1、GPS原理及其应用原理及其应用主讲主讲 陈志高陈志高第1部分 原理1 GPS测量的特点2 GPS的历史和背景3 GPS系统的组成4 GPS卫星5 GPS地面控制站6 GPS用户设备7 GPS系统现状8 GPS定位原理9 GPS测量2023-1-12GPS定义 GPS的英文全称是：Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 测量用户的 PVT：Position(三维位置三维位置)Velocity(三维速度三维速度)Time(时间时间)日常生活中的GPS4日常生活中的GPS车载手机51 GPS测量的特点2023-1-
2、16 不需要相互通视 观测作业不受天气条件的影响 能达到大地测量所需要的精度水平 全天候白天和夜间均可作业 效率高 提供三维坐标 2 GPS的历史和背景GPS是美国军方研制的第二代卫星导航系统是美国军方研制的第二代卫星导航系统 (1)全球覆盖 (2)24小时可以定位，测速和授时 (3)用户设备成本低廉 (4)确保美国军事安全，服务于全球战略 (5)导航精度可达10-20m (6)取代现存各种导航系统 这种设备可以用来武装战车这种设备可以用来武装战车，舰船和飞机，提高其作战，舰船和飞机，提高其作战能力，并可广泛用于地面部队，其能力，并可广泛用于地面部队，其作用已经在作用已经在海湾战争海湾战争中得
3、中得到充分展示到充分展示。2023-1-172023-1-18系统特征第一代NNSSNavy Navigation Satellite System(海军导航卫星系统）GPS载波频率GHz0.15,0.401.23,1.58卫星高度km100020200卫星数5-621+3卫星周期min1:4711:58卫星钟稳定度10-1110-12GPS与NNSS的主要特征比较2023-1-19系统特征GLONASSGPS载波频率GHz1.61,1.251.23,1.58卫星高度km1910020200卫星数21+321+3卫星周期h11:1511:58卫星钟稳定度10-1110-13GPS与GLONAS
4、S的主要特征比较3 GPS系统的组成2023-1-110空间部分：提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息4 GPS卫星 24颗卫星(21+3)6个轨道平面 55轨道倾角 2万km轨道高度(地面高度)12小时（恒星时）轨道周期 5个多小时出现在地平线以上(每颗星)2023-1-111目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗5 GSP地面控制站一个主控站一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：三个注入站：阿松森(Ascencion)迭哥伽西亚(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)2023-
5、1-1125555HawaiiAscencionDiego GarciakwajaleinColorado springs 6 GPS用户设备 GPS接收机2023-1-113导航型GSP接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机)供电信号信息命令数据供电，控制供电数据控制 TOPCONTOPCON产品产品Leica GPS接收机接收机南方仪器厂南方仪器厂手持型手持型GPS机机车载型车载型GPS机机单频机单频机双频机双频机 7 GPS定位原理 卫星信号结构2023-1-121基准频率基准频率10.23MHZ L1L11575.42MHZ C/AC/A码码 1.023MHZ P P码码 1
6、0.23MHZL2L21227.60MHZP P码码10.23MHZ101541205050比特比特/S/S卫星信息电文卫星信息电文(D(D码码)每颗卫星都发射一系列无线电信号每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率基准频率)两种载波两种载波(L1(L1和和L2)L2)两种码信号两种码信号(C/A(C/A码和码和P P码码)一组导航电文一组导航电文(信息码，信息码，D D码码)GPSGPS卫星信号的组成卫星信号的组成卫星信号卫星信号 （1 1）载波信号）载波信号 L L1 1载波，波长载波，波长=19.03cm=19.03cm，频率，频率f f1 1=1575.42MHZ=1575.42MHZ
7、 L L2 2载波，波长载波，波长=24.42cm=24.42cm，频率，频率f f2 2=1227.6OMHZ=1227.6OMHZ。（2 2）测距码）测距码 C/A C/A码（粗码码（粗码/捕获码）：调制在捕获码）：调制在L L1 1载波上。结构公开，载波上。结构公开，不同的卫星有不同的不同的卫星有不同的C/AC/A码。码。P P码码（精码）：调制在精码）：调制在L L1 1和和L L2 2载波上。载波上。（3 3）数据码（）数据码（D D码）（导航电文）码）（导航电文）提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数提供有关卫星位置，卫星钟的性能、发射机的状态等数据和信息。用户利用观测值
8、以及这些信息和数据就能进行导据和信息。用户利用观测值以及这些信息和数据就能进行导航和定位。航和定位。GPS定位的各种常用观测量 对卫星进行测距2023-1-123接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距接收机对跟踪的每一颗卫星进行测距地心SiijPj riRjRj=ri+ij有关各观测量及已知数据如下：有关各观测量及已知数据如下：r 为已知的卫地矢量P为观测量(伪距)为未知的测站点位矢量伪距测量2023-1-125v 接收机至卫星的距离借助于卫星发射的码信号量测并计算得到的v 接收机本身按同一公式复制码信号v 比较本机码信号及到达的码信号确定传播延迟时间tv 传播延迟时间乘以光速就得到距离观测值=C
9、tt 接收到的卫星测距码 接收仪复制出的测距码 1)1)定位速度快。定位速度快。2)2)无多值性问题。无多值性问题。3)3)可作为载波相位测量中整波数不确定问题（模糊度）的可作为载波相位测量中整波数不确定问题（模糊度）的辅助资料。辅助资料。4)4)一次定位精度不高，（一次定位精度不高，（P P码定位误差约为码定位误差约为10 m10 m，C/AC/A码定码定位误差约为位误差约为 202030 m30 m）。）。D=c TN 载波L1的波长为19cm，L2的波长为24 cm 接收仪将接收到的卫星载波信号的相位与其自身产生 的参考载波信号的相位进行比较 接收仪开机后，相位整周数未知相位整周数未知(
10、带有整周模糊度)跟踪卫星时间较长时距离的变化可以测定(整周数保持 不变)接收到的卫星相位接收仪复制出的相位 整周模糊度的确定整周模糊度的确定可通过卫星和测站的先验信息或伪距观测值先验信息或伪距观测值，估算其近似值近似值并在平差计算中解算其最佳估值最佳估值。采用通常的方法解算时，需随观测时间的延长使卫星的几何构形发生较大的变化，使电离层折射效应和多路径效应等系统性偏差的影响被逐渐削弱以至消除，从而保证其确定的可靠性。在通常的静态定位中，为确保确定的可靠性，至少要观测1小时左右小时左右。2023-1-129卫星广播的电磁波信号：l信号量测精度优于波长的1/100l载波波长(L1=19cm,L2=2
11、4cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多l所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距(C/A码或P码)定位高得多的测距精度L1载波载波L2载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m C/A=293 m载波相位测距的优缺点载波相位测量属于载波相位测量属于非码信号非码信号测量系统测量系统优点优点：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可：把载波作为量测信号，对载波进行相位测量可以达到很高的精度，目前可达到以达到很高的精度，目前可达到1 12mm2mm。缺点缺点：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量：载波信号是一种周期性的正弦信号，相位测量只
12、能测定不足一个波长的小数部分，无法测定其整波只能测定不足一个波长的小数部分，无法测定其整波长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使解算长个数。因而存在着整周数的不确定性问题，使解算过程比较复杂。过程比较复杂。单点定位结果的获取2023-1-131l单点定位解可以理解为一个测边后方交会问题l卫星充当轨道上运动的控制点，观测值为测站至卫星的伪距(由时间延迟计算得到)l由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗卫星，解算四个未知参数：纬度 ,经度 ,大地高程 h,钟差 t8 GPS定位的误差源2023-1-132v与GPS卫星有关的因素SA(对精密星历进行加密）技术：人为的降低广播星历
13、精度2000年5月2日4时终止实施卫星星历（定轨）误差卫星钟差卫星信号发射天线相位中心偏差v与传播途径有关的因素电离层延迟对流层延迟多路径效应v与接收机有关的因素接收机钟差接收机天线相位中心误差接收机软件和硬件造成的误差9 GPS 测量(1)采用载波相位观测值2023-1-133卫星广播的电磁波信号：信号量测精度优于波长的1/100载波波长(L1=19cm,L2=24cm)比C/A码波长 (C/A=293m)短得多所以，GPS测量采用载波相位观测值可以获得比伪距(C/A码或P码)定位高得多的测距精度L1载波载波L2载波载波C/A码码P-码码 p=29.3 m L2=24 cm L1=19c m
14、 C/A=293 m(2)组成星际站际两次差分观测值2023-1-134可以消去卫星钟的系统偏差可以消去卫星钟的系统偏差可以消去接收机时钟的误差可以消去接收机时钟的误差PikPljPijPjPlkPkSlSi可以削弱大气折射对观测值的影响可以削弱大气折射对观测值的影响可以削弱轨道可以削弱轨道(星历星历)误差的影响误差的影响(3)设法解算出初始整周未知数2023-1-135测站对某一卫星的载波相位观测值由测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分三部分组成组成 (1)(1)初始整周未知数初始整周未知数n n；(2)t 0(2)t 0至至t i t i 时刻的整周记数时刻的整周记数CiCi；(3)(3
15、)相位尾数相位尾数 i i如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n n为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总观测值得总观测值n+Cn+Ci i+i iTime(0)AmbiguityTime(i)AmbiguityCounted CyclesPhase Measurement(4)弄清楚初始整周未知数的确定与定位精度的关系2023-1-136精精度度m1.000.10 0.01整周未知数确定后整周未知数确定前经典静态定位经典静态定位00
16、308058时间时间(分分)如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度如果无法准确解出初始整周未知数，则定位精度难以优于难以优于1m随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高随着初始整周未知数解算精度的提高，定位精度也相应提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高一旦初始整周未知数精确获得，定位精度不再随时间延长而提高经典静态定位需要经典静态定位需要30-80分钟分钟观测才能求定初始整周未知数观测才能求定初始整周未知数 快速静态定位将这个过程缩短到快速静态定位将这个过程缩短到5-8分钟分钟(双频接收机双频接收机)快速静态定位快速静态定位伪距差分这是应用最广的一种差分
17、。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精度。这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”2023-1-137载波相位差分 载波相位差分技术又称RTK(Real Time Kinematic)技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发送给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级，已经大量应用于需要点位高精度的动态测量领域。2023-1-1382023-1-139第2部分 我国GPS测量的常用坐标
18、系1.WGS-84 WGS-84坐标是GPS所采用的坐标系统，GPS发布的星历参数都是基于此坐标系的。WGS-84的椭球参数：a=6378137m 1/f=298.2572235632.1954北京坐标系 1954北京坐标系是目前我国使用比较广泛的大地测量坐标系，参考椭球是克拉索夫斯基椭球。其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。克拉索夫斯基椭球参数：a=6378245m 1/f=298.32023-1-1403.1980西安坐标系 1980西安坐标系是我国新建的大地测量坐标系，参考椭球是IUGG1975椭球，其高程是以1956年黄海平均海水面为基准。IUGG1975椭球参数：a=63781
19、40m 1/f=298.257第3部分 GPS静态定位2023-1-141 GPS静态定位主要用于建立各级测量控制网，其优点为：定位精度高，其基线的相对精度非常高选点灵活、不需要造标、费用低全天候作业观测时间短观测处理自动化第4部分 GPS高程q 测量中常用的高程系统有大地高系统、正高系统、正常高系统大地高系统是以参考椭球面为基准面的高程系统。某点的大地高是该点到参考椭球面的垂直距离。大地高也称为椭球高。一般用H 表示。正高系统是以大地水准面为基准面的高程系统。某点的正高是该点到大地水准面的垂直距离。正常高系统是以似大地水准面为基准面的高程系统。某点的正常高是该点到似大地水准面的垂直距离。20
20、23-1-142高程系统间的转换HHN正2023-1-143HH正常 似大地水准面到参考椭球面的距离称为高程异常，似大地水准面不规则，造成了各地高程异常值的不确定性。GPS高程的方法2023-1-144在国内一般适用高程拟合法高程拟合法求水准高。已知点为一个把已知点上的高程异常改正到其它点上去已知点为两个定义了高程平差面，此平面沿着直线方向前进已知点为三个定义了高程平差面多于三个二次曲面拟合定义了曲面第5部分 GPS在军事中的应用2023-1-1451 GPS1 GPS在战场上的应用在战场上的应用2 GPS2 GPS在电子战争中的应用在电子战争中的应用3 GPS3 GPS在武器试验中的应用在武
21、器试验中的应用 1 GPS1 GPS在战场上的应用在战场上的应用 在在19901990年的海湾战争中，年的海湾战争中，虽然当时虽然当时GPSGPS系统还未全面系统还未全面建成，空间只有部分建成，空间只有部分GPSGPS卫星在运行，但它在多国卫星在运行，但它在多国部队多兵种应用，显示了部队多兵种应用，显示了它的优越性，发挥了很大它的优越性，发挥了很大的作用。的作用。战争初期，美国装备了战争初期，美国装备了900 900 套套GPSGPS接收机接收机，在战争中迅速增加，到战争后期装备，在战争中迅速增加，到战争后期装备了了 5,000 5,000 多套多套。连同它的盟国部队共装备了。连同它的盟国部队
22、共装备了 10,000 10,000 多多套。直到战争结束还有数千套合同产品还在生产中。套。直到战争结束还有数千套合同产品还在生产中。1GPS1GPS在战场上的应用在战场上的应用 因为当时多国部队是因为当时多国部队是 跨国界、跨地区作跨国界、跨地区作战，地理环境相当陌生，仅依靠地图是实在战，地理环境相当陌生，仅依靠地图是实在有限的，据说正是因为有了手持型有限的，据说正是因为有了手持型GPS的帮的帮助，才使许多美国士兵得以生还。事实证明助，才使许多美国士兵得以生还。事实证明它最适合它最适合单兵及快速反应部队单兵及快速反应部队行动，因为它行动，因为它满足快速、灵活、多变的战时环境，功效是满足快速、
23、灵活、多变的战时环境，功效是传统导航工具无法达到的。目前已成为许多传统导航工具无法达到的。目前已成为许多国外士兵的国外士兵的标准装备之一标准装备之一。空中轰炸空中轰炸 安装安装GPSGPS接收机的飞机，不仅改善了导航精度，接收机的飞机，不仅改善了导航精度，并且由于把要轰炸的目标作为一个并且由于把要轰炸的目标作为一个“航路点航路点”，有效改善，有效改善炸弹投放精度。利用炸弹投放精度。利用GPSGPS导航功能，战斗机的飞行与投弹导航功能，战斗机的飞行与投弹不受白天黑夜、可视距离的影响不受白天黑夜、可视距离的影响，可以避开敌方雷达视距，可以避开敌方雷达视距低空穿越飞行，减少损失，重创敌人。低空穿越飞
24、行，减少损失，重创敌人。战场侦察战场侦察 无论山区密林、沙漠田野，带着无论山区密林、沙漠田野，带着GPS接收机，接收机，侦察员们掌握自己位置，记录敌方位置，再不会犯侦察员们掌握自己位置，记录敌方位置，再不会犯方向和路线的错误。方向和路线的错误。空中侦察，多架飞机，利用空中侦察，多架飞机，利用GPS连续测定自连续测定自身位置，利用无线电测向、空中摄影等方法确定敌身位置，利用无线电测向、空中摄影等方法确定敌方地面部署、防空雷达的位置，快速有效的获得战方地面部署、防空雷达的位置，快速有效的获得战时地图。时地图。精密制导精密制导 导弹弹头上安装导弹弹头上安装GPS接收机，随时测定导弹位置，接收机，随时
25、测定导弹位置，进行弹道偏差修正，准确命中目标。命中目标的误差可进行弹道偏差修正，准确命中目标。命中目标的误差可达到达到1米米，并且命中目标的误差，并且命中目标的误差不受导弹射程不受导弹射程（即使为（即使为数千公里）的影响。数千公里）的影响。搜索救援搜索救援 主动式搜索救援：始终监视救援范围内主动式搜索救援：始终监视救援范围内的情况，跟踪目标，根据的情况，跟踪目标，根据GPS测定的位置组测定的位置组织救援，提高救援成功率。织救援，提高救援成功率。被动式搜索救援：配备带有被动式搜索救援：配备带有GPS接收机接收机的紧急求救无线发信装置（一般放在头盔上）的紧急求救无线发信装置（一般放在头盔上）的指战
26、员们主动求救。的指战员们主动求救。法国的法国的ASCAASCA公司已为美海军开发了利用水下全球定位系公司已为美海军开发了利用水下全球定位系统统(GPS)(GPS)技术进行搜索与救援以及对抗水雷的系统，它可以技术进行搜索与救援以及对抗水雷的系统，它可以利用水下的利用水下的GPSGPS信号确定目标的经、纬度和深度坐标。海军信号确定目标的经、纬度和深度坐标。海军海上系统司令部已于海上系统司令部已于20012001年年8 8月购买了一套该系统，该系统月购买了一套该系统，该系统可用于跟踪沉在水下的飞机或潜艇中释放的移动黑匣子声波可用于跟踪沉在水下的飞机或潜艇中释放的移动黑匣子声波发送器，只需要不到半天的
27、时间就能寻找到目标。在发送器，只需要不到半天的时间就能寻找到目标。在20012001年年夏天进行的一次试验中，该系统只用了夏天进行的一次试验中，该系统只用了1 1个小时就寻找到了个小时就寻找到了目标。目标。另一项可能的应用就是进行爆炸性军火处理另一项可能的应用就是进行爆炸性军火处理(EOD)(EOD)，可以，可以用来处理在科索沃战争中投放在地中海的没有爆破的哑弹。用来处理在科索沃战争中投放在地中海的没有爆破的哑弹。此外，该技术还可以用于水雷对抗等许多领域中。此外，该技术还可以用于水雷对抗等许多领域中。水下全球定位系统应用水下全球定位系统应用地面作战地面作战 部队集结调动、穿越陌生区域、战场补给
28、、部队集结调动、穿越陌生区域、战场补给、协同作战、识别敌我阵地、行军路线，有了协同作战、识别敌我阵地、行军路线，有了GPS接收机，保证不会发生立场和路线的错误。接收机，保证不会发生立场和路线的错误。甚至指挥员在制定战斗方案时，利用各部甚至指挥员在制定战斗方案时，利用各部队根据队根据GPS确定并连续发送过来的实时位置，确定并连续发送过来的实时位置，再配上一台笔记本电脑，就可在矢量地图的环再配上一台笔记本电脑，就可在矢量地图的环境下，更科学地指挥现代战争。境下，更科学地指挥现代战争。布雷扫雷布雷扫雷 可记录下水雷或地雷的精确位置，既避免可记录下水雷或地雷的精确位置，既避免了误伤自己人，战争结束后，
29、清理战场也安全了误伤自己人，战争结束后，清理战场也安全得多。得多。2 GPS在电子战争中的应用在电子战争中的应用 对敌方电子发射源的定位对敌方电子发射源的定位 多架飞机，利用多架飞机，利用GPS连续测定自身位置，利用无线电测向连续测定自身位置，利用无线电测向等方法确定敌方地面防空系统或雷达的位置，进而直接摧毁敌军等方法确定敌方地面防空系统或雷达的位置，进而直接摧毁敌军地面雷达系统。地面雷达系统。诱惑导弹脱靶诱惑导弹脱靶 敌方导弹攻击我方飞机时，为了摆脱导弹，我方飞机需要敌方导弹攻击我方飞机时，为了摆脱导弹，我方飞机需要投放金属箔条，造成假目标，好象孙捂空一把毫毛就出来千万个投放金属箔条，造成假
30、目标，好象孙捂空一把毫毛就出来千万个小捂空，诱惑导弹打错目标，脱离飞机。但敌方导弹还受敌方雷小捂空，诱惑导弹打错目标，脱离飞机。但敌方导弹还受敌方雷达指挥。雷达只有在我方飞机机头对准基本地面雷达时投放金属达指挥。雷达只有在我方飞机机头对准基本地面雷达时投放金属箔条，才会被诱惑，分不清真假。而箔条，才会被诱惑，分不清真假。而GPS实时确定我方飞机位置，实时确定我方飞机位置，根据预先已知的敌方雷达位置，控制飞机进入适宜投放金属箔条根据预先已知的敌方雷达位置，控制飞机进入适宜投放金属箔条的飞行方向。的飞行方向。3 GPS3 GPS在武器试验中的应用在武器试验中的应用 弹道测量弹道测量 利用导弹上装载的利用导弹上装载的GPS接收机，实时测接收机，实时测定导弹的位置与速度，通过数字无线传输，定导弹的位置与速度，通过数字无线传输，送到地面站。采集的数据用来分析导弹制导送到地面站。采集的数据用来分析导弹制导系统的控制误差，改进设计。系统的控制误差，改进设计。Thank you军事演习指挥监控系统军事演习指挥监控系统 指挥所（监控中心）实时掌握运载体（舰艇、飞机、导弹、指挥所（监控中心）实时掌握运载体（舰艇、飞机、导弹、战车）位置。战车）位置。
