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1GPS原理及其应用原理及其应用GPS原理及其应用原理及其应用2全球定位系统的产生和发展全球定位系统的产生和发展GPS原理及其应用原理及其应用3全球定位系统概况全球定位系统概况 建立国家建立国家 美国美国 名称名称 Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System （ NAVSTAR GPS ） 卫星星座卫星星座 设计方案：设计方案：24颗颗GPS卫星卫星 载波信号载波信号 L1, L2 信号调制信号调制 载波信号上调制有测距码与导航
2、电文载波信号上调制有测距码与导航电文 系统基本功能系统基本功能 定位、测速、授时定位、测速、授时GPSGPS原理及其应用原理及其应用4全球定位系统的基本定位方式全球定位系统的基本定位方式 单点定位单点定位(, ,)X Y ZGPS原理及其应用原理及其应用5全球定位系统的建立（全球定位系统的建立（1） 前期准备前期准备 美国海军美国海军Timation计划计划 始于始于1964年年 利用卫星播发的精确时间参考信号进行测距和时间传利用卫星播发的精确时间参考信号进行测距和时间传递递 Timation-1 (1967), Timation-2 (1969),搭载石英钟搭载石英钟 NTS-1(1974)
3、搭载搭载2台铷钟台铷钟, NTS-2 (1977)搭载铯钟搭载铯钟 美国空军美国空军621B计划计划 采用伪随机噪声（采用伪随机噪声（PRN-Pseudo Random Noise）码进）码进行距离测量行距离测量 在在1968年到年到1971年间利用飞机进行试验年间利用飞机进行试验GPS原理及其应用原理及其应用6全球定位系统的建立（全球定位系统的建立（2） 项目开展项目开展 1973年，美国国防部成立联合工作办公室年，美国国防部成立联合工作办公室JPO (Joint Program Office)，提出了，提出了NAVSTAR/GPS项目方案项目方案 1973年年12月月17日，正式批准日，正
4、式批准NAVSTAR/GPS项目项目 1978年年2月月22日，第一颗日，第一颗GPS试验卫星发射成功试验卫星发射成功 1989年年2月月14日，第一颗日，第一颗GPS工作卫星发射成功工作卫星发射成功 1991年，海湾战争中年，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年年12月月8日，宣布系统具有日，宣布系统具有IOC（Initial Operational Capability）能力）能力 1995年年4月月27日，宣布系统具有日，宣布系统具有FOC（Full Operational Capability）能力）能力GPS原理及其应用原理及其应用71.2 美国政府的美国
5、政府的GPS政策政策 GPS原理及其应用原理及其应用8SPS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 精度（精度（ 2DRMS ，实施，实施SA） 水平：水平：100 m 垂直：垂直：150-170 m 测时：测时：340 ns PPS 精密定位服务精密定位服务 可使用可使用P码码,军用军用 精度（精度（ 2DRMS) 水平水平: 22 m 垂直垂直: 27.7 m 测时测时: 200 nsGPS原理及其应用原理及其应用9SA（1） 名称名称 SA（ Selective Availability ），选择可用性），选择可用性 制定目的制定目的 降低民用定位精
6、度降低民用定位精度 实施方法实施方法 技术：在广播星历中人为加入误差技术：在广播星历中人为加入误差,降低星历精度降低星历精度 技术：卫星钟加高频抖动技术：卫星钟加高频抖动 实施时间实施时间 1990.3.252000.5.1GPS原理及其应用原理及其应用10SA （2） SA的影的影响响GPS原理及其应用原理及其应用11AS 名称名称 Anti-Spoofing, 反电子欺骗反电子欺骗 制定目的制定目的 防止敌方对防止敌方对GPS信号进行电子欺骗和电子干扰信号进行电子欺骗和电子干扰 实施方法实施方法 在在P码上加上严格保密的码上加上严格保密的W码码, 产生完全保密的产生完全保密的Y码码 实施时
7、间实施时间 1994.1.31 影响影响 非特许用户无法使用非特许用户无法使用Y码码 增加增加L2载波相位测量的难度载波相位测量的难度GPS原理及其应用原理及其应用12美国美国GPS政策的新变化政策的新变化 终止终止SA 2000年年5月月2日日4时时 (UTC) 进行进行GPS现代化现代化 L2上增加上增加L2C码码, 增加第三民用频率增加第三民用频率L5，改善服，改善服务质量务质量, 提高系统完备性提高系统完备性 增加军队专用码增加军队专用码(M码码), 与民用码分开与民用码分开 增强卫星信号强度增强卫星信号强度, 增加抗电子干扰能力增加抗电子干扰能力 军用接收机具有更好的保护装置和快速初
8、始化军用接收机具有更好的保护装置和快速初始化能力能力 使用新技术防止敌方干扰或使用使用新技术防止敌方干扰或使用GPS原理及其应用原理及其应用131.3其他卫星导航定位系统的概况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14GLONASS （1） 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GPS原理及其应用原理及其应用15 GLONASS与与GPS的比较的比较 参 数GLON
9、ASSNAVSTAR 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FDMACDMAL1频率16021615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率12461256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHzGLONASS （2）GPS原理及其应用原理及其应用16GLONASS （3） 卫星运行状况卫星运行状况 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，至今共发射了卫星起，至今共发射了80余余颗卫星。颗卫星。 由于卫星寿命过短，加之俄罗
10、斯前一段由于卫星寿命过短，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。星，故该系统不能维持正常工作。 到到2011年年8月月27日日,GLONASS系统共有系统共有27颗卫星在轨，其中工作卫星有颗卫星在轨，其中工作卫星有23颗颗(http:/www.glonass-ianc.rsa.ru/） 。GPS原理及其应用原理及其应用17Galileo （1） 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日欧盟决定研制组建 Galileo卫星星座卫星星座 27+3 3个轨
11、道平面个轨道平面 卫星高度为卫星高度为23616km 轨道倾角为轨道倾角为56 信号频率信号频率 E5a, E5b, Eb, E2-L1-E1 服务模式服务模式 公开服务公开服务 （公开）（公开） 安全服务安全服务 （公开）（公开） 商业服务商业服务 （特许）（特许） 政府服务政府服务 （特许）（特许）the Galileo satellite constellation altitude 23616 kmSMA 29993.707 kminclination 56 degrees period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 daysG
12、 G G GA 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 A27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO)Walker 27/3/1ConstellationGPS原理及其应用原理及其应用18Galileo （2） 运行状况运行状况 GlOVE-A (2005.12.28) GIOVE-B (2008.04.25) 两颗工作卫星两颗工作卫星 （2011.10.21） 另两颗另两颗IOV卫星卫星（2012年夏季）年夏季）P28P28GIOVE A GI
13、OVE B IOV GPS原理及其应用原理及其应用19中国北斗卫星导航系统中国北斗卫星导航系统 （1） 概况概况 我国独立研制的我国独立研制的区域性区域性的的有有源源卫星导航定位系统卫星导航定位系统 系统由两颗卫星组成，又称系统由两颗卫星组成，又称双星系统双星系统 2000年年10月月31日发射第一颗日发射第一颗试验卫星试验卫星 2000年年12月月20日发射第二颗日发射第二颗试验卫星试验卫星 2003年年5月月25第三颗北斗试第三颗北斗试验卫星也被送入预定轨道验卫星也被送入预定轨道GPS原理及其应用原理及其应用20北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 （2） 系统组成系统组成 空间部分空间部分
14、23颗颗GEO卫星卫星 地面部分地面部分 以地面控制中心站为主以地面控制中心站为主 北斗用户终端北斗用户终端GPS原理及其应用原理及其应用21P32P32北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 （4） 定位的基本思想定位的基本思想(10-21) 由两颗由两颗GEO卫星对用户卫星对用户双向测距双向测距 由由1个配有电子高程图库个配有电子高程图库的地面中心站进行位置的地面中心站进行位置计算计算 定位由用户终端向地面定位由用户终端向地面中心站发出请求中心站发出请求, 中心站中心站对其进行位置解算后将对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户定位信息发送给该用户GPS原理及其应用原理及其应用22北斗卫星导航系
15、统北斗卫星导航系统 （5） 定位原理定位原理 (三球交会三球交会) 以两颗卫星的已知坐标为圆心以两颗卫星的已知坐标为圆心,各自到用户的距各自到用户的距离为半径离为半径,形成两个球面形成两个球面 中心站电子高程图库提供的是一个以地心为球中心站电子高程图库提供的是一个以地心为球心心, 以球心至地球表面距离为半径的非均匀球面以球心至地球表面距离为半径的非均匀球面 求解圆弧线与地球表面交点求解圆弧线与地球表面交点,并已知目标在赤道并已知目标在赤道北侧北侧,即可获得用户的二维位置信息即可获得用户的二维位置信息GPS原理及其应用原理及其应用23北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 （3）测距流程测距流程 地面
16、中心站对一颗地面中心站对一颗BD卫星连续发送卫星连续发送C波段的载波波段的载波(询问信号询问信号) 卫星将询问信号扩频、放大并转发卫星将询问信号扩频、放大并转发 用户终端接收讯问信号，注入必要信用户终端接收讯问信号，注入必要信息并向两颗息并向两颗BD卫星发射作为应答卫星发射作为应答 两颗卫星接收到应答信号并转发到地两颗卫星接收到应答信号并转发到地面中心站面中心站 地面中心站处理接收到的应答信号并地面中心站处理接收到的应答信号并处理处理 把处理好的信号经卫星发送到用户终把处理好的信号经卫星发送到用户终端端 用户终端接收到所需信息用户终端接收到所需信息GPS原理及其应用原理及其应用24中国新一代卫
17、星导航定位系统中国新一代卫星导航定位系统 北斗二代（北斗二代（COMPASS） 区域性卫星导航系统区域性卫星导航系统 星座：星座：12颗卫星颗卫星（GEO+IGSO+MEO） 已发射已发射11颗北斗导航卫星颗北斗导航卫星 全球卫星导航定位系统全球卫星导航定位系统 预计预计2020年建成年建成 北斗网北斗网 http:/ 系统概况系统概况 区域性卫星导航定位系统区域性卫星导航定位系统 星座星座:7颗卫星（其中颗卫星（其中3颗为颗为GEO卫星）卫星） 2006年开始筹建，预计年开始筹建，预计2014年投入运行年投入运行GPS原理及其应用原理及其应用26思考题思考题 1.请查阅相关资料，结合课堂内容，从定位请查阅相关资料，结合课堂内容，从定位原理上对原理上对Transit系统与系统与GPS系统进行比较，系统进行比较，说明第二代卫星导航定位系统的优势所在。说明第二代卫星导航定位系统的优势所在。 2.美国美国GPS政策经历了怎样的变化过程？政策经历了怎样的变化过程？ 3. 北斗一代卫星导航系统与北斗一代卫星导航系统与GPS定位原理有定位原理有何不同？何不同？
