1、中南大学测绘与国土信息工程系说明及致谢 课件中引用了大量来自网络及他人课件的图片资料。由于其来源复杂，在此未能一一列出。资料的版权均属原作者。本课件只用于教学，不作其它用途。特此说明！How does GPS work? 中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系绪论中南大学测绘与国土信息工程系 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策内容要点 注入站注入站主控站主控站监测站监测站中南大学测绘与国土信息工程系人类第一颗人造卫星1957年，苏联成功的将世界上第一颗人造地球卫星发射到近地轨道。中南大学测绘与国土信
2、息工程系NNSS的产生美国约翰.霍普金斯大学应用物理实验室的研究人员通过观测卫星的发播信号发现多普勒效应。由此便诞生了世界上第一个投入运行的美国海军导航卫星系统(NNSSNNSS，Navy Navigation Satellite System)中南大学测绘与国土信息工程系Transit卫星系统简介子午卫星子午卫星子午卫星星座子午卫星星座NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统美国研制建立1964年1月建成1967年7月解
3、密供民用中南大学测绘与国土信息工程系TRANSIT空间星座TRANSIT卫星及星座参数： 6颗卫星位于6个轨道面相邻轨道平面夹角30 轨道高度：1075km运行周期107min倾角i90两种载波频率：f1150MHz， f2400MHz中南大学测绘与国土信息工程系TRANSIT地面跟踪网OPNET网 (三角形）用于外推广播星历，TRANET网 (实心圆）用于确定卫星精密轨道。中南大学测绘与国土信息工程系TRANSIT接收机Magnavox MX 1502中南大学测绘与国土信息工程系TRANSIT接收机中南大学测绘与国土信息工程系 子午卫星系统是第一代卫星导航定位系统，跨越了从地基无线电导航到天
4、基无线电导航的历程，但其仍然存在许多缺点，主要是： （1）卫星数量少，不能实现连续实时导航； （2）卫星轨道高度低，难以实现精密定轨； （3）信号频率低，难以补偿电离层效应的影响。 正因为如此，美国国防部于1973年12月批准陆海空三军联合研制新的军用卫星导航系统，于是GPS就产生了。Transit卫星系统的缺点中南大学测绘与国土信息工程系GPS简述GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，简称GPS，也被称作为NAVSTAR GPS。其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统
5、。系统建立的国家：美国系统的主要功能：在全球范围内，提供实时的、连续的、全天候的导航定位及授时服务。系统开始筹建时间：1973年系统完全建成时间：1995年中南大学测绘与国土信息工程系GPS的发展历史-方案论证阶段 1973年12月，美国国防部批准研制GPS系统。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。从1973年到1979年，共发射4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立了地面跟踪网。 BLOCK I中南大学测绘与国土信息工程系GPS的发展历史-全面研制和试验阶段 从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。 M
6、acrometer V1000中南大学测绘与国土信息工程系GPS的发展历史-实用组网阶段 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。 1991年，在海湾战争中GPS首次大规模用于实战。 1993年底，实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，从此以后依据计划更换失效的卫星。 1995年7月17日，GPS达到FOC 完全运行能力（Full Operational Capability）。中南大学测绘与国土信息工程系GPS的发展历史-现代化阶段 保护 采用一系列措施保护GPS系统不受敌方和黑客的干扰，增加GPS军用信号的抗干扰能力，其中包括增加GPS军用无线电信号的强度。 阻止 阻
7、止敌方利用GPS的军用信号。设计新的GPS卫星型号（F），设计新的GPS信号结构，增加频道，将民用频道L1、L2、L5 (1.17645GHz) 和军用频道L3、L4分开。 改善 改善GPS定位和导航的精度，在GPSF卫星中增加两个新的民用频道，即在L2中增加CA码，另增L5民用频道。提高卫星寿命提高定位精度增强抗干扰能力中南大学测绘与国土信息工程系 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策内容要点 注入站注入站主控站主控站监测站监测站 Imagine you are somewhere in your town but
8、arent sure where. You ask someone for help and they say, “You are 5 miles from the fire station.”5 milesThis is nice, but it really doesnt help because you could be anywhere on a circle 5 miles around the fire station!A second helpful person tells you that you are 7 miles from the library. If you ar
9、e 5 miles from the fire station and 7 miles from the library you can only be at one of these two points 7 mi5 miFire StationLibraryCombine this information with the fire station information, and you have two circles that cross.4 mi7 mi5 miFire StationLibrary A third person tells you that you are 4 m
10、iles from home. You must be at the only place where all three circles cross.This circle will cross the other two circles at only one point. 中南大学测绘与国土信息工程系卫星导航定位原理 : 距离交会221010122202022230303(x -x ) +(y -y ) = d(x -x ) +(y -y ) = d(x -x ) +(y -y ) = d中南大学测绘与国土信息工程系卫星导航定位原理 : 距离交会222101010122220203022
11、2230303032224040404(x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d(x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d(x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d(x -x ) +(y -y ) +(z -z ) = d中南大学测绘与国土信息工程系卫星导航定位原理 : 距离交会22210101012222020302222210101012222020302222303030322240404042303030(x -x ) +(y -y )(-) = d(x -x ) +(y -y )(-) = d(x -x ) +(y -y )(-) =
12、d(x -x ) +(y -y(x -x ) +(y -y )(-) = d(x -x ) +(y -y )(-) = d(x -x ) +(y -y )()(-) = d-)zzzzzzzzzzzzzz23= d地球约束条件中南大学测绘与国土信息工程系卫星导航定位原理 : 距离交会294 satellites in view are necessary4 satellites in view are necessary1.坐标x2.坐标y3.坐标z4.时间误差dt距离 d1GPS卫星 1距离 d4GPS卫星 4GPS卫星 2距离 d2距离 d3GPS卫星 3系统时间GPST时间同步22210
13、10101222202030222230303032224040404(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)(-)xxyyzzc dtdxxyyzzc dtdxxyyzzc dtdxxyyzzc dtd 中南大学测绘与国土信息工程系 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策内容要点 注入站注入站主控站主控站监测站监测站中南大学测绘与国土信息工程系GPS系统构成空间部分地面部分用户部分中南大学测绘与国土信息工程系GPS空间部分 GPS星座由24颗卫星组成，分布在6个轨道面上。每个轨道4颗卫星，呈非
14、均匀分布，轨道面沿赤道以60间隔分布，倾角55，半长轴为26560公里的圆形轨道。 1978年发射首颗GPS卫星，1993年组网运行，至今已研制了两代共六种型号卫星：GPS、GPS、GPSA、GPSR、GPSRM、GPSF。 目前正在研发第三代GPS III导航系统，其卫星技术在不断改进提高。GPS 导航卫星星座中南大学测绘与国土信息工程系GPS空间部分-卫星的分布中南大学测绘与国土信息工程系GPS空间部分-卫星的载荷有效载荷：有效载荷：原子钟，信号生成、发射装置，存储器、处理器中南大学测绘与国土信息工程系GPS空间部分-卫星的作用 接收、存储导航电文信息 生成用于导航定位的信号 发送用于导航
15、定位的信号 接受地面指令，进行相应操作中南大学测绘与国土信息工程系GPS卫星制造中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系卫星为八面体长箱体构型（见图），设计寿命5年。两太阳翼各由二块弧形板并联而成。共有三个导航信号L1(1575.42MHz)：C/A、P(Y)两个信号L2(1227.60MHz)：P(Y)采用两台铯原子钟和两台铷原子钟。导航电文存储容量 3.5天。共生产了11颗卫星。GPS试验验证卫星GPS I 卫星卫星中南大学测绘与国土信息工程系GPS GPS 第二代卫星第二代卫星 卫星结构构型和GPS相同。在GPS基础上所如下改进：设计寿命增加至7.5年每个太阳翼各由4块平
16、板并联构成（见图）导航电文存储容量增至14天在L1民用频率上采用了选择可用性（SA）措施和L2上反电子欺骗（AS）措施共生产了9颗卫星。GPS A 卫星卫星卫星结构构型和太阳翼均与GPS相同导航电文存储容量扩展至180天星上电子设备采取防辐射及加固措施增设激光反射器，用于星地测距，提高精度共生产了19颗卫星。GPS II 卫星卫星中南大学测绘与国土信息工程系GPS IIRGPS IIR卫星卫星 l卫星结构构型和太阳翼和GPSR相同l在 GPSR基础上作如下改进： L1、L2频段上增加新的军用M码信号，提高安全性和保密性 增加新的L2C民用码，使民用接收机可进行电离层误差修正，提高定位精度 具有
17、功率增加7dB功能 设计寿命10年l共生产8颗卫星。GPS IIR-MGPS IIR-M卫星卫星 GPS IIR卫星卫星GPS IIR-M卫星卫星卫星有较大改进：l 卫星采用4边形箱体构型（见图）l 每个太阳翼由两块板串联展开组成，可一次展开，提高了可靠性l 采用镍氢NiH2蓄电池，提高了容量l 具有UHF频段星间链路，180天自主导航功能，URE 7m（1） l 采用新型高精度铷原子频标（3个）：610-4/天 l 装有展开式核爆探监测天线共生产了12颗卫星。中南大学测绘与国土信息工程系卫星结构为八面体长箱体构型（见图） 减少结构板数量，增大天线安装面积 布局优化，卫星背地板外单独建立4个蓄
18、电池小舱 每翼由三块板组成，采用三结砷化镓太阳能电池，提高了功率 增加新的民用频率L5（1176.45MHz） 改进型天线，以宽带专用单元取代L波段阵元 设计寿命12年已生产了16颗卫星GPS IIR-F卫星 GPS II 系列卫星频码图系列卫星频码图GPS IIR-F卫星结构图卫星结构图GPS IIR-F卫星卫星 中南大学测绘与国土信息工程系美国正在研制第三代导航卫星美国正在研制第三代导航卫星GPS III，预期将有多项改进和提高：，预期将有多项改进和提高：1、卫星设计寿命15年；2、仍采用自身变轨方案，采用一箭双星发射；3、定位精度：水平0.5m，高程1m；4、授时精度：2ns;5、增加L
19、1C导航信号；6、为与Galileo兼容互操作L5调制方式改为A1tBOC(15,10);7、星间链路采用Ka频段；8、点波束天线功率增强20dB;9、采用锂离子电池，提高卫星功率；10、自主导航180天，URE 3m；11、具有星-星、星-地通信能力，100Mbit/s;12、具有搜索及救援功能。GPS III 卫星 GPS III 卫星卫星GPS卫星发展历程 (1)卫星GPS IGPS IIGPS IIAGPS IIRGPS IIRMGPS IIFGPS III卫星构型（长宽高）八面体箱型结构同左同左四面体箱型结构1.931.521.91四面体箱型结构1.931.521.91八面体箱型结构
20、2.441.971.97卫星重量（kg）16651816203220652170太阳翼共2翼每翼由2块弧形板并联构成共2翼每翼由2块平板并联构成共2翼每翼由4块平板并联构成共2翼每翼由2块平板串联构成同左共2翼，每翼由3块平板串联构成功率（W）1100W硅太阳电池同左1959W硅太阳电池同左2610W砷化镓太阳电池蓄电池NiCd镉镍电池同左同左NiH2 氢镍电池同左同左锂离子电池射频功率EIRPL1：27dBWL2：20dBW同左同左同左L1：28dBWL2: 22dBWL1: 28dBWL2: 22dBWL5: 32dBW定位精度C/A: 100m 50cm/s 385nsP(Y): 10m
21、 20cm/s 100ns同左同左C/A（无SA）: 50m, 100nsP(Y)：同左C/A(无SA): 20m 50nsP(Y): 10m 20nsM: 6m 10ns同左0.5-1.0m 2ns设计寿命5年7.5年同左同左10年12年15年GPS卫星发展历程 (2)卫星GPS IGPS IIGPS IIAGPS IIRGPS IIRMGPS IIFGPS III导航信号L1 1575.42MHz C/A P(Y)L2 1227.60MHz P(Y) 共3个同左同左同左L1:1575.42MHz C/A P(Y) M L2:1227.60MHz P(Y) M L2C 共6个L1:1575.
22、42MHz C/A P(Y) ML2:1227.60MHz P(Y) M L2CL5C:1176.45MHz P(Y) 共7个同左，增加L6 共8个信号增强无无无无7dB7dB20dB信号调制C/A： BPSK-R(1)*P(Y): BPSK-R(10)*同左增加SA、AS措施同左同左C/A： BPSK-R(1)P(Y): BPSK-R(10)M: BOC(10,5)*同左L5C： BPSK-R(10)同左L1C： MBOC(6,1，1/11)L5C：A1tBOC(15，10)扩频码位长C/A：1023 P:6187.104109Y:加密产生同左同左同左同左M:加密产生L2C:CM 10230
23、 CL 767250同左L5C: I 10230 Q 10230同左 L1C:10230星钟2 台铷钟 110-12/天2台铯钟 1.510-13/天2 台铷钟 110-13/天2台铯钟 110-13/天同左3台铷钟 610-14/天同左2台铷钟 510-14/天2台铯钟 110-13/天星间链路无无无UHF频段 TDMABPSK-R(5)* 测距精度 2ns同左同左具有跳频功能Ka频段（23GHz）点对点传输自主运行无无无自主运行180天URE 7m(1)同左同左180天URE 3m注R(1)* 码速率1.023Mcps，R(5)* 码速率5.115Mcps，R(10)* 码速率10.23M
24、cpsBOC(10,5)* 副载波频率10.23MHz ，码速率5.115Mcps中南大学测绘与国土信息工程系GPS地面部分 注入站注入站主控站主控站监测站监测站一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站：1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii)中南大学测绘与国土信息工程系GPS地面部分US NIMA Tracking Sites US Airforce Tracking SitesUS Airforce Upload Sites MCS Colorado SpringsHawai
25、i Buenos AiresDiego GarciaAscensionBahrainKwajaleinSmithfieldHermitageOuitoUS Air Force and NIMA Control and Tracking Stations中南大学测绘与国土信息工程系GPS地面部分的主要功能 主控站作用： 根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和卫星时钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去； 对卫星进行控制，向卫星发布指令；当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作； 监控站作用： 接收卫星信号，监测卫星的工作状态。 注入站作用： 注入站
26、的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。 注入站注入站主控站主控站监测站监测站中南大学测绘与国土信息工程系GPS地面部分的运行机制中南大学测绘与国土信息工程系GPS用户部分中南大学测绘与国土信息工程系GPS用户部分的主要功能中南大学测绘与国土信息工程系 GPS系统产生与发展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策内容要点 注入站注入站主控站主控站监测站监测站中南大学测绘与国土信息工程系提出GPS现代化的历史背景国际局势变化，世界进入后冷战时代GPS产业为美国带来巨大的经济利益克服美国限制措施技术日益完善成熟其它国家
27、卫星导航定位系统的竞争中南大学测绘与国土信息工程系GPS现代化时间表改进时间GPS现代化内容第一阶段(2005)发射5颗Block R-M卫星,L1加M码，L2加C/A、M第二阶段(2006-2016)发射Block F卫星(24+3),L1加M，L2加C/A、M，L5第三阶段2016-2036发射GPS block 卫星,增强L1加M，L2加C/A、M，L5提高卫星寿命提高定位精度增强抗干扰能力中南大学测绘与国土信息工程系GPS现代化-空中部分中南大学测绘与国土信息工程系GPS现代化-空中部分L2 = 1227 MHzL1 = 1575 MHzL5 = 1176 MHzCivil Aviat
28、ion & New Military SignalsCivil Non-Aviation SignalPresent SignalGPS现代化-地面部分 GroundAntennaMaster Control Station (Schriever AFB)MonitorStationNGA Monitor StationOCS Monitor StationGround AntennaFuture Monitor StationMaster Control StationBackup Master Control Station中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18 GPS系统产生与发
29、展 GPS导航定位工作原理 GPS导航定位系统构成 GPS系统现代化内容 美国政府的GPS政策内容要点 注入站注入站主控站主控站监测站监测站中南大学测绘与国土信息工程系2022-1-18美国政府的GPS政策SPS与PPS SPS 标准定位服务（Standard Positioning Service） PPS 精密定位服务（Precision Positioning System）SA政策-Selective Availability（选择可用性） 技术 在广播星历中加入长周期的干扰 技术 在卫星基准频率中加入快速抖动 该技术已于2000年5月2日终止AS政策-Anti-Spoofing （反
30、电子欺骗） P+WY（W码为一严格保密的较低码率二进制码）中南大学测绘与国土信息工程系精密定位服务的信号改善4.64.33.02.71.81.51.11.00.901234567199019921994199619972001200420062008RMS SIS URE (m)RMS Signal-in-Space User Range Error (URE), meters2007 PPS Performance Standard(Worst of any PPS SIS URE)Decreasing range errorSignal-in-Space User Range Error is the difference between a GPS satellites navigation data (position and clock) and the truth, projected on the line-of-sight to the userSystem accuracy exceeds published standard中南大学测绘与国土信息工程系标准定位服务的信号改善System accuracy exceeds published standard中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系
