1、GPS技技术与术与应用应用西南交通大学测量工程系西南交通大学测量工程系2022-4-22GPS技术与应用2卫星无线电导航系统卫星无线电导航系统 一子午卫星导航系统（TRANSIT）二全球定位系统（GPS）三全球导航定位系统（GLONASS）四双星导航定位系统（北斗一号）五伽俐略系统（GAILILEO）1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星由前苏联成功发射，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学技术的发展，迅速地跨入了一个崭新的时代。2022-4-22GPS技术与应用3一、子午卫星导航系统（一、子午卫星导航系统（TRANSIT）子午卫星导航系统，又称多普勒卫星定位系统，它是58年底
2、由美国海军武器实验室开始研制，于64年建成的“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System）。这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。1967年7月该系统由军方解密供民间使用。此后用户数量迅速增长，最多达9.5万户，而军方用户最多时只有650个，不足总数的1%，可见因生产的需要民间用户远远大于军方。2022-4-22GPS技术与应用4系统组成系统组成 n卫星星座q由六颗独立轨道的极轨卫星组成，轨道倾角i =90；卫 星 运 行 周 期 为 T = 1 0 7 m ； 卫 星 高 度 约 为H=1075km。n地面系统q地面设有4个卫星跟踪站； 1个计算中
3、心；1个控制中心；2个注入站；1个天文台（海军天文台）。 2022-4-22GPS技术与应用5技术特点技术特点 n定轨精度q广播星历所预报的卫星位置的切向误差17m；径向误差26m；法向误差8m。 q精密星历所预报的卫星位置精度为 2m。 n卫星性能q星体直径约为50公分，卫星重量为4573公斤。 n卫星信号 q4.9996MHz基准钟频信号，倍频30和80倍后，形成149.988MHz和399.968MHz的标准信号。 n定位精度q利用广播星历的单点定位精度约为10m，观测100次卫星通过后的测量数据平差解算后，可获得精度为35m；利用精密星历观测40次卫星通过的测量数据平差解算后，可获得精
4、度为0.51m；为了消除公共误差提高定位精度，相对定位的精度为0.5m 。 2022-4-22GPS技术与应用6不足之处不足之处 n一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要q一次定位一般需要连续观测一颗卫星通过的时间约为1518分钟 n卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要。q没有采用频分、码分、时分等多路接收技术，确定了该系统不能成为连续导航系统。n子午卫星导航系统的定位精度偏低q卫星轨道低，信号频率较低受电离层影响大，卫星钟频不够稳定 2022-4-22GPS技术与应用7二、全球导航定位系统（二、全球导航定位系统（GLONASS） 该系统是82年底由前苏联开始承建，期间因苏联解体
5、，几经周折最后由俄罗斯于96年建成全球 导 航 定 位 系 统（Global Navigation S a t e l l i t e S y s t e m , GLONASS）。该系统与美国的全球定位系统同属于第二代卫星定位系统。2022-4-22GPS技术与应用8系统组成系统组成 n卫星星座q三个独立椭圆轨道，的24颗卫星组成（另加1颗备用卫星），每个轨道分布8颗卫星，各轨道升交点赤经相差120；轨道偏心率e=0.01；卫星轨道倾角i =64.8；卫星运行周期T=11h15m；卫星高度H=19100km；卫星设计使用寿命4.5年，直至1995年卫星星座布成，经过数据加载、调整和检验，已于
6、1996年1月18日整个系统正式运转。n地面系统q1个系统控制中心（在莫斯科区的Golitsyno-2），1个指令跟踪站（CTS），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内。2022-4-22GPS技术与应用9技术特点技术特点 n卫星信号q两种载波信号，L1载波信号16021616MHz ，民用；L2载波信号12461256MHz ，军用。卫星之间的识别方法采用频分多址（FDMA），L1频道间隔为0.5625 MHz，L2频道间隔为0.4375 MHz 。测距粗码（C/A码）的码频0.511MHz 码长为511比特，重复周期为1ms ；精码P码， 尽管前苏联严格保密，英国立茨大学G.R.Lennen博士成
7、功破译。n定位精度q水平精度：5070m；垂直精度：75m；q测速精度：15cm/s； 授时精度：1s。2022-4-22GPS技术与应用10三、双星导航定位系统（北斗一号）三、双星导航定位系统（北斗一号） 我国已于2000年底（10月31日、12月21日）发射了两颗同步静止定位卫星，并完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位卫星，在2003年5月25日发射，于6月3日5时顺利定点，系统大功告成。 2022-4-22GPS技术与应用11系统组成系统组成 n卫星星座q由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）；轨道倾角i =0；公转周期T=24h恒星时；轨道高度H=36000km 。 n
8、地面系统q一个中心站、定轨观测网、校准站、测高站2022-4-22GPS技术与应用12技术特点技术特点n服务区域：q70145E； 555Nn用户设备：q定位收发机的瞬间发射功率较大n定位精度：q平面精度20m；垂直精度10m 2022-4-22GPS技术与应用13定位原理定位原理 卫星1星下点1星下点2定位圆 1定位圆 2地面中心站卫星2地面中心站通过2颗卫星传送测距问询信号，用户回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出卫地距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个卫地距离为半径可作出两个定位球。而两个定位球又和地面交出两个定位圆，用户必定位于两个定位圆相交的两个点上（这两个交点一
9、定是以赤道为对称轴南北对称的）。地面中心站求出用户坐标后，再根据坐标在地面数字高程模型中读出用户高程，进而让卫星转告用户 。 2022-4-22GPS技术与应用14四、伽俐略系统（四、伽俐略系统（GAILILEO） 从1994年欧盟开始对伽利略（GAILILEO）系统方案实施论证以来，2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略（GAILILEO）系统的L频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略（GAILILEO）系统的建设。该系统由欧盟各政府和私营企业共同投资（36亿欧元），是将来精度最高的全开放的新一代卫星定位系统。2022-4-22GPS技术与应用15系统
10、组成系统组成 n卫星星座q3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星（27颗工作卫星，3颗备用卫星）；轨道倾角i =56；公转周期T=14h23m14s；轨道高度H=23616km。n地面系统q在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。n定位精度q导航定位精度比目前任何系统都高2022-4-22GPS技术与应用16计划实施计划实施 n1994年开始进入方案论证阶段；n2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段；n2008年整个伽利略（GNSS）系统建成并投入使用。2022-4-22GPS技术与应用17服务方式服务方式 按不同用户层次分为免费服务和有偿服务两种级别。免费服务包括：提供L1频率基本公共
11、服务，与现有的GPS民用基本公共服务信号相似，预计定位精度为10m。有偿服务包括：提供附加的L2或L5信号，可为民航等用户提供高可靠性、完好性和高精度的信号服务。系统定义了三种类型的业务： 1. 开放接入业务（OAS）：向民用用户开放的免费业务2. 一类控制接入业务（CAS 1）：为商业应用提供有偿服务。3. 二类控制接入业务（CAS 2）：为安全和军事提供有偿服务。所有这三类服务的精度都优于10m。CAS 2可实现水平4m、垂直16m的定位精度。2022-4-22GPS技术与应用18五、全球定位系统（五、全球定位系统（GPS） 全球定位系统的全称是：导航卫星测时测距/全球定位系统（Navig
12、ation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System），简称GPS。1973年12月，美国国防部批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统全球定位系统（GPS）。该系统是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时等多种功能。能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服务。 GPS计划经历了方案论证（19741978年），系统论证（19791987年），试验生产（19881993年）三个阶段，总投资300亿
13、美元。2022-4-22GPS技术与应用19GPS系统组成系统组成2022-4-22GPS技术与应用20空间部分空间部分 24颗卫星 （21颗工作卫星+3颗备用卫星 ），6个近圆形轨道面，高度约20200km，轨道倾斜55，轨道平面升交点赤经相差60 ，周期约11小时58分2022-4-22GPS技术与应用21GPS卫星发展历程卫星发展历程n第一代：实验卫星(Block I) q1978-1985共发射11颗，设计寿命5年，停止工作n第二代 ：Block II 、Block IIA、Block IIR、Block IIFq1988-1994年共发射28颗Block II 、Block IIAn
14、第三代 ： Block I q下一代工作卫星2022-4-22GPS技术与应用22BLOCK IBLOCK II/IIA2022-4-22GPS技术与应用23BLOCK IIFBLOCK IIR2022-4-22GPS技术与应用24控制部分控制部分1个主控站、5个监测站、3个注入站2022-4-22GPS技术与应用25用户设备部分用户设备部分用户设备主要是GPS接收机，它由天线前置放大器、信号处理、控制与显示、记录和供电单元组成。 2022-4-22GPS技术与应用26GPS系统的特点系统的特点 一定位精度高二观测时间短三测站间无需通视四可提供三维坐标五操作简便六全天候作业七功能多，应用广20
15、22-4-22GPS技术与应用27美国对美国对GPS用户的限制性政策用户的限制性政策 1.标准定位服务（SPS）和精密定位服务（PPS）2.选择性可用（SA）政策对（SPS）服务实施干扰3.反电子欺骗技术(A-S)对P码实施加密2022-4-22GPS技术与应用281.标准定位服务和精密定位服务标准定位服务和精密定位服务nPrecise Positioning Service - PPS(P-code) nStandard Positioning Service - SPS(C/A code) Accuracy in:PPS (95%)SPS (95%) horizontal plane 22
16、 meters100 meters vertical plane27.7 meters156 meterstime transfer200 nanoseconds 340 nanoseconds2022-4-22GPS技术与应用292. 选择性可用政策（选择性可用政策（ Selective Availability ，SA）n技术q将钟频信号加入高频抖动使C/A码波长不稳定 n技术q将广播星历的卫星轨道参数加入人为误差，降低定位精度nSA政策1991年7月1日实施，因影响美国商业利益，于2000年5月2日取消SA政策2022-4-22GPS技术与应用30单点定位单点定位: 2000年五月以前年
17、五月以前nL1 C/A 码n有SA政策2022-4-22GPS技术与应用31单点定位单点定位: 目前目前nL1 C/A码n无SA政策2022-4-22GPS技术与应用32单点定位单点定位: 到到2009年年nL1 C/A码nL2 C/A码2022-4-22GPS技术与应用33单点定位单点定位: 到到 2013nL1 C/A 码nL2 C/A 码nL5 P 码2022-4-22GPS技术与应用34RTK定位定位: TodaynL1 码和载波相位nL2 载波相位n数据链2022-4-22GPS技术与应用35RTK定位定位: 将来将来nL1 码和载波相位nL2 码和载波相位nL5 码和载波相位n数据
18、链2022-4-22GPS技术与应用36测绘测绘/制图制图/GIS方面的应用方面的应用n测量精度可达到cm-mm级精度n节省时间、成本、劳动力大约100%-300%n自动制图n各种工程测量n石油、天然气、矿藏开发n各种等级的控制测量n变形监测：路基、桥梁和隧道的水平位移监测，滑坡和高边坡的变形监测2022-4-22GPS技术与应用37相对经典的测量技术，相对经典的测量技术，GPS技术主要特点如下：技术主要特点如下：n1、观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而不再需要建造觇标
19、，这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。n2、定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于50km的基线上，其相对定位精度可达1210-6，而在100km500km的基线上可达10-6 10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于1000km的距离上，相对定位精度可达到或优于10-8。2022-4-22GPS技术与应用38相对经典的测量技术，相对经典的测量技术，GPS技术主要特点如下：技术主要特点如下：n3、观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为13小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。n4、提供三维坐标。GPS测量，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探，航空摄影测量及精度导航中的应用，提供了重要的高程数据。n5、全天侯作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连续地进行，一般也不受天气状况的影响。
