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1、GPSGPS原理讲座原理讲座原理讲座原理讲座 GPS Theory CathedraGPS Theory CathedraGPS Theory CathedraGPS Theory Cathedra聂桂根聂桂根聂桂根聂桂根GgnieGgnieGgnieGgnie whuwhuwhuwhu. . . .eduedueduedu. . . .cncncncnGPSGPSGPSGPS工程技术研究中心工程技术研究中心工程技术研究中心工程技术研究中心全球定位系统（全球定位系统（全球定位系统（全球定位系统（GPSGPSGPSGPS）概论）概论）概论）概论? ? 全球定位系统（全球定位系统（全球定位系统（全
2、球定位系统（GPSGPSGPSGPS）作为新一代的卫星导航）作为新一代的卫星导航）作为新一代的卫星导航）作为新一代的卫星导航 与定位系统，以其与定位系统，以其与定位系统，以其与定位系统，以其全球性全球性全球性全球性、全天候全天候全天候全天候、高精度高精度高精度高精度、 高效益高效益高效益高效益的显著特点，引起全世界的极大关注，的显著特点，引起全世界的极大关注，的显著特点，引起全世界的极大关注，的显著特点，引起全世界的极大关注， 被广泛应用到很多领域，成为地球信息科学被广泛应用到很多领域，成为地球信息科学被广泛应用到很多领域，成为地球信息科学被广泛应用到很多领域，成为地球信息科学 重要的组成部分
3、。重要的组成部分。重要的组成部分。重要的组成部分。? ?本讲通过对本讲通过对本讲通过对本讲通过对GPSGPSGPSGPS技术基本的概念、定位的技术基本的概念、定位的技术基本的概念、定位的技术基本的概念、定位的 原理和在精密测量中应用的介绍，让大家了原理和在精密测量中应用的介绍，让大家了原理和在精密测量中应用的介绍，让大家了原理和在精密测量中应用的介绍，让大家了 解解解解GPSGPSGPSGPS技术的特点及其潜在的应用领域。技术的特点及其潜在的应用领域。技术的特点及其潜在的应用领域。技术的特点及其潜在的应用领域。主要内容：主要内容：主要内容：主要内容：?1 GPS1 GPS的基本概念的基本概念的
4、基本概念的基本概念?2 GPS2 GPS的定位原理的定位原理的定位原理的定位原理?3 GPS3 GPS定位误差定位误差定位误差定位误差?4 GPS4 GPS的精密测量的精密测量的精密测量的精密测量?5 GPS5 GPS现代化发展现代化发展现代化发展现代化发展?6 6 其它卫星导航系统其它卫星导航系统其它卫星导航系统其它卫星导航系统1. GPS1. GPS1. GPS1. GPS的基本概念的基本概念的基本概念的基本概念? GPSGPS的定义的定义的定义的定义? GPSGPS的组成的组成的组成的组成?1.1 GPS1.1 GPS的定义的定义的定义的定义? ?GPSGPS的全称是的全称是的全称是的全
5、称是“ “授时与测距导航系统授时与测距导航系统授时与测距导航系统授时与测距导航系统/ / 全球定位系统全球定位系统全球定位系统全球定位系统” ”（Navigation System Timing Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System and Ranging/Global Positioning System NAVSTAR / GPSNAVSTAR / GPS），简称，简称，简称，简称“ “全球定位系统全球定位系统全球定位系统全球定位系统” ” （GPSGPS）。）。）。）。?GPSGPS的定义的定义的定义
6、的定义? ?GPSGPS是一种以空间卫星为基础的无线电是一种以空间卫星为基础的无线电是一种以空间卫星为基础的无线电是一种以空间卫星为基础的无线电 导航系统，它是借助于均匀分布在距离地导航系统，它是借助于均匀分布在距离地导航系统，它是借助于均匀分布在距离地导航系统，它是借助于均匀分布在距离地 面面面面2020020200公里高空的公里高空的公里高空的公里高空的2121颗（外加颗（外加颗（外加颗（外加3 3颗备用）颗备用）颗备用）颗备用） 人造卫星，为全球地表面及近地空间用户人造卫星，为全球地表面及近地空间用户人造卫星，为全球地表面及近地空间用户人造卫星，为全球地表面及近地空间用户 提供全天候、连
7、续实时、高精度的三维位提供全天候、连续实时、高精度的三维位提供全天候、连续实时、高精度的三维位提供全天候、连续实时、高精度的三维位 置、三维速度和时间信息。置、三维速度和时间信息。置、三维速度和时间信息。置、三维速度和时间信息。一、位置基准一、位置基准? ? 概述概述 坐标系统坐标系统 原点、坐标轴指向、长度基准原点、坐标轴指向、长度基准 惯性系与非惯性系惯性系与非惯性系 地心系与参心系地心系与参心系一、位置基准（续）一、位置基准（续）? ? 类型类型 习习/ /惯用天体参照系（惯用天体参照系（Conventional Celestial Conventional Celestial Refe
8、rence SystemReference System） 例：例：ICRFICRF，IERS (International Earth Rotation Service)IERS (International Earth Rotation Service) 制定，由制定，由500500颗河外星系的天体所构成颗河外星系的天体所构成 习习/ /惯用地面参照系（惯用地面参照系（Conventional Terrestrial Conventional Terrestrial Reference SystemReference System） 例：例：ITRFITRF， IERS (Internat
9、ional Earth Rotation Service)IERS (International Earth Rotation Service) 制定，由全球数百个制定，由全球数百个SLRSLR、VLBIVLBI和和GPSGPS站所构成站所构成一、位置基准（续）一、位置基准（续）? ? GPSGPS应用中所采用的位置基准应用中所采用的位置基准 WGS84WGS84（World Geodetic System 1984World Geodetic System 1984） ? ? 广播星历广播星历 ? ? 由美国国防部研制确定，其原点在地球质心，由美国国防部研制确定，其原点在地球质心，Z Z轴指
10、向轴指向 BIH1984.0BIH1984.0定义的协议地球极（定义的协议地球极（CTPCTP），），X X轴指向轴指向 BIH1984.0BIH1984.0的零子午面与的零子午面与CTPCTP赤道的交点，赤道的交点，Y Y轴与轴与Z Z、X X 轴构成右手系。椭球采用轴构成右手系。椭球采用IUGGIUGG在第在第1717届大会给出的推届大会给出的推 荐值：长半轴为荐值：长半轴为63781376378137，扁率为，扁率为1/298.2572235631/298.257223563。 大地水准面模型采用大地水准面模型采用EGMEGM。 ITRFyyITRFyy ? ? IGSIGS精密星历精密
11、星历 ? ? Z Z轴指向轴指向CIO CIO ，利用，利用SLRSLR、VLBIVLBI和和GPSGPS等技术维持。等技术维持。 ? ? 提供站坐标及速度场信息提供站坐标及速度场信息一、位置基准（续）一、位置基准（续）? ? GPSGPS应用中所采用的位置基准（续）应用中所采用的位置基准（续） WGS84WGS84与与ITRFITRF的关系的关系 ? ? WGS84WGS84地面站坐标精度为地面站坐标精度为1m1m到到2m2m的精度，的精度， ITRFITRF则为厘米级精度则为厘米级精度 ? ? 引力常数不同引力常数不同 ? ? WGS84WGS84经过两次的精化与经过两次的精化与ITRFI
12、TRF越来越接近，越来越接近， 在一般的应用中可不考虑其差异。在一般的应用中可不考虑其差异。一、位置基准（续）一、位置基准（续）? ? GPSGPS应用中所采用的位置基准（续）应用中所采用的位置基准（续） WGS84WGS84与与ITRFITRF的关系（续）的关系（续）? ? 转换关系转换关系ITRFWGSRXcX+=84二、时间基准（系统）二、时间基准（系统）? ? 时间的起点和时间的长度时间的起点和时间的长度 ? ? 时间系统时间系统 太阳时与恒星时太阳时与恒星时 力学时力学时 原子时原子时 ? ? GPSGPS时时 为原子时为原子时 19801980年年1 1月月6 6日日0 0时与时与
13、UTCUTC一致一致 GPSGPS时用时用GPSGPS周周+ +一周内的秒数来表示一周内的秒数来表示X axis = 0 longitude X axis in plane of equatorY axis = 90 E longitude Y axis in plane of equatorcenter of mass of earth (0,0,0)Z axis = Mean rotation axis (polar axis) fixed in timeEarthEarth- -Centered, Earth Fixed Centered, Earth Fixed SystemSyste
14、mZECEF and Geodetic ECEF and Geodetic CoordinatesCoordinatesPYXBYXZHL? ? Cartesian coordinates Cartesian coordinates (X, Y, Z)(X, Y, Z) ? ? Ellipsoidal coordinates Ellipsoidal coordinates (B, L, H)(B, L, H)Ellipse in 3Ellipse in 3- -D: an EllipsoidD: an EllipsoidSEMI-MINOR AXISSEMI-MAJOR AXISFlatten
15、ingbaThe GPS Vector:The GPS Vector:Station 1Station 2XYZGeodesicGround Distance VECTOR Direct measurement from Station 1 to Station 2Ellipsoid卫星时间、卫星时间、GPSGPS时间以及时间以及UTCUTC关系的计算示意图关系的计算示意图? GPSGPS卫星的特点卫星的特点卫星的特点卫星的特点? ? GPSGPS卫星主体呈圆卫星主体呈圆卫星主体呈圆卫星主体呈圆? ?柱形，直径柱形，直径柱形，直径柱形，直径1.51.5米米米米 ? ? 重量约重量约重量约重量约
16、774kg774kg（其（其（其（其? ?中有中有中有中有310kg310kg燃料）燃料）燃料）燃料） ? ? 有有有有4 4台高精度原子钟台高精度原子钟台高精度原子钟台高精度原子钟 ? ? 两侧两侧两侧两侧2 2块双叶太阳能块双叶太阳能块双叶太阳能块双叶太阳能? ?板，自动旋转定向板，自动旋转定向板，自动旋转定向板，自动旋转定向?1.2 GPS1.2 GPS的组成的组成的组成的组成? ? 三大组成部分：三大组成部分：三大组成部分：三大组成部分：? ? 1 1）空间星座）空间星座）空间星座）空间星座 ? ? 2 2）地面监控）地面监控）地面监控）地面监控 ? ? 3 3）用户设备）用户设备）用户设备）用户设备提供星历与时间信息 发射伪距与载波信号 提供其它辅助信息提供星历与时间信息 发射伪距与载波信号 提供其它辅助
