1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组 GPS原理及其应用 (一) GPS原理及其应用原理及其应用 第一章绪 论 1.1 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 1.2 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 1.1 全球定位系统的产生、发展及前景 GPS原理及其应用原理及其应用 什么是GPS？ GPS的英文全称是的英文全称是 Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 简称简称GPS，有时也被称作，有时也被
2、称作NAVSTAR GPS。 l 其意为其意为“导航星测时与测距全球导航星测时与测距全球 定位系统定位系统”，或简称全球定位系，或简称全球定位系 统。统。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 什么是全球定位系统什么是全球定位系统 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS概述 建立国家建立国家 美国美国 目的目的 在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及 授时服务授时服务 开始筹建时间开始筹建时间 1973年年 完全建成时间完全建成时间 1995年年 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产
3、生、发展及前景 GPS概述概述 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS概述 系统构成系统构成 空间部分、地面控制部分、用户部分空间部分、地面控制部分、用户部分 服务方式服务方式 通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务 定位原理定位原理 距离交会距离交会 测距原理测距原理 被动式电磁波测距被动式电磁波测距 特点特点 全球覆盖、全天候、不间断、精度高全球覆盖、全天候、不间断、精度高 绪论绪论绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS概述概述 GPS原理及其应用原理及其应用 常规（地面）定位方法 近、现代的常规
4、定位方法近、现代的常规定位方法 采用的仪器设备采用的仪器设备 尺：铟钢尺尺：铟钢尺 光学仪器：经纬仪，水准仪光学仪器：经纬仪，水准仪 电磁波或激光仪器：测距仪电磁波或激光仪器：测距仪 综合多种技术的仪器：全站仪综合多种技术的仪器：全站仪 观测值观测值 角度或方向观测角度或方向观测 距离观测距离观测 天文观测方法天文观测方法 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 常规（地面）定位方法常规（地面）定位方法 GPS原理及其应用原理及其应用 常规定位方法的局限性 需要事先布设大量的地面控制点需要事先布设大量的地面控制点/地面站地面站 无法同时精确确定点的三维坐标无法同
5、时精确确定点的三维坐标 观测受气候、环境条件限制观测受气候、环境条件限制 观测点之间需要保证通视观测点之间需要保证通视 需要修建觇标需要修建觇标/架设高大的天线架设高大的天线 边长受到限制边长受到限制 观测难度大观测难度大 效率低：无用的中间过渡点效率低：无用的中间过渡点 受系统误差影响大，如地球旁折光受系统误差影响大，如地球旁折光 难以确定地心坐标难以确定地心坐标 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 常规（地面）定位方法的局限性常规（地面）定位方法的局限性 GPS原理及其应用原理及其应用 多普勒测量与子午卫星系统多普勒测量与子午卫星系统 l多普勒效应多普勒
6、效应 当信号源当信号源S与信号接收处与信号接收处R 间存在相对运动从而导致径间存在相对运动从而导致径 向运动速度向运动速度V0时，接收到时，接收到 的信号频率的信号频率fR就会发生变化就会发生变化 而与发射频率而与发射频率fS不等。不等。 例如：例如： 火车驶入站台和驶离站台火车驶入站台和驶离站台 GPS原理及其应用原理及其应用 多普勒效应 1.信号源信号源S与接收处与接收处R保持相对静止保持相对静止 此时此时fR=fS相同相同 S与与R间的距离为间的距离为 S发出的第一个波前到达发出的第一个波前到达S的时间为的时间为 时间内时间内S与与R的距离保持的距离保持D不变不变 时间内，时间内，S发出
7、的波数为发出的波数为 ， 均匀分布在均匀分布在D中中 R处接收到信号的波长处接收到信号的波长 。 RS = ss Dctc nftf RRs fcf RS = ss Dctc nftf Dct t R s nftt t GPS原理及其应用原理及其应用 多普勒效应 2.信号源信号源S与接收处与接收处R做相向运动做相向运动 此时此时fRfS相同相同 S发出的第一个波前到达发出的第一个波前到达S的时间为的时间为 时间内时间内S与与R的距离由的距离由 变为变为 时间内，时间内，S发出的波数为发出的波数为 ， 均匀分布在均匀分布在D中中 R处接收到信号的波长处接收到信号的波长 。 Dct t R s n
8、ft t t R () = ss cvtcv ftf Rs R cc ff cv ()Dctvtcvt GPS原理及其应用原理及其应用 多普勒效应 3.信号源信号源S与接收处与接收处R做相离运动做相离运动 此时此时fRfS相同相同 S发出的第一个波前到达发出的第一个波前到达S的时间为的时间为 时间内时间内S与与R的距离由的距离由 变为变为 时间内，时间内，S发出的波数为发出的波数为 ， 均匀分布在均匀分布在D中中 R处接收到信号的波长处接收到信号的波长 。 Dct t R s nft t t R () = ss cvtcv ftf Rs R cc ff cv ()Dctvtcvt GPS原理及
9、其应用原理及其应用 多普勒效应 4.信号源信号源S与接收处与接收处R做任意运动做任意运动 将将S相对相对R的速度的速度V分解为径向分量和法分解为径向分量和法 相分量。相分量。 时间当时间当 ，S与与R间的距离将增加，间的距离将增加， 波长将被拉伸波长将被拉伸, fRfS 当当 时，时，fR=fS 当当 时，时， fRfS cos R vv sin t vv 0 90 0 90 0 90 coscos ss ctVtcV ftf cos Rs c ff cV GPS原理及其应用原理及其应用 多普勒测量原理多普勒测量原理 n多普勒频移：多普勒频移：信号发射频率信号发射频率fS 与信号接收频率与信号
10、接收频率fR之差之差f称为多称为多 普勒频移。普勒频移。 径向速度为径向速度为Vcos 若信源在卫星上，若信源在卫星上，R低速运动，低速运动， 则星站间径向速度则星站间径向速度 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性 GPS原理及其应用原理及其应用 子午卫星系统及其局限性 系统组成系统组成 空间部分空间部分 卫星：发送导航定位信号（信号：卫星：发送导航定位信号（信号： 4.9996MHz 30 = 149.988MHz； 4.9996MHz 80 = 399.968MHz；星历）；星历） 卫星星座卫星星座 由由6颗卫星构成，颗
11、卫星构成，6轨道面，轨轨道面，轨 道高度道高度1075km 地面控制部分地面控制部分 包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制 中心和海军天文台中心和海军天文台 用户部分用户部分 多普勒接收机多普勒接收机 大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收 机机 - 1 （MX1502） 大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收 机机 - 2 （CMA751） 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性 GPS原理及其应用原理及其应用 子午卫星系统及其局限性 应用领域应用领域 海上船舶的定位海上船舶的定位
12、大地测量大地测量 精度精度 单点定位：单点定位：15次合格卫星通过（两次合格卫星通过（两 次通过之间的时间间隔为次通过之间的时间间隔为0.8h 1.6h），精度约为），精度约为10m 联测定位：联测定位： 各站共同观测各站共同观测17次合次合 格卫星通过，精度约为格卫星通过，精度约为0.5m 多普勒联测定位多普勒联测定位 多普勒单点定位多普勒单点定位 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性 GPS原理及其应用原理及其应用 子午卫星系统及其局限性 系统缺陷系统缺陷 卫星少，观测时间和间隔卫星少，观测时间和间隔 时间长，
13、无法提供实时导时间长，无法提供实时导 航定位服务航定位服务 导航定位精度低导航定位精度低 卫星信号频率低，不利于卫星信号频率低，不利于 补偿电离层折射效应的影补偿电离层折射效应的影 响响 卫星轨道低，难以进行精卫星轨道低，难以进行精 密定轨密定轨 TRANSIT系统系统 卫星：卫星：6颗颗 极地轨道极地轨道 轨道高度：轨道高度：1075km 信号频率：信号频率：400MHz、150MHz 绝对定位精度：绝对定位精度：1m 相对定位精度：相对定位精度：0.1m0.5m 定位原理：多普勒定位定位原理：多普勒定位 存在问题：卫星少，无法实现实时定位；存在问题：卫星少，无法实现实时定位； 轨道低，难以
14、精密定轨；频率低，难以轨道低，难以精密定轨；频率低，难以 消除电离层影响消除电离层影响。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的发展简史方案论证阶段 1973年年12月，美国国防部批准研制月，美国国防部批准研制GPS。 1978年年2月月22日，第日，第1颗颗GPS试验卫星发射成功。试验卫星发射成功。 从从1973年到年到1979年，共发射了年，共发射了4颗试验卫星。研制颗试验卫星。研制 了地面接收机及建立地面跟踪网。了地面接收机及建立地面跟踪网。 绪论绪论 全球定位系统的产
15、生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的发展简史全面研制和试验阶段 从从1979年到年到1987年，又陆续发射了年，又陆续发射了7颗试验卫星，颗试验卫星， 研制了各种用途接收机。实验表明，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精定位精 度远远超过设计标准。度远远超过设计标准。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的发展简史实用组网阶段 1989年年2月月14日，第日，第1颗颗GPS工作卫星发射成功。工作卫星发射成功。
16、 1991年，在海湾战争中，年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。首次大规模用于实战。 1993年底实用的年底实用的GPS网即（网即（21+3）GPS星座已经建星座已经建 成，今后将根据计划更换失效的卫星。成，今后将根据计划更换失效的卫星。 1995年年7月月17日，日，GPS达到达到FOC 完全运行能力完全运行能力 （Full Operational Capability）。）。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史 GPS原理及其应用原理及其应用 1.2 GPS在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在军
17、事中的应用 GPS导航的舰载飞弹导航的舰载飞弹 配备配备GPS的士兵的士兵 美国海军核潜艇美国海军核潜艇 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在交通运输业中的应用 航运、航空搜索航运、航空搜索 陆路交通（车辆导航、监控）陆路交通（车辆导航、监控） 船舶远洋导航和进港引水船舶远洋导航和进港引水 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用 建立和维持全球性的参考框架建立和维持全球性的参考框架 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 G
18、PS在测量中的应用 板块运动和监测板块运动和监测 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用 建立各级国家平面控制网建立各级国家平面控制网 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程 测量测量 市话网 市话网 市话网 市话网 市话网 深深圳圳市市连连续续运运行行卫卫星星定定位位导导航航服服务务系系统统结结构构及及通通信信网网络络示示意意图图 市 电 信 局 监控分析中心 卫星定位
19、信号 发射台 FM电台 基准站1 基准站2 基准站3 基准站4 基准站5 进入移动电 话系统 用户 用户 全向天线定向天线 Modem 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用 在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在其他领域中的应用 精细农业精细农业 遥感遥感 卫星定轨卫星定轨 资源勘探资源勘探 个人旅游及野外探险个人旅游及野外探险 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间电力、广播、
20、电视、通讯等网络的时间同步、时间 传递传递 . 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组 GPS原理及其应用 (二) GPS原理及其应用原理及其应用 第一章绪 论 1.3 美国政府的美国政府的GPS政策政策 1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GPS原理及其应用原理及其应用 1.3 美国政府的GPS政策 GPS原理及其应用原理及其应用 美国政府的GPS政策 SPS与与PPS SPS 标准定位服务标准定位服务 使用使用C/A码，民用码，民用 2DRMS水平水平=100 m 2DRMS垂
21、直垂直=150-170 m 2DRMS时间时间=340 ns PPS 精密定位服务精密定位服务 可使用可使用P码，军用码，军用 2DRMS水平水平=22 m 2DRMS垂直垂直=27.7 m 2DRMS时间时间=200 ns 绪论绪论 美国政府的美国政府的GPS政策政策 GPS原理及其应用原理及其应用 美国政府的GPS政策 SA技术（技术（1990.3.252000.5.1） Selective Availability 选择可用性选择可用性 人为降低普通用户的测量精度。方法人为降低普通用户的测量精度。方法: 技术：降低星历精度（加入随机变化）技术：降低星历精度（加入随机变化） 技术：卫星钟加
22、高频抖动技术：卫星钟加高频抖动 （短周期，快变化）（短周期，快变化） AS技术（技术（1994.1.31至今）至今） Anti-Spoofing 反电子欺骗反电子欺骗 P码加密，码加密，P+WY 绪论绪论 美国政府的美国政府的GPS政策政策 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS现代化 1999年年1月月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40 亿美元，进行亿美元，进行GPS现代化。现代化。 GPS现代化实质是要加强现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中对美军现代化战争中 的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。 绪论
23、绪论 美国政府的美国政府的GPS政策政策 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS现代化 GPS现代化的内涵：现代化的内涵： 保护。即保护。即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的现代化是为了更好地保护美方和友好方的 使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰 能力；能力； 阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS 等；等； 保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确 更安全的使用。更安全的使用。 绪论绪论 美国政府的美国政府的GPS政
24、策政策 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS现代化 GPS现代化第一阶段现代化第一阶段 发射发射12颗改进型的颗改进型的BLOCK R型卫星。型卫星。 GPS现代化第二阶段现代化第二阶段 发射发射6颗颗GPS BLOCK F （“FLite”）。）。 GPS现代化计划的第三阶段现代化计划的第三阶段 发射发射GPS BLOCK 型卫星，在型卫星，在2003年前完成代号为年前完成代号为 GPS 的的 GPS完全现代化计划设计工作。完全现代化计划设计工作。 绪论绪论 美国政府的美国政府的GPS政策政策 GPS原理及其应用原理及其应用 1.4其他卫星导航定位系统的概况 GPS原理及其应用原理及其应用
25、 其它卫星导航定位系统GLONASS GLONASS Global Navigation Satellite System （全球导航卫星系统）（全球导航卫星系统） 开发者开发者 俄罗斯（前苏联）俄罗斯（前苏联） 系统构成系统构成 卫星星座卫星星座 地面控制部分地面控制部分 用户设备用户设备 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS GPS原理及其应用原理及其应用 GLONASS constellation GLONASS satellite P24P24 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS 其它卫星导航定位系统GLONASS GPS原
26、理及其应用原理及其应用 GLONASS与与GPS的比较的比较 参 数GLONASSNAVSTAR GPS 系统中的卫星数213213 轨道平面数36 轨道倾角64.8 55 轨道高度19100km20180km 轨道周期（恒星时）11h15min12h 卫星信号的区分FDMACDMA L1频率16021615MHz 频道间隔0.5625MHz 1575MHz L2频率12461256MHz 频道间隔0.4375MHz 1228MHz 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS GPS原理及其应用原理及其应用 其它卫星导航定位系统GLONASS 卫星运行状况卫星运行状况
27、从从1982年年10月月12日发射第一颗日发射第一颗GLONASS卫星起，至卫星起，至 1995年年12月月14日共发射了日共发射了73颗卫星。颗卫星。 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠 佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。 到目前为止（到目前为止（2006年年3月月20日）日）,GLONASS系统共有系统共有17 颗卫星在轨。其中有颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，颗卫星处于工作状态，2颗备用，颗备用， 4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到颗已过期而停止使用。
28、俄罗斯计划到2007年使年使 GLONASS系统的工作卫星数量至少达到系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发颗，开始发 挥导航定位功能。挥导航定位功能。 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS GPS原理及其应用原理及其应用 其它卫星导航定位系统Galileo 伽俐略（伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统）卫星导航定位系统 2002年年3月月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航 定位系统定位系统 Galileo系统。系统。 Galileo卫星星座将由卫星星座将由27颗工作卫星和颗工作卫星和3颗备用卫星组成，颗备用卫星组成
29、， 这这30颗卫星将均匀分布在颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为个轨道平面上，卫星高度为 23616km，轨道倾角为，轨道倾角为56。 Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公 开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只 有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准 后才能使用。后才能使用。 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 Galileo GPS原理及其应用原理及其应用 the Galileo sate
30、llite constellation altitude 23616 km SMA 29993.707 km inclination 56 degrees period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 days G G G G A A L LI IL LE E O OA A L LI IL LE E O OD D A A T TA AD D A A T TA A 27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO) Walker 27/3/1 Constellation P26P26 其
31、它卫星导航定位系统Galileo 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 Galileo GPS原理及其应用原理及其应用 其它卫星导航定位系统Galileo 2005年年12月月28日第一颗日第一颗Galileo试验卫星（试验卫星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GlOVE-A）成功进入）成功进入 高度为高度为2.3万万Km的预定轨道。的预定轨道。2006年年1月月12日，日， GlOVE-A已开始向地面发送信号。已开始向地面发送信号。 这标志着总投资为这标志着总投资为34亿欧元（约合亿欧元（约合41亿美元）的计亿美元）的计 划已进入实施阶
32、段。到划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射年欧洲将发射30颗服役颗服役 期约为期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部 署工作。署工作。 伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位 系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。 P28P28 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 Galileo GPS原理及其应用原理及其应用 GIOVE A GIOVE B the GIOVE Satellite P29P29 其它卫星导航定位系统Galileo
33、GIOVE的主要目标的主要目标: 频率信号测试；频率信号测试； 验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）； 轨道环境特征测试；轨道环境特征测试； 并行并行2或或3通道信号传输测试。通道信号传输测试。 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 Galileo GPS原理及其应用原理及其应用 其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统 我国自行研制的两颗北斗我国自行研制的两颗北斗 导航试验卫星分别于导航试验卫星分别于2000 年年10月月31日和日和12月月20日从日从 西昌卫星发射中心升空并西昌卫星发射中心升空并 准确进入预定的地球同步准确进入预
34、定的地球同步 轨道（东经轨道（东经80和和140的赤的赤 道上空），此外另一颗备道上空），此外另一颗备 用卫星也被送入预定轨道用卫星也被送入预定轨道 （东经（东经110.5的赤道上空），的赤道上空）， 标志着我国拥有了自己的标志着我国拥有了自己的 第一代卫星导航系统第一代卫星导航系统 BD1。 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 GPS原理及其应用原理及其应用 北斗1代卫星导航系统组成图 P32P32 其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统 “北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统” 系统是由空间卫星、地系统是由空间卫星、地 面控制中心站和北斗用面控制
35、中心站和北斗用 户终端三部分构成。户终端三部分构成。 空间部分包括两颗地球空间部分包括两颗地球 同步轨道卫星（同步轨道卫星（GEO） 组成。卫星上带有信号组成。卫星上带有信号 转发装置，完成地面控转发装置，完成地面控 制中心站和用户终端之制中心站和用户终端之 间的双向无线电信号的间的双向无线电信号的 中继任务。中继任务。 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 GPS原理及其应用原理及其应用 其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统 用户终端分为 定位通信终端 集团用户管理 站终端 差分终端 校时终端等 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系
36、统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 GPS原理及其应用原理及其应用 其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统 与与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算都是在系统不同，所有用户终端位置的计算都是在 地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全 部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面部北斗终端用户机的位置及时间信息。同时，地面 控制中心站还负责整个系统的监控管理。控制中心站还负责整个系统的监控管理。 与与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星导航系等国外的卫星导航系 统相比，统相比，BD1有自己的优点。如投资少，组建快；有自己的优点。如
37、投资少，组建快； 具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的具有通信功能；捕获信号快等。但也存在着明显的 不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；不足和差距，如用户隐蔽性差；无测高和测速功能； 用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能 耗大等。耗大等。 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 GPS原理及其应用原理及其应用 其它卫星导航定位系统北斗卫星导航系统 BD2 为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高， 中央已决定研制组建第二代
38、北斗卫星导航定位系统中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统 （BD2）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号 结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由 GEO卫星，卫星，IGSO卫星和卫星和MEO卫星组成。此项工作将成卫星组成。此项工作将成 为为”十一五十一五”期间的一项重要工作。期间的一项重要工作。 P33P33 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组 GPS原理及
39、其应用 (三) GPS原理及其应用原理及其应用 第二章全球定位系统的组成及信号结构 2.1 全球定位系统的组成全球定位系统的组成 GPS原理及其应用原理及其应用 2.1 全球定位系统的组成 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的系统组成 GPS系统由三部分组成系统由三部分组成 空间部分空间部分 地面控制部分地面控制部分 用户设备部分用户设备部分 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的空间部分 GPS的空间部分的组成的空间部分的组成 GPS卫星星座卫星星座 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构
40、GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分 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原理及其应用原理及其应用 GPS的空间部分 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分 GPS卫星星座卫星星座 设计星座：设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星颗活动的备用卫星 保证在每天保证在每天24小时的任何时刻，在小时的任何时刻，在高度角高度角15 以上，能以上，能 够同时观测到够同时观测
41、到4颗以上卫星颗以上卫星 当前星座：当前星座：28颗颗 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的空间部分 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的空间部分 GPS卫星的地面轨迹卫星的地面轨迹 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的空间部分 GPS卫星卫星 作用：作用： 接收、存储导航电文接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波）生成用于导航定位的信号（测距码、载波）
42、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）距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备主要设备 太阳能电池板太阳能电池板 原子钟（原子钟（2台铯钟、台铯钟、2台铷钟）台铷钟） 信号生成与发射装置信号生成与发射装置 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS卫星（续）卫星（续） 类型类型 试验卫星：试验卫星：
43、Block 工作卫星：工作卫星：Block Block ：存储星历能力为：存储星历能力为14天，具有天，具有SA和和AS地能力地能力 Block A （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历）：卫星间可相互通讯，存储星历 能力为能力为180天，天，SV35和和SV36带有激光反射棱镜带有激光反射棱镜 Block R （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互）：卫星间可相互 跟踪相互通讯跟踪相互通讯 Block F（Follow On）：新一代的）：新一代的GPS卫星卫星,增设第三民增设第三民 用频率用频率 GPS的空间部分 全球定位系统的组成及信号结构全球定
44、位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的空间部分 Block IIR Block IIA Block IIA Block IIR Block IIF Block IIR 不同类型的不同类型的GPS卫星卫星 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的空间部分 当前的卫星状态当前的卫星状态 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的空间部分的空间部分 SUBJ: GPS STATU
45、S 26 MAR 2004 1. SATELLITES, PLANES, AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM): A. BLOCK I : NONE B. BLOCK II: PRNS 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15 PLANE : SLOT F4, B5, C2, D4, B4, C1, C4, A3, A1, E3, D2, F3, F1, D5 CLOCK : CS, CS, CS, RB, CS, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, CS BLOCK II: PRNS
46、 16, 17, 18, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 PLANE : SLOT B1, D6, E4, E1, D3, E2, D1, A2, F2, A4, B3, F5, B2, C3 CLOCK : RB, RB, RB, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, RB, RB, RB GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的地面监控部分 地面监控部分地面监控部分 （Ground Segment） 组成组成 主控站：主控站：1个个 监测站：监测站：5个个 注入站：注入站：3个个 通讯与辅助系统通讯与辅助系统
47、GPS卫星 注入站 监测站 主控站 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用 主控站 监测站 注入站 大西洋 太平洋 印度洋 GPS的地面监控部分 地面监控部分地面监控部分 （Ground Segment）（续）（续） 分布分布 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的地面监控部分 监测站（监测站（5个）个） 作用：作用： 接收卫星数据，采集接收卫星数据，采集 气象信息，并将所收
48、气象信息，并将所收 集到的数据传送给主集到的数据传送给主 控站。控站。 地点：地点： 夏威夷、主控站及三夏威夷、主控站及三 个注入站。个注入站。 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的地面监控部分 主控站（主控站（1个）个） 作用：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地点：美国科罗拉多州法尔 孔空军基地。孔空军
49、基地。 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的地面监控部分 注入站（注入站（3个）个） 作用：作用： 将导航电文注入将导航电文注入GPS卫卫 星。星。 地点：地点： 阿松森群岛（大西洋）、阿松森群岛（大西洋）、 迪戈加西亚（印度洋）迪戈加西亚（印度洋） 和卡瓦加兰（太平洋）和卡瓦加兰（太平洋） 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的地面监控部分的地面监控部分 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的用户部分 组成组成 用户用户 接收
50、设备接收设备 接收设备接收设备 GPS信号接收机信号接收机 其它仪器设备其它仪器设备 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的用户部分 GPS信号接收机信号接收机 组成组成 天线单元天线单元 带前置放大器带前置放大器 接收天线接收天线 接收单元接收单元 信号通道信号通道 存储器存储器 微处理器微处理器 输入输出设备输入输出设备 电源电源 天线单元天线单元 接收单元接收单元 全球定位系统的组成及信号结构全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成的组成 GPS的用户部分的用户部分 GPS原理及
