GPS原理和应用第一章
第一章绪论 第二节导航定位卫星及其星座
GPS测量定位技术
一、GPS卫星及星座
GPS系统主要是为美国海陆空三军服务的，它具有广 泛的军事用途，例如，为地面部队迅速行动指明方位， 为核潜艇导航，为弹道导弹导航，检测全球核爆炸，摄 取全球性的军事情报，反潜艇，反导弹等等。因此， GPS卫星的内部设备复杂而繁多，例如，为了战略部队 的应急通讯，美国在GPS卫星上安装战略通信机，其重 量达16.03㎏，体积为0.0124m3，采用240-272MHZ、 318-400MHZ和7900-8000MHZ的微波信号，辐射功率 为20W。
GPS测量定位技术
二、前苏联GLONASS全球卫星导航系统
1.卫星星座 GLONASS卫星星座的轨道为三个等间隔椭圆轨道，轨 道面间的夹角为120°，轨道倾角64.8°，轨道的偏心率为 0.01，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星。卫星离地面高 度 为 19100km ， 运 行 周 期 为 11 小 时 15 分 。 由 于 GLONASS卫星的轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所 以在高纬度（50°以上）地区的可视性较好。 每颗GLONASS卫星上装有铯原子钟，以产生高稳定的 时标，并向所有星载设备提供同步信号。星载计算机将从 地面控制站接收到的信息进行处理，生成导航电文向地面 的用户广播。
GPS测量定位技术
第一章 绪论
•学习目标 •第一节 卫星大地测量及其发展 •第二节 导航定位卫星及其星座 •第三节 GPS在国民经济建设中的应用 •本章小结 •思考题与习题
GPS测量定位技术
第一章 绪论
学习目标
•了解GPS系统的构成，卫星的个数及寿命，卫星的 运行周期及发射功率，原子钟的精度，定位信号频 率。GPS的地面控制系统和截止2003年10月，目前GPS在轨工作卫星为28颗，其中 17号星在2003年6月6日至7月23日期间列为不健康状况，7 月9日其星钟从Cs4转为Rb2，卫星移到D6星位上又开始正 常运行。现在工作的卫星编号从1号至31号之间，只有12号、 19号、22号为空缺。28颗卫星中有3颗为BLOCKII卫星，17 颗为BLOCKIIA卫星，8颗为BLOCKIIR卫星，正在用铯钟(Cs) 运行的有11颗卫星，其余均用铷钟(Rb)，在1993年11月22 日启用的卫星达15颗，即工作差不多十年以上的卫星数目 过半数，最早的一颗卫星还是1989年6月发射的。原先21号 星是1990年8月2日发射的，去年9月25日出现异常情况， 于2003年1月27日宜布退出服务，现已为2003年3月31日 发射的卫星所接替，后者在4月12日投入正式服务。
第一章(绪论) GPS数据处理课件 吉长东
• 1、产生的背景
• 1）军事需要； • 2）无线电导航技术、卫星技术、计算机和通信技术； • 3）经济发展。 反向观测方案
第一代卫星导航系统的基本工作原理
• 2、第一代卫星导航定位系统
主要有： • 1)美国NNSS－卫星多普勒导航系统 • 2)前苏联CICADA－卫星多普勒导航系统 • 3)中国－北斗导航系统
卫星：是设置无线电导航发射机的理想位置，在适当轨道上的卫星星座
可以使导航信号覆盖整个地球。
吉长东(qq群:214030419待定,email:wn1529@) 辽宁工程技术大学测绘学院
GPS原理与应用> 〉绪论> 导航定位系统发展回顾
（二）、卫星导航定位系统（星基无线电导航系统）
最初：卫星三角测量，卫星是动态观测目标！
吉长东(qq群:214030419待定,email:wn1529@) 辽宁工程技术大学测绘学院
GPS原理与应用> 〉绪论> 专业术语
常用专业术语（续）
• （补）GPS的英文定义
By W.Wooden in 1985：
“The Navistar Global Positioning System (GPS) is an all-weather space-based navigation system under development by the Department of Defense (DOD) to satisfy the requirements for the military forces to accurately determine their Position, velocity, and time in a common reference system, anywhere on or near the Earth on a continuous basis.” 即导航卫星授时与测距/全球 定位系统
《GPS原理及其应用》习题
《GPS原理及其应用》习题集第一章思考题［1］名词解释：天球；赤经；赤纬；黄道；春分点；岁差；章动；极移；世界时；原子时；协调世界时；儒略日。
［2］简述卫星大地测量的发展历史，并指出其各个发展阶段的特点。
［3］试说明GPS全球定位系统的组成。
［4］为什么说GPS卫星定位测量技术问世是测绘技术发展史上的一场革命?［5］简述GPS、GLONASS与NA VSAT三种卫星导航定位系统工作卫星星座的主要参数。
［6］简述(历元)平天球坐标系、(观测)平天球坐标系以及瞬时极(真)天球坐标系之间的差别。
［7］怎样进行岁差旋转与章动旋转?它们有什么作用?［8］为什么要进行极移旋转?怎样进行极移旋转?［9］简述协议地球坐标系的定义。
［10］试写出由大地坐标到地心空间直角坐标的变换过程。
［11］综述由(历元)平天球坐标系到协议地球坐标系的变换过程。
［12］简述恒星时、真太阳时与平太阳时的定义。
［13］什么是GPS定位测量采用的时间系统?它与协调世界时UTC有什么区别?［14］试述描述GPS卫星正常轨道运动的开普勒三大定律。
［15］试画图并用文字说明开普勒轨道6参数。
［16］简述地球人造卫星轨道运动所受到的各种摄动力。
［17］地球引力场摄动力对卫星的轨道运动有什么影响?［18］日、月引力对卫星的轨道运动有什么影响?［19］简述太阳光压产生的摄动力加速度，并说明它对卫星轨道运动有何影响?［20］综述考虑摄动力影响的GPS卫星轨道参数。
［21］试写出计算GPS卫星瞬时位置的步骤。
第二章思考题［1］名词解释：码；码元(比特)；数码率；自相关系数；信号调制；信号解调；SA技术。
［2］试说明什么是随机噪声码?什么是伪随机噪声码?［3］C/A码和P码是怎样产生的?［4］试述C/A码和P码的特点。
［5］试述伪随机噪声码测距原理。
［6］试述导航电文的组成格式。
［7］名词解释：遥测字；交接字；数据龄期；时延差改正；传输参数。
［8］简述导航电文数据块Ⅱ的主要内容。
《GNSS原理及应用》PPT课件
星座
5GEO+5IGSO+4MEO （区域服务）
5GEO+3IGSO+27MEO （全球服务）
信号（实际发射）
主要是北斗系统第二阶段信号
主要是北斗系统第三阶段信号
25
信号特征
北斗系统第二阶段信号
信号
B1(I) B1(Q) B2(I) B2(Q)
B37.14 1268.52
▪ 地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。
▪ 跟踪站（5个）
▪ 作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。 ▪ 地点：夏威夷
▪ 注入站（3个）
▪ 作用：将导航电文注入GPS卫星。 ▪ 地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平
洋）。
1.3.3 GPS的系统组成— 用户设备部分
Galileo工作星 卫星) Galileo卫星组成的；这30
座
颗卫星均匀分布在3个轨道上， Galileo卫星的轨道高度是
23616km，轨道倾角为560。2005年
12月28日，发射了第一颗带激光
后向反射镜阵列(又称为激光反射
器)的试验卫星GIOVE-A 为了保
持Galileo卫星的现用频段，欧盟
38
GLONASS现代化的发展计划
② 2010年12月开始研发第三代 GLONASS导航卫星，称之为GLONASS-K 卫星(如图5所示)；该新型卫星上拟 增设第三个导航定位信号；并将 GLONASS-K卫星的设计工作寿命增长 为10年。该种卫星是一颗基于非加压 平台建造的全新小型卫星，较之以前 所有的GLONASS卫星更加轻便，以致 发射成本较低廉。GLONASS-K卫星拟 增设的第三个导航定位信号的载波频 率为：1201.74~1208.51MHz。
(完整版)(武汉大学)GPS原理及其应用
GPS原理及其应用
绪论 > 美国政府的GPS政策
美国政府的GPS政策
• SA技术（1990.3.25~2000.5.1）
– Selective Availability – 选择可用性 – 人为降低普通用户的测量精度。方法:
• ε技术：降低星历精度（加入随机变化） • δ技术：卫星钟加高频抖动
（短周期，快变化）
– 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经 济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统 不能维持正常工作。
– 到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统 共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作 状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗 斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数 量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。
NAVSTAR GPS 21＋3 6 55° 20180km 12h CDMA 1575MHz
1228MHz
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
其它卫星导航定位系统——GLONASS
• 卫星运行状况
– 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起， 至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
• 系统构成
– 卫星星座 – 地面控制部分 – 用户设备
GPS原理及其应用
P24
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
其它卫星导航定位系统——GLONASS
GLONASS satellite
GLONASS constellation
GPS原理及其应用
绪论 > 其它卫星导航定位系统 > GLONASS
GPS原理及其应用
gps培训课件
1. GPS控制网的技术设计
一. 控制网的应用范围 二. 分级布网
大城市可分3级,中小城市可分2级
三. GPS测量的精度标准 σ = a2(b*d*106)2
四. 坐标系统与起算数据
点应设在视野开阔和容易到达的地方，联测方向。
可在网点附近布设一通视良好的方位点，以建立联测方向。
根据GPS测量的不同用途，GPS网的独立观测边均应构成一定 的几何图形，基本形式有：
1. 三角形网 2. 环形网 3. 星形网
(1)、三角形网
优点：
图形几何结构强，具有较多 的检核条件，平差后网中相 邻点间基线向量的精度比较 均匀。
独立的。
GPS 控制网的观测基线
仪器台数 同步图形 独立基线
N=2 N=3
N=4
N=5
GPS网设计的一般原则
应通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件，提高网的 可靠性。
应尽量与原有地面控制网相重合，重合点一般不少于3个，且分 布均匀。
应考虑与水准点相重合 ，或在网中布设一定密度的水准联测点 。
(4~11)
（目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了32颗）
Colorado springs
55
Hawaii
GSP 地面控制站分布
kwajalein
Ascencion Diego Garcia
一个主控站：科罗拉多•斯必灵司(推遍星历及修正参数、时间基准、轨道
纠偏、启动备用卫星）
三个注入站：阿松森(Ascencion)—大西洋
，L1和L2上的 P 码或 Y 码，还有卫星轨道信息 • 所有信号均由同一个震荡器产生
(完整word版)GPS测量原理与应用复习资料
GPS 测量原理及应用第一章绪论•GPS 的含义：全球定位系统（GPS）是一个空基全天候导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。
•卫星导航系统分类：①按用户接收机是否发射信号分类：无源系统、有源系统。
②按测量的参数分类：测距导航系统、测距离差导航系统、卫星多普勒导航系统、测角导航系统、混合系统。
③按卫星运行轨道高度分类：低轨道（近地轨道）、中高轨道、同步轨道。
④④按工作区域分类：全球覆盖系统、区域覆盖系统。
–北斗一号卫星导航定位系统：①北斗导航系统同时具备定位与双向通信能力，可以独立完成移动目标的定位与调度功能；GPS 系统本身不具备通信能力，需要和其他通讯系统结合才能实现移动目标的远程定位与监控功能。
②北斗导航系统是区域性导航系统；GPS系统是全球性导航系统。
③北斗导航系统是由我国自主控制；GPS系统是由美国军方控制。
–欧盟伽利略系统：①空间段：由分布在三个轨道上的30 颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每个轨道面上有10 颗卫星（9 颗正常工作，1 颗运行备用）；轨道面倾角56 度。
②地面段：包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施地面管理机构。
③用户：用户端主要就是用户接收机及其同等产品，伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS 的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容型接收机。
–前苏联GLONASS 系统：星座轨道为3个等间距椭圆轨道，轨道面间夹角120°，轨道倾角64.8°，偏心率0.01，每个轨道上等间距地分布8颗卫星。
卫星离地高度19100km，绕地运行周期为11 时15 分，地迹重复周期为8 天，轨道同步周期17圈。
其卫星轨道倾角大于GPS卫星轨道倾角，所以在高纬度地区的可视性好。
面控制系统包括1 个系统控制中心、1 个指令跟踪站，网络分布于俄罗斯境内。
GPS测量原理及应用各章知识点总结
GPS测量原理及应用各章知识点总结桂林理工大学测绘08-1 JL（纯手打）第一章绪论1、GPS系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。
能为各个用户提供三维坐标和时间。
2、GPS卫星位置采用WGS-84大地坐标系3、GPS经历了方案论证、系统论证、生产试验三个阶段。
整个系统包括卫星星座、地面监控部分、用户接收机部分。
4、GPS基本参数为：卫星颗数为21+3，卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200km，轨道倾角为55度，卫星运行周期为11小时58分，在地球表面任何时刻，在高度较为15度以上，平均可同时观测到6颗有效卫星，最多可以达到9颗。
5、应用双定位系统的优越性：能同时接收到GPS和GLONASS卫星信号的接收机，简称为双系统卫星接收机。
（1）增加接收卫星数。
这样有利于在山区和城市有障碍物遮挡的地区作业（2）提高效率。
观测卫星数增加，所以求解整周模糊度的时间缩短，从而减少野外作业时间，提高了生产效率。
（3）提高定位的可靠性和精度。
因观测的卫星数增加，用于定位计算的卫星数增加，卫星几何分布也更好，所以提高了定位的可靠性和精度。
6、在GPS信号导航的定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗（以上）卫星，称为定位星座。
7、PRN----------卫星所采用的伪随机噪声码8、在导航定位测量中，一般采用PRN编号。
9、用于捕获信号和粗略定位的为随机码叫做C/A码（又叫S码），用于精密定位的精密测距码叫P 码10、GPS系统中各组成部分的作用：卫星星座1、向广大用户发送导航定位信息。
2、接收注入站发送到卫星的导航电文和其他相关信息，并通过GPS信号电路，适时的发送给广大用户。
3、接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时的改正运行偏差和启用备用时钟等。
地面监控系统地面监控系统包括1个主控站，3个注入站和5个监测站。
1、监测和控制卫星上的设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行。
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–解决方法：提高接收机产生信号f0的频率，使其在任何情况
下都大于fR 。
N ( f 0 f R )dt ( f 0 f s ) ( f s f R ) dt
t2 t2 t1 t1
( f 0 f s )dt ( f s f R )dt
t1 t1
R =
D c t c = = S n f s t fs
• t时间内，S发出的波数为 n f s t ，
均匀分布在D中 • R处接收到信号的波长 R 。
D c t c R = = = S n f s t fs
f R c R f s
GPS原理及其应用
•径向速度为Vcosα
•略去高次项
c
D D f f s (1 ) f s f s c c
GPS原理及其应用
多普勒测量原理
–接收机产生频率为fS的信号
与接收到的频率为fR的信号 混频。求得差频信号。 –在[t1,t2]时间段内积分，积 分值为N。
•D1和D2分别为t1时刻和t2时刻信
t2 S t1 S 用户
(c )2002，黄劲松
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
子午卫星系统及其局限性
• 系统简介
– 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
• 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。 • 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制 了地面接收机及建立地面跟踪网。
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
GPS的发展简史——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。
绝对定位精度：1m
相对定位精度：0.1m~0.5m 定位原理：多普勒定位 存在问题：卫星少，无法实现实时定位；
轨道低，难以精密定轨；频率低，难以
消除电离层影响。
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
GPS的发展简史——方案论证阶段
• 1973年12月，美国国防部批准研制GPS。
源和接收机之间的距离。 •故多普勒测量也被称为距离差
f f s f R
N ( f s f R )dt
t1 t2
fs fs t1 c Ddt c ( D2 D1 ) D2 D1
t2
测量。
s
GPS原理及其应用
多普勒测量原理
–缺陷：无法判断（D2-D1）符号
GPS原理及其应用
§1.2 GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS在军事中的应用
美国海军核潜艇
配备GPS的士兵
GPS导航的舰载飞弹
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS在交通运输业中的应用
• 航运、航空搜索
• 陆路交通（车辆导航、监控） • 船舶远洋导航和进港引水
GPS原理及其应用
多普勒效应
–4.信号源S与接收处R做任意运动
• 将S相对R的速度V分解为径向分量和法 相分量。
vR v cos vt v sin
• 时间当 900 ，S与R间的距离将增加，
波长将被拉伸, fR<fS
•当
900 时，fR=fS
c t V cos t c V cos f s t fs
车辆导航管理
对航空器的定位及导航
车辆导航
配备 GPS 的巡警
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS在测量中的应用
• 建立和维持全球性的参考框架
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS在测量中的应用
• 板块运动和监测
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
• 尺：铟钢尺
• 光学仪器：经纬仪，水准仪
• 电磁波或激光仪器：测距仪 • 综合多种技术的仪器：全站仪
– 观测值
• 角度或方向观测 • 距离观测
• 天文观测方法
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 常规（地面）定位方法的局限性
常规定位方法的局限性
• 需要事先布设大量的地面控制点/地面站
深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结构及通信网络示意图
– 大地测量
• 精度
– 单点定位：15次合格卫星通过（两 次通过之间的时间间隔为0.8h ~ 1.6h），精度约为10m
多普勒单点定位
– 联测定位： 各站共同观测17次合
格卫星通过，精度约为0.5m
多普勒联测定位
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
• 无法同时精确确定点的三维坐标 • 观测受气候、环境条件限制
• 观测点之间需要保证通视
– 需要修建觇标/架设高大的天线 – 边长受到限制
– 观测难度大
– 效率低：无用的中间过渡点
• 受系统误差影响大，如地球旁折光
• 难以确定地心坐标
GPS原理及其应用
多普勒测量与子午卫星系统
多普勒效应
– 当信号源S与信号接收处R 间存在相对运动从而导致径
大地测量多普勒接收 机-1 （MX1502）
• 包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制 中心和海军天文台
– 用户部分
大地测量多普勒接收 机-2 （CMA751）
• 多普勒接收机
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
子午卫星系统及其局限性
• 应用领域
– 海上船舶的定位
GPS概述①
• 建立国家
– 美国
• 目的
– 在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及 授时服务
• 开始筹建时间
– 1973年
• 完全建成时间
– 1995年
GPS原理及其应用
绪论绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS概述②
GPS概述②
• 系统构成
– 空间部分、地面控制部分、用户部分
向运动速度V≠0时，接收到
的信号频率fR就会发生变化 而与发射频率fS不等。
– 例如：
火车驶入站台和驶离站台
GPS原理及其应用
多普勒效应
–1.信号源S与接收处R保持相对静止
–此时fR=fS相同 • S与R间的距离为 D c t • S发出的第一个波前到达S的时间为 t • t 时间内S与R的距离保持D不变
多普勒效应
–2.信号源S与接收处R做相向运动
–此时fR>fS相同 • S发出的第一个波前到达S的时间为 t • t 时间内S与R的距离由 D c t 变为
D c t v t (c v) t
• t 时间内，S发出的波数为 n f s t ，
均匀分布在D中 • R处接收到信号的波长 R 。
fR c fs c V cos
• 当 900 时， fR<fS
GPS原理及其应用
多普勒测量原理
多普勒频移：信号发射频率fS
与信号接收频率fR之差Δf称为多 普勒频移。
f f s f R
V cos dD D dt
D 1 fR f s (1 ) f s D c •若信源在卫星上，R低速运动， c(1 ) c 则星站间径向速度<8km/s 2 D D D •fR按泰勒级数展开 (1 2 ) f s (1 ) f s c 2c c
GPS在测量中的应用
• 建立各级国家平面控制网
GPS原理及其应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS在测量中的应用
• 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程 测量
Modem 定向天线 全向天线
基准站1
市话网
基准站3 市话网
用户
基准站2 用户
市话网 基准站4 市话网
FM电台 监控分析中心 卫星定位信号 发射台 进入移动电 话系统 市 电 信 局 基准站5 市话网
• 服务方式
– 通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务
• 定位原理
– 距离交会
• 测距原理
– 被动式电磁波测距
• 特点
– 全球覆盖、全天候、不间断、精度高
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 常规（地面）定位方法
常规（地面）定位方法
• 近、现代的常规定位方法
– 采用的仪器设备
• 系统缺陷
子午卫星系统及其局限性
TRANSIT系统
卫星：6颗
极地轨道 轨道高度：1075km 信号频率：400MHz、150MHz
– 卫星少，观测时间和间隔 时间长，无法提供实时导 航定位服务 – 导航定位精度低 – 卫星信号频率低，不利于 补偿电离层折射效应的影 响 – 卫星轨道低，难以进行精 密定轨
什么是GPS？