GPS定位原理及应用

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1、GPS 定位原理及应用授课教案 第一章 绪论1.1 GPS 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

2、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 6070 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Christian Doppler 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

3、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

4、，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810 分钟。而各测站观测了公共的17 次合格的卫星通过时

5、，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。1.1.3

6、GPS 全球定位系统的建立GPS 全球定位系统： 全球定位系统（Global Positioning System - 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，

7、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 1 GPS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Block I 11 19781985 试验第二代Block II,IIA 28 19891996 正式工作第三代Block IIR,IIF 33 19972010 改进 GPS系统注： Block IIA

8、(A=Advanced),IIR(R=Replacement),IIF(F=Follow on) 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

9、； 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、

10、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。1.1.4 GLONASS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 1.60

11、2 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5070m ，垂直精度75m ，测 速精度 15cm/s, 授时精度为1s。 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

12、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 GLONASS GPS Galileo 卫

13、星数（颗） 21+3 21+3 27+3 轨道面数（个） 3 6 3 轨道倾角（度） 64.8 55 56 平均高度（ km） 19100 20200 23616 周期（ hm ） 11h15m 11h58m 14h 卫星射电频率L1 1602-1616MHz 1575.42MHz 1561-1569MHz 卫星射电频率L2 1246-1256MHz 1227.6 MHz 1224-1232MHz C/A 码频率 511 kHz 1.023 MHz 1176.75 MHz (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

14、 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 1.2 GPS 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。1.2.1 GPS 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.

15、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 ，

16、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（Diego Garcia） 、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（Diego Garcia ） 、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。1.2.3 GPS 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GP