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教材及参考文献教材及参考文献 教材教材 李征航、黄劲松编著，李征航、黄劲松编著，GPS测量与数据处理，测量与数据处理，武汉大学出版社，武汉大学出版社，2010 参考文献参考文献 周忠谟等，周忠谟等，GPS卫星测量原理与应用，测绘出卫星测量原理与应用，测绘出版社，版社，1997 刘基余，刘基余，GPS卫星导航定位原理与方法，科学卫星导航定位原理与方法，科学出版社，出版社，2003GPS原理及其应用原理及其应用3第一章第一章绪绪 论论 1.1 全球定
2、位系统的产生与发展全球定位系统的产生与发展 1.2 美国政府的美国政府的GPS政策政策 1.3 其它卫星导航定位系统概况其它卫星导航定位系统概况GPS原理及其应用原理及其应用41.1 全球定位系统的产生与发展全球定位系统的产生与发展GPS原理及其应用原理及其应用5导航与定位导航与定位GPS原理及其应用原理及其应用6导航与定位导航与定位 空间位置与运动空间位置与运动 定位定位 导航导航 获取运动载体的空间位置，获取运动载体的空间位置，并控制载体从一点到另一并控制载体从一点到另一点的运动的过程点的运动的过程XYZO( X,Y,Z )GPS原理及其应用原理及其应用7原始的导航定位方法原始的导航定位方
3、法 利用天体进行定向利用天体进行定向 日、月及特定的星体和星座日、月及特定的星体和星座 利用自然景观利用自然景观 高山、河流高山、河流 利用自然现象利用自然现象 树木与植物的生长态势树木与植物的生长态势 利用人造器械利用人造器械 指南针（罗盘）指南针（罗盘） 利用人工建筑利用人工建筑 烽火台、灯塔烽火台、灯塔GPS原理及其应用原理及其应用8近现代的导航定位方法近现代的导航定位方法 (1) 天文导航天文导航 如六分仪（如六分仪（18世纪）世纪） 地面方法地面方法 导航系统或仪器导航系统或仪器 地基无线电导航系统地基无线电导航系统 惯导系统惯导系统 地面测量仪器地面测量仪器 尺：铟钢尺尺：铟钢尺
4、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JYL-1 雷达雷达六分仪六分仪索佳铟钢尺索佳铟钢尺GPS原理及其应用原理及其应用9近现代的导航定位方法近现代的导航定位方法 (2) 卫星导航卫星导航 利用星载无线电信标进行导航定位，即星基无利用星载无线电信标进行导航定位，即星基无线电导航线电导航TRANSITGPSGPS原理及其应用原理及其应用10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11子午卫星系统的建立子午卫星系统的建立 1957年年10月月4日，日，
5、sputnik-1卫星成功发卫星成功发射射 吉尔与魏芬巴哈博士利用地面测得的吉尔与魏芬巴哈博士利用地面测得的sputnik-1卫星的多普勒频移资料对该卫星的多普勒频移资料对该卫星进行了精密定轨卫星进行了精密定轨 麦克卢尔与克什纳博士提出了利用多麦克卢尔与克什纳博士提出了利用多普勒测量进行定位的思想普勒测量进行定位的思想 1958年，受美国海军委托，由克什纳年，受美国海军委托，由克什纳博士领导开始子午卫星系统的研究博士领导开始子午卫星系统的研究 1964年年1月，子午卫星系统建立并投入月，子午卫星系统建立并投入军用军用 1967年年7月，子午卫星系统解密并提供月，子午卫星系统解密并提供民用民用S
6、putnik-1卫星卫星John Hopkins大学大学GPS原理及其应用原理及其应用12子午卫星系统概况（子午卫星系统概况（1） 名称名称 NNSS Navy Navigation Satellite System（海军（海军导航卫星系统）导航卫星系统） 由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）（子午卫星系统）GPS原理及其应用原理及其应用13子午卫星系统概况（子午卫星系统概况（2） 空间部分空间部分 卫星星座卫星星座 6颗卫星颗卫星 6个极轨道面个极轨道面 轨道高度轨道高度1075km 卫星信号卫星信号 频率频率1：4.9996MH
7、z 30 = 149.988MHz 频率频率2：4.9996MHz 80 = 399.968MHz 星历（广播星历）星历（广播星历）子午卫星子午卫星子午卫星星座子午卫星星座GPS原理及其应用原理及其应用14子午卫星系统概况（子午卫星系统概况（3） 地面控制部分地面控制部分 跟踪站跟踪站 计算中心计算中心 注入站注入站 控制中心控制中心 海军天文台海军天文台 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机大地测量多普勒接收机 - 1（MX1502）大地测量多普勒接收机大地测量多普勒接收机 - 2（CMA751）GPS原理及其应用原理及其应用15子午卫星系统概况（子午卫星系统概况（
8、4） 定位及时间同步精度（单次卫星通过）定位及时间同步精度（单次卫星通过） 定位：约定位：约200m 时间同步：约时间同步：约50msGPS原理及其应用原理及其应用16子午卫星系统的工作原理（子午卫星系统的工作原理（1） 多普勒效应多普勒效应coswaveRSwaveVffVV Doppler频移频移GPS原理及其应用原理及其应用17子午卫星系统的工作原理（子午卫星系统的工作原理（2） 多普勒计数多普勒计数 对于电磁波对于电磁波 令令 则则 从而从而 多普勒计数多普勒计数1(1)RSscffD fcDc22110002121()()()()()ttRssRttssNffdtffffdtffft
9、tDDccosdDVDdt ssRfffDc Doppler频移频移GPS原理及其应用原理及其应用18子午卫星系统的工作原理（子午卫星系统的工作原理（3） 定位的观测值定位的观测值 定位原理定位原理 双曲定位双曲定位21021021()()()()sssscDDNffttNffttf双曲线双曲线GPS原理及其应用原理及其应用19子午卫星系统的工作原理（子午卫星系统的工作原理（4） t1、t2 时刻卫星在空间时刻卫星在空间的位置的位置S1 、S2 可据卫星可据卫星星历求得，那么我们就星历求得，那么我们就能以能以S1 和和S2 为焦点作出为焦点作出一个旋转双曲面，该双一个旋转双曲面，该双曲面上任意
10、一点至这两曲面上任意一点至这两个焦点的距离之差恒等个焦点的距离之差恒等于于 D2-D1。显然用户必。显然用户必定位于该旋转双曲面上。定位于该旋转双曲面上。多普勒定位示意图多普勒定位示意图1GPS原理及其应用原理及其应用20子午卫星系统的工作原理（子午卫星系统的工作原理（5） 如果我们继续在如果我们继续在时间段时间段tt2 2,t,t3 3 内进行多普勒测内进行多普勒测量，求得距离差量，求得距离差 D D3 3-D-D2,2,，就能按，就能按照上述方法作出照上述方法作出第二个旋转双曲第二个旋转双曲面。面。多普勒定位示意图多普勒定位示意图2GPS原理及其应用原理及其应用21子午卫星系统的工作原理（
11、子午卫星系统的工作原理（6） 在时间段在时间段tt3 3,t,t4 4 内进行多普勒测内进行多普勒测量，求得距离差量，求得距离差 D D4 4-D-D3 3, ,则作出第则作出第三个旋转双曲面三个旋转双曲面, ,从而交出用户在从而交出用户在空间的位置。空间的位置。多普勒定位示意图多普勒定位示意图3GPS原理及其应用原理及其应用22子午卫星系统的局限性（子午卫星系统的局限性（1） 一次定位时间过长一次定位时间过长 原因原因 存在一个对同一卫星信号的多普勒频移进行时间积分存在一个对同一卫星信号的多普勒频移进行时间积分的过程的过程 为获得良好的几何图形，通常需要观测一次完整的卫为获得良好的几何图形，
12、通常需要观测一次完整的卫星通过（约星通过（约818min） 引发问题引发问题 无法为高动态用户服务无法为高动态用户服务 为缩短定位时间，采用低轨道卫星，从而又带来卫星为缩短定位时间，采用低轨道卫星，从而又带来卫星定轨上的难度定轨上的难度 对于低动态用户，仍需进行位置归算，从而影响导航对于低动态用户，仍需进行位置归算，从而影响导航定位的精度定位的精度GPS原理及其应用原理及其应用23u 首尾两个焦点与地面测站之间所构成的夹角也首尾两个焦点与地面测站之间所构成的夹角也应足够大，以便能组成较好的几何图形。应足够大，以便能组成较好的几何图形。GPS原理及其应用原理及其应用24子午卫星系统的局限性（子午
13、卫星系统的局限性（2） 无法进行连续定位无法进行连续定位 原因原因 卫星数少卫星数少 不同卫星采用相同频率的信号不同卫星采用相同频率的信号 引发问题引发问题 两次卫星通过的平均间隔长（中低纬度地区约两次卫星通过的平均间隔长（中低纬度地区约1.5h） 相邻轨道卫星信号可能相互干扰，导致有时必须关闭相邻轨道卫星信号可能相互干扰，导致有时必须关闭其中一颗卫星的信号其中一颗卫星的信号GPS原理及其应用原理及其应用25子午卫星系统的局限性（子午卫星系统的局限性（3） 对测量带来的不利影响对测量带来的不利影响 观测时间偏长，作业效率偏低（需要观测时间偏长，作业效率偏低（需要50100次次卫星通过卫星通过,耗时约耗时约1周）周） 定位精度偏低定位精度偏低 原因原因 钟的稳定度偏低钟的稳定度偏低 信号频率偏低信号频率偏低 轨道高度偏低轨道高度偏低
