监测站，再加上Howaii。GPS卫星是一种动态已知点，依据卫星发送的星历算得的。卫星星历——一系列描述卫星运动及其轨道的参数。地面监控系统的作用：（1）（1）主控站——协调管理所有地面监控系统主要任务：①数据处理并将结果传输给注入站：A、计算卫星星历（广播星历和精密星历）；B、计算卫星钟差改正数；C、计算大气层改正数（对流层和电离层）。②提供时间基准：各个监测站和卫星上的原子钟，均应和主控站原子钟保持同步；测定各个原子钟的钟差，并将钟差信息编写入导航电文（D码），送到注入站。③调整偏离轨道的卫星，使其沿指定的轨道运行。④启用备用卫星来代替失效的卫星。（2）注入站——将主控站推算的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入相应卫星的存储系统，并监测注入信号的正确性。（3）监测站——主控站控制下的数据采集中心，连续接收卫星信号。双频GPS接收机连续接收、记录GPS卫星信号；高精度的原子钟；环境传感器收集当地气象信息；计算机进行数据处理并传输到主控站。监测站——主控站——注入站（每天3次，每次14天，但越往后精度越差）。国际GPS服务网。三、用户设备部分——GPS接收机1、GPS接收机的组成：（1）天线——接收GPS卫星信号，滤波、放大；（2）主机——对GPS信号进行“解码”，计算卫星位置，计算站星间的“伪距”（包含钟差改正数），解算出测站坐标（WGS-84坐标系）。（3）输入/输出系统——操作键盘，显示器，通讯接口，记录器。2、GPS接收机的分类：（1）静态定位接收机：导航型、测地型、授时型；袖珍式、背负式、车载式、船用式、机载式、弹载式、星载式。（2）动态定位接收机：天线部分、接收部分；单频、双频。3、被动式卫星导航系统：发送和接收测距信号分别居于两个不同地方的测距原理——被动测距原理。发射设备所发射的测距信号经过反射器的反射或转发，又返回到发送点，为其接收设备所接收，进而测得测距信号所经历的距离。发送和接收测距信号位居于同一个地方的测距原理——主动测距原理。四、GPS卫星定位原理卫星位置作为动态已知点，其坐标为：Xs、Ys、Zs；求地面点的位置：Xg、Yg、Zg；卫