GPS原理及应用,主讲教师：王俊 wj@,,,,第一章 绪论 卫星定位技术的发展历史,世界上只有两件东西能够深深地震撼人们的心灵，一件是我们心中的崇高的道德准则，另一件是我们头顶上灿烂的星空 —— 康德《实践理性批判》,古代天文学家,国外： 亚里士(斯)多德 （前384—前322年），古希腊斯吉塔拉人，是世界古代史上最伟大的哲学家、科学家和教育家之一 认为运行的天体是物质的实体，地是球形的，是宇宙的中心；地球和天体由不同的物质组成，地球上的物质是由水气火土四种元素组成，天体由第五种元素“以太”构成伽利略（Galileo Galilei，1564-1642），意大利物理学家、天文学家和哲学家，近代实验科学的先驱者1609年，伽利略创制了天文望远镜，并用来观测天体，他发现了月球表面的凹凸不平，并亲手绘制了第一幅月面图1610年1月7日，伽利略发现了木星的四颗卫星借助于望远镜，伽利略还先后发现了土星光环、太阳黑子、太阳的自转、金星和水星的盈亏现象、月球的周日和周月天平动，以及银河是由无数恒星组成等等这些发现开辟了天文学的新时代哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473-1543） 波兰天文学家、日心说创立者，近代天文学 的奠基人。
哥白尼经过长期的天文观测和研究，创立了更为科学的宇宙结构体系——日心说，从此否定了在西方统治达一千多年的地心说他指出月球本身并不发光，月光其实是日光的反射；他还正确地解释了月食的成因，并且认识到宇宙的无限性和行星运动的快慢与距离地球远近的关系,国内： 张衡，南阳人他是我国东汉时期伟大的天文学家，为我国天文学的发展作出了不可磨灭的贡献,编制出我国古代最先进、施行最久的历法《授时历》计算回归年长度为365.2425日，与现今通行的公历值完全一致郭守敬（1231-1316）， 字若思，顺德邢台（今河北邢台）人，元朝天文学家、水利学家、数学家和仪表制造家区分了回归年和恒星年，首次把岁差引进历法，岁差的引入是中国历法史上的重大进步 木星公转周期为11.858年（今测为11.862年）祖冲之，字文远， 祖籍范阳郡遒县（今河北涞源县），南北朝时期杰出的数学家、天文学家和机械制造家技术的跨越,1957年10月4日，前苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星，标志着空间科学技术的发展跨入了一个崭新的时代随着人造地球卫星的不断发展，世界各国不仅利用人造地球卫星为军事、经济和科学文化等服务，而且应用于空间定位，从而产生了卫星大地测量学。
1.1早期的卫星定位技术,卫星定位技术 是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术最初，人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标卫星三角测量法,在相距数千公里的A、B两个测站，各安设一台卫星摄影机．在晴朗的夜晚，以恒星为背景，A、B两个测站对同一颗人造地球卫星(简称卫星)S，进行同步摄影由此得到的摄影底片，既有卫星S1的影像Sa、Sb，又有某些恒星的影像；从天文年历中查出有关恒星的坐标，并在摄影底片上精确量测出卫星坐标，依此推算出A、B测站至卫星S的方向as1、bs1，从而获得一个同步平面AS1B在A、B测站对另一颗卫星S2(或同一颗卫星的另—个位置)再进行一次同步摄影，又可推算出A、B测站至卫星s2的方向as2、bs2，得到另一个同步平面AS2B，AS1B平面与AS2B平面的交线，便是连结A、B测站的弦线ab同理，当A、C测站进行两次同步摄影时，亦可求得连结A、C测站的弦线AC和B、C测站的弦线BC，若已知A、C测站的坐标，则可求得待定点B的坐标；如果A、C测站位于陆地上，月测站处于远海岛屿上，用上述卫星摄影观测的方法，就可以实现大陆和海岛的联测定位，这是常规定位技术望尘莫及的1966年至1972年间，美国国家大地测量局在英国和前联邦德国测绘部门的协作下，用上述卫星三角测量方法测设了一个具有45个测站的全球卫星三角网，获得了5m的点位精度。
缺点 由于卫星三角测量受卫星可见条件及天气的影响，费时费力，定位精度又不甚理想，且不能得到点位的地心坐标，因此卫星三角测量成为—种过时的观测技术,1.2 卫星多普勒定位系统,1958年12月，美国海军和霍普金斯(Hopkins)大学应用物理实验室，为了给北极星核潜艇提供全球性导航，开始研制一种卫星导航系统，称之为美国海军导航卫星系统(Navy NavigationSatellite System)，简称为NNSS1.2.1卫星多普勒定位系统,1959年9月发射了第一颗试验性卫星，到1961年11月，先后共发射了9颗试验性导航卫星经过几年的试验研究，解决了导航卫星的许多技术问题1963年12月起，陆续发射了6颗上作卫星组成子午卫星星座，使得地球表面上任何一个测站上，平均每隔2h便可观测到其中一颗卫星由于这些卫星的轨道均经过地球的南北极上空，故称为子午卫星卫星高度在950～1200km之间，卫星运行周期约为107min，轨道近似于圆形1.2.2 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：,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。
卫星多普勒定位已进入了卫星定位的高级阶段此时，卫星不再作为一种单纯的空间观测目标，而是一种通过其轨道参数介入定位的动态已知点观测方式从量测卫星方向转到测量地面测站至卫星的距离或距离差测定多普勒频移，即可求出ρ： ρ为卫星到接收机的距离1.2.3 卫星多普勒定位系统组成,由三部分组成，除了以止围绕地球运行的子午卫星外，还有地面跟踪网以及用户接收机地面跟踪网由跟踪站、计算中心、注入站、海军天文台和控制中心五部分组成它们的任务是测定各颗卫星的轨道参数，并定时将这些轨道参数和时间信号注入到相应的各颗卫星内，以便卫星按时向地面播发接收机是用来接收卫星发射的信号、测量多普勒频移、解译卫星的轨道参数，以测定接收机所在位置的设备由于这些接收机都是采用多普勒效应原理进行接收和定位的，所以也称为多普勒接收机1.2.4 NNSS优缺点,NNSS的优点： （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NNSS的缺点： （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1.3全球定位系统,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）1.3.1 GPS方案,（1）初期方案：24颗卫星组成的实用系统；互成120度的3个轨道平面上，每个轨道平面上分布8颗星，同时能测6-9颗星，定位精度为100米，精码定位精度为10米 （2）中期方案：1978年，压缩国防预算，减少对GPS计划的拨款方案改为：18颗卫星分布在互成60度的6个轨道平面上，55度倾角，每个轨道平面上分布3颗星，同时能测4颗星可靠性低，一旦卫星发生故障，可靠度更低3）最终方案：1990年初，第三次修改方案是：有21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组称，6个轨道互成60度角，共有24颗卫星，轨道长半轴为26609公里，高度在两万公里以上1.3.2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 -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1979-1984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、BlockⅡADOD于1995年4月27日宣布：“GPS系统已具备全部运作能力至此，整个历时23年、耗资130亿美元的GPS计划宣告完成1.3.3 GPS定位系统的组成,GPS系统的组成： 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,GPS的空间部分的组成 GPS卫星星座,6个轨道面 平均轨道高度20200km 轨道倾角55 周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）,,GPS卫星星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 保证在每天24小时的任何时刻和地点，能够同时观测到4颗以上卫星,,GPS卫星 作用： 接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。
主要设备 太阳能电池板 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 信号生成与发射装置,,,二、 GPS的地面监控部分,地面监控部分 （Ground Segment） 组成 主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统,GPS的地面监控部分,地面监控部分 （Ground Segment） 分布,,主控站（1个） 作用： 管理、协调地面监控系统各部分的工作， 收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星， 监控卫星状态，向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况的处理 地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地注入站（3个） 作用： 将导航电文注入GPS卫星 地点： 阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）,,监测站（5个） 作用： 接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站 地点： 夏威夷、主控站及三个注入站三、 GPS的用户部分,组成 用户 接收设备 接收设备 GPS信号接收机 其它仪器设备,,GPS信号接收机 组成 天线单元 带前置放大器 接收天线 接收单元 信号通道 存储器 微处理器 输入输出设备 电源,GPS接收机的组成及作用,（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。
（3）输入/输出系统——操作键盘，显示器，通讯接口，记录器1.3.4 GPS的优点,优点： （1）全球地面连续覆盖，卫星数目多且分布合理，在地球上任何地方可连续同步观测到至少4颗卫星保障了全球、全天候连续实时导航与定位 （2）功能多、精度高，连续提供动态目标的三维位置信息、三维速度和时间信息 （3）实时定位速度快，1秒即可完成定位 （4）抗干扰性能好，保密性强GPS为何有如此多的优点、为许多行业带来一场革命？,1.3.5 当前美国对GPS用户的主要限制性政策,1、对不同的GPS用户提供不同的服务方式： 精密定位服务（Precise Positioning Service-PPS）（P码，精码，军用，单点定位精度约10米）； 标准定位服务（Standard Positioning Service-SPS）（C/A码，粗码，民用，单点定位精度约100米） 实际定位精度远高于设计精度，利用粗码（C/A码）定位精度为14米，精码（P码）为3米2、实施选择可用性（Selective Availability）政策：为了进一步降低标准定位服务（SPS）的定位精度，以保障美国。