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1、GPSGPS技技术与应用用西南交通大学西南交通大学测量工程系量工程系7/25/20241GPS技术与应用卫星无线电导航系统卫星无线电导航系统 1子午卫星导航系统（TRANSIT）2全球定位系统（GPS）3全球导航定位系统（GLONASS）4双星导航定位系统（北斗一号）5伽俐略系统（GAILILEO）1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星由前苏联成功发射，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展，迅速地跨入了一个崭新的时代。7/25/20242GPS技术与应用一、子午卫星导航系统（一、子午卫星导航系统（TRANSIT）子午卫星导航系统，又称多普勒卫星定位系统，它是58年底由
2、美国海军武器实验室开始研制，于64年建成的“海军导航卫星系统”（ Navy Navigation SatelliteSystem）。这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。1967年7月该系统由军方解密供民间使用。此后用户数量迅速增长，最多达9.5万户，而军方用户最多时只有650个，不足总数的1%，可见因生产的需要民间用户远远大于军方。7/25/20243GPS技术与应用系统组成系统组成 n卫星星座q由六颗独立轨道的极轨卫星组成，轨道倾角i=90； 卫 星 运 行 周 期 为 T=107m； 卫 星 高 度 约 为H=1075km。n地面系统q地面设有4个卫星跟踪站；1个计算中心；1个控制中心
3、；2个注入站；1个天文台（海军天文台）。7/25/20244GPS技术与应用技术特点技术特点 n定轨精度q广播星历所预报的卫星位置的切向误差17m；径向误差26m；法向误差8m。q精密星历所预报的卫星位置精度为2m。n卫星性能q星体直径约为50公分，卫星重量为4573公斤。n卫星信号q4.9996MHz基准钟频信号，倍频30和80倍后，形成149.988MHz和399.968MHz的标准信号。n定位精度q利用广播星历的单点定位精度约为10m，观测100次卫星通过后的测量数据平差解算后，可获得精度为35m；利用精密星历观测40次卫星通过的测量数据平差解算后，可获得精度为0.51m；为了消除公共误
4、差提高定位精度，相对定位的精度为0.5m。7/25/20245GPS技术与应用不足之处不足之处 n一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要q一次定位一般需要连续观测一颗卫星通过的时间约为1518分钟n卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要。q没有采用频分、码分、时分等多路接收技术，确定了该系统不能成为连续导航系统。n子午卫星导航系统的定位精度偏低q卫星轨道低，信号频率较低受电离层影响大，卫星钟频不够稳定7/25/20246GPS技术与应用二、全球导航定位系统二、全球导航定位系统（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
5、导 航 定 位 系 统（ GlobalNavigationSatelliteSystem,GLONASS）。该系统与美国的全球定位系统同属于第二代卫星定位系统。7/25/20247GPS技术与应用系统组成系统组成 n卫星星座q三个独立椭圆轨道，的24颗卫星组成（另加1颗备用卫星），每个轨道分布8颗卫星，各轨道升交点赤经相差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；卫星高度H=19100km；卫星设计使用寿命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。n地面系统q1个系统控制中心（在莫斯科
6、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。7/25/20248GPS技术与应用技术特点技术特点 n卫星信号q两种载波信号，L1载波信号16021616MHz，民用；L2载波信号12461256MHz，军用。卫星之间的识别方法采用频分多址（FDMA），L1频道间隔为0.5625MHz，L2频道间隔为0.4375MHz。测距粗码（C/A码）的码频0.511MHz码长为511比特，重复周期为1ms；精码P码，尽管前苏联严格保密，英国立茨大学G.R.Lennen博士成功破译。n定位精度q水平精度：5070m；垂直精度：75m；q测速精度：15cm/s；授时精
7、度：1s。7/25/20249GPS技术与应用三、双星导航定位系统（北斗一号）三、双星导航定位系统（北斗一号） 我国已于2000年底（10月31日、12月21日）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。7/25/202410GPS技术与应用系统组成系统组成 n卫星星座q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。n地面系统q一个中心站、定轨观测网、校准站、测高站7/25/202411GPS技术与应用技术特点技术特点n
8、服务区域：q70145E；555Nn用户设备：q定位收发机的瞬间发射功率较大n定位精度：q平面精度20m；垂直精度10m7/25/202412GPS技术与应用定位原理定位原理 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地面中心站通过2颗卫星传送测距问询信号，用户回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出卫地距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个卫地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中读出用户高程，进而让
9、卫星转告用户。7/25/202413GPS技术与应用四、伽俐略系统（四、伽俐略系统（GAILILEO） 从1994年欧盟开始对伽利略（GAILILEO）系统方案实施论证以来，2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略（GAILILEO）系统的L频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略（GAILILEO）系统的建设。该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资（36亿欧元），是将来精度最高的全开放的新一代卫星定位系统。7/25/202414GPS技术与应用系统组成系统组成 n卫星星座q3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星（27颗工作卫星，3颗备用卫星）；轨道倾角i=5
10、6；公转周期T=14h23m14s；轨道高度H=23616km。n地面系统q在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。n定位精度q导航定位精度比目前任何系统都高7/25/202415GPS技术与应用计划实施计划实施 n1994年开始进入方案论证阶段；n2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段；n2008年整个伽利略（GNSS）系统建成并投入使用。7/25/202416GPS技术与应用服务方式服务方式 按不同用户层次分为免费服务和有偿服务两种级别。免费服务包括：提供L1频率基本公共服务，与现有的GPS民用基本公共服务信号相似，预计定位精度为10m。有偿服务包括：提供附加的L2或L5信号，可为民
11、航等用户提供高可靠性、完好性和高精度的信号服务。系统定义了三种类型的业务：1.开放接入业务（OAS）：向民用用户开放的免费业务2.一类控制接入业务（CAS1）：为商业应用提供有偿服务。3.二类控制接入业务（CAS2）：为安全和军事提供有偿服务。所有这三类服务的精度都优于10m。CAS2可实现水平4m、垂直16m的定位精度。7/25/202417GPS技术与应用五、全球定位系统（五、全球定位系统（GPS） 全球定位系统的全称是：导航卫星测时测距/全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging / GlobalPositioningSystem），简称
12、GPS。1973年12月，美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统全球定位系统（GPS）。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时等多种功能。能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服务。GPS计划经历了方案论证（19741978年），系统论证（19791987年），试验生产（19881993年）三个阶段，总投资300亿美元。7/25/202418GPS技术与应用GPS系统组成系统组成7/25/202419GPS技术与应用空间部分空间部分 24颗卫星
13、（21颗工作卫星+3颗备用卫星），6个近圆形轨道面，高度约20200km，轨道倾斜55，轨道平面升交点赤经相差60，周期约11小时58分7/25/202420GPS技术与应用GPS卫星发展历程卫星发展历程n第一代：实验卫星(BlockI)q1978-1985共发射11颗，设计寿命5年，停止工作n第二代：BlockII、BlockIIA、BlockIIR、BlockIIFq1988-1994年共发射28颗BlockII、BlockIIAn第三代：BlockIq下一代工作卫星7/25/202421GPS技术与应用BLOCK IBLOCK II/IIA7/25/202422GPS技术与应用BLOCK
14、 IIFBLOCK IIR7/25/202423GPS技术与应用控制部分控制部分1个主控站、5个监测站、3个注入站7/25/202424GPS技术与应用用户设备部分用户设备部分用户设备主要是GPS接收机，它由天线前置放大器、信号处理、控制与显示、记录和供电单元组成。7/25/202425GPS技术与应用GPS系统的特点系统的特点 1定位精度高2观测时间短3测站间无需通视4可提供三维坐标5操作简便6全天候作业7功能多，应用广7/25/202426GPS技术与应用美国对美国对GPS用户的限制性政策用户的限制性政策 1.标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）2.选择性可用（SA）政策对（SP
15、S）服务实施干扰3.反电子欺骗技术(A-S)对P码实施加密7/25/202427GPS技术与应用1.标准定位服务和精密定位服务标准定位服务和精密定位服务nPrecisePositioningService-PPS(P-code)nStandardPositioningService-SPS(C/Acode)Accuracyin:PPS(95%)SPS(95%)horizontalplane22meters100metersverticalplane27.7meters156meterstimetransfer200nanoseconds 340nanoseconds7/25/202428GPS
16、技术与应用2.选择性可用政策（选择性可用政策（ Selective Availability ，SA）n技术q将钟频信号加入高频抖动使C/A码波长不稳定n技术q将广播星历的卫星轨道参数加入人为误差，降低定位精度nSA政策1991年7月1日实施，因影响美国商业利益，于2000年5月2日取消SA政策7/25/202429GPS技术与应用单点定位单点定位: 2000年五月以前年五月以前nL1C/A码n有SA政策25-100 m25-100 m7/25/202430GPS技术与应用单点定位单点定位: 目前目前nL1C/A码n无SA政策10-20 m10-20 m7/25/202431GPS技术与应用单
17、点定位单点定位: 到到2009年年nL1C/A码nL2C/A码5-10 m5-10 m7/25/202432GPS技术与应用单点定位单点定位: 到到 2013nL1C/A码nL2C/A码nL5P码1-5 m1-5 m更好的抗更好的抗更好的抗更好的抗干扰特性干扰特性干扰特性干扰特性7/25/202433GPS技术与应用RTK定位定位: TodaynL1码和载波相位nL2载波相位n数据链10 km10 km2 cm 2 cm 精度精度精度精度7/25/202434GPS技术与应用RTK定位定位: 将来将来nL1码和载波相位nL2码和载波相位nL5码和载波相位n数据链100+ km100+ km信号
18、失锁快信号失锁快信号失锁快信号失锁快速恢复能力速恢复能力速恢复能力速恢复能力2 cm 2 cm 精度精度精度精度7/25/202435GPS技术与应用测绘测绘/制图制图/GIS方面的应用方面的应用n测量精度可达到cm-mm级精度n节省时间、成本、劳动力大约100%-300%n自动制图n各种工程测量n石油、天然气、矿藏开发n各种等级的控制测量n变形监测：路基、桥梁和隧道的水平位移监测，滑坡和高边坡的变形监测7/25/202436GPS技术与应用相对经典的测量技术，相对经典的测量技术，GPS技术主要特点如下：技术主要特点如下：n1、观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良
19、好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标，这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。n2、定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1210-6，而在100km500km的基线上可达10-6 10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度可达到或优于10-8。7/25/202437GPS技术与应用相对经典的测量技术，相对经典的测量技术，GPS技术主要特点如下：技术主要特点如下：n3、观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为13小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。n4、提供三维坐标。GPS测量，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探，航空摄影测量及精度导航中的应用，提供了重要的高程数据。n5、全天侯作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。7/25/202438GPS技术与应用
