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1、第第7 7章章 卫星定位测量卫星定位测量2024/7/251 7.1 7.1 卫星导航定位系统概述卫星导航定位系统概述一一. 全球定位系统全球定位系统u G P S Global Positioning Systemu 定义：GPS是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。2024/7/252卫星定位技术发展的回顾19571957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，4040年年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天
2、文学和军导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域，得到了极广泛应用。事科学等众多领域，得到了极广泛应用。2024/7/253人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite SystemNNSS）。由于该系统卫星都通过地极，也称“子午(Transit)卫星系统”。1964年该系统建成，并在美国军方启用。1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。该系统不受气象条件的限制，自动化程度高，具有良好的定位精度。2024/7/2
3、54尽管NNSS在导航技术的发展中具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目少（5-6颗），运行轨道低（1000km ）,观测时间长（1.5小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。而从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观测1-2天；精度低，单点定位精度3-5m，相对定位精度1m，使得在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到很大限制。2024/7/255 为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部开始组织陆海空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的“导航卫星授时
4、测距/全球定位系统”（Navigation Satellite Timing and ranging / Global Positioning System）简称全球定位系统（GPS）。 为使GPS具有高精度连续实时三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性能，在设计上采取了若干改善措施。2024/7/256GPS系统的特点u 全球性连续覆盖，全天候工作u 定位精度高u 观测时间短u 测站间无需通视u 可提供三维坐标u 操作简便u 功能多，用途广2024/7/257非特许用户对美国限制性政策的措施非特许用户对美国限制性政策的措施uGLONASS 全球导航卫星系统uGalileo系统u北斗系统：我国
5、的第一代卫星导航系统2024/7/2581 1、GLONASSGLONASSu类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统u其前身CICADA与子午系统同期，于1965年设计，有12 颗卫星；u20世纪70年代中期开始启动GLONASS计划u1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星u1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力u由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星仅为8颗。2024/7/259GLONASSGLONASS2024/7/2510GPS/GLONASS系统参数比较系统参数比较GPSGLONASS卫星星座21+321+3轨道平面6个轨道面3
6、个轨道面轨道倾角55。64.8。轨道高度20,200km19,123km运行周期11小时58分钟11小时15分钟星历数据轨道开普勒根数地心直角坐标卫星寻址CDMA（码分多址）不同的卫星采用不同的PRN码加以区分FDMA（频分多址）（L1）1602+k ?/16MHz（L2）1246+k?/16MHz载波频率L1：1575.42MHzL2：1227.6MHz1602.5625MHz1615.5MHz1246.4375MHz1256.5MHz基准坐标系WGS-84PZ-90测距码伪随机噪声码伪随机噪声码码元数1023 bit511 bit码周期1 ms1 ms码频率1.023 MHz0.511 M
7、Hz时间基准GPS时统，与UTC保持一定的差值，无跳秒GLONASS时统，经常调整与UTC保持一致，有跳秒导航电文37500 bits，持续750秒7500 bits，持续150秒2024/7/25112 2、GalileoGalileou背景：GLONASS在轨卫星缺失，GPS独霸市场 GLONASS、GPS均由军方控制u欧盟：建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统u特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空 的系统。参股共建，收费。u阶段： （一）2000年前，可行性评估或定义 （二）20012005，开发和检测 （三）20062007，部署 （四）2008，商业运行2024/
8、7/2512欧盟为何重视伽利略计划欧盟为何重视伽利略计划1. 打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的 市场份额。权威部门预计：伽利略计划将为欧盟创造 万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有 亿欧元之多；仅出售航空和航海终端设备一项就 可在年至年将获得亿欧元收入2. 欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全 防御政策服务。3. 欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事 务中就没有主导权。 2024/7/2513Galileo计划概况 伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元 系统由30颗高轨道卫星组成，分布在轨道高度为 2.4万千米、倾角为56度的3个轨道面上。 基础设施
9、包括天基和地基两部分。 卫星将为用户提供精确的时间和误差不超过一米 的全球精确定位服务，与美国GPS和俄罗斯的 GLONASS争夺市场。 2024/7/25143 3、北斗系统北斗系统目的：快速定位、实 时导航，简短通 讯，精密授时 由两颗地球同步轨道卫星组成星座，卫星结构简单2024/7/2515 7. 2 7. 2 GPSGPS 构成构成n n（1）GPS卫星星座（空间部分）n n（2）地面监控系统（地面控制部分）n n（3）GPS信号接收机（用户设备部分）2024/7/25162024/7/25177.2.17.2.1 空间卫星空间卫星共24颗卫星，其中3颗备用，分布在6个轨道面上。轨道
10、面相对地球赤道面的倾角为550，各轨道平面升交点赤经相差600，相邻轨道上卫星的升交距角相差300。轨道平均高度约20200km，运行周期11h58m。因此，同一测站上每天出现卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间地点而异，最少4颗，最多达11颗。2024/7/25182024/7/2519u 铯原子钟u 计算机u 2块7m2的太阳能翼板u 无线电收发两用机u 导航荷载（接收数据， 发射测距和导航数据）u 姿态控制和太阳能板指 向系统2024/7/25201.第一代Block1型用于系统实验， 称实验卫星，共研制和发射了
11、11颗，设计寿命5年，现已停止工作。2.第二代Block2和2A型卫星称为工作卫星，共研制了28颗，设计寿命7.5年，从1989年初到1994年上半年发射完毕。3.第三代Block3和2R型卫星尚在设计中，预计20颗，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。2024/7/25211. 接收和存储由地面监控站发来的导航信息， 接收并执行监控站的控制指令。2. 利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据 进行处理。3. 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4. 向用户发送定位信息。5. 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫 星姿态和启用备用卫星。GPS卫星的基本功能卫星的基本功能2024/7/2522
12、7.2.27.2.2 地面监控部分地面监控部分 GPS GPS的地面监控部分由分布在全球的的地面监控部分由分布在全球的5 5个地面站个地面站组成，其中包括卫星监测站（组成，其中包括卫星监测站（5 5个）、主控站（个）、主控站（1 1个）个）和注入站（和注入站（3 3个）个）1 1、 监测站：监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频中心。站内设有双频GPSGPS接收机、高精度原子钟、接收机、高精度原子钟、计算机计算机1 1台和若干台环境数据传感器。观测资料由台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确计算机进行
13、初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。定卫星轨道。2024/7/2523主控站主控站监控站监控站监控站监控站注入站注入站/监控站监控站注入站注入站/监控站监控站注入站注入站/监控站监控站控制站的分布控制站的分布夏威夷夏威夷卡瓦加兰卡瓦加兰狄哥狄哥伽西亚伽西亚阿松森岛阿松森岛科罗拉多科罗拉多2024/7/25242 2、主控站、主控站 除协调和管理地面监控系统外，主要任务：除协调和管理地面监控系统外，主要任务：1 1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将
14、数据传送到注入站。送到注入站。2 2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPSGPS卫卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。3 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4 4）启用备用卫星代替失效工作卫星）启用备用卫星代替失效工作卫星。2024/7/25253 3、注入站：、注入站： 主要设备为主要设备为1 1台直径台直径3.63.6m m的天线、的天线、1 1台
15、台c c波段发射波段发射机和机和1 1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。并监测注入信息的正确性。整个整个GPSGPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。计算机的驱动和控制下，实现高度的自动
16、化标准化。2024/7/2526GPS地面控制部分的作用地面控制部分的作用负责监控全球定位系统的工作：u 监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行u 跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星 通过导航电文发送给用户u 保持各颗卫星的时间同步u 必要时对卫星进行调度2024/7/25277.2.37.2.3 GPS GPS用户设备部分用户设备部分 u GPS接收机 接收、跟踪、变换和测量GPS信号的无线电设备u GPS接收机的组成 天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源u GPS接收机的作用 接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作2024
17、/7/25282024/7/25292024/7/25302024/7/2531GPS接收机类型接收机类型按接收机用途划分：导航型：用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度，保障按预定路线航行或选择最佳路线。采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定位，精度低，结构简单，价格便宜，应用广泛。测量型接收机：采用载波相位观测量进行相对定位，精度高。观测数据可测后处理或实时处理（RTK），需配备功能完善的数据处理软件。与导航型相比，结构复杂，价格昂贵。授时型接收机：主要用于天文台或地面监控站，进行时频同步测定。2024/7/2532GPS接收机天线接收机天线天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电流，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处理和量测。2024/7/2533GPS接收机工作原理接收机工作原理当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPS信号，具有变换、放大和处理的功能，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件，而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包，才是完整的GPS信号用户设备。2024/7/2534
