GPS测量原理与应用第一章 华北科技学院版本课件
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GPS测量原理及应用备课课件(最新)第一章：绪论
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。
用途广，功能多。GPS系统不仅可用于测量定位、导航，还可以 用于测时、测速等，而且精度高。
五.其他卫星导航定位系统简介
1.俄罗斯的GLONASS导航定位系统 2.中国的北斗双星导航定位系统 3.欧盟的伽利略导航定位系统(GNSS)
❖ GPS卫星的作用是：
（1）向广大用户连续不断地 发送导航定位信号，用导 航电文报告自己的现势位 置，以及其它在轨卫星的 概略位置。（2）在飞越注 入站上空时，接受由地面 注入站用S波段发送来的导 航电文和其它有关信息， 供实时转发给地面上广大 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。
❖ 从1994年欧盟已开始对伽利略（GNSS）系统方案实施论证。 2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略 （GNSS）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（GNSS）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 的新一代定位系统。
位卫星传送测距问询信号，如
果用户需要定位则马上回复应
卫星 1
答信号。地面中心站可根据用
户的应答信号的时差计算出户
星距离，这样以两颗定位卫星
为中心以两个户星距离为半径
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，
☆ 星下点1
用户必定位于两个定位圆相交
的两个点上（这两个交点一定 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
❖ 3.频率低，难以补偿电离层效应的影响。
因为电离层是电磁波的弥散介质，对不同频率（f）的 信号传播速度影响很大。频率越低导致的误差就越大。
用途广，功能多。GPS系统不仅可用于测量定位、导航，还可以 用于测时、测速等，而且精度高。
五.其他卫星导航定位系统简介
1.俄罗斯的GLONASS导航定位系统 2.中国的北斗双星导航定位系统 3.欧盟的伽利略导航定位系统(GNSS)
❖ GPS卫星的作用是：
（1）向广大用户连续不断地 发送导航定位信号，用导 航电文报告自己的现势位 置，以及其它在轨卫星的 概略位置。（2）在飞越注 入站上空时，接受由地面 注入站用S波段发送来的导 航电文和其它有关信息， 供实时转发给地面上广大 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。
❖ 从1994年欧盟已开始对伽利略（GNSS）系统方案实施论证。 2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略 （GNSS）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（GNSS）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 的新一代定位系统。
位卫星传送测距问询信号，如
果用户需要定位则马上回复应
卫星 1
答信号。地面中心站可根据用
户的应答信号的时差计算出户
星距离，这样以两颗定位卫星
为中心以两个户星距离为半径
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，
☆ 星下点1
用户必定位于两个定位圆相交
的两个点上（这两个交点一定 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
❖ 3.频率低，难以补偿电离层效应的影响。
因为电离层是电磁波的弥散介质，对不同频率（f）的 信号传播速度影响很大。频率越低导致的误差就越大。
GPS测量原理与应用第一章 华北科技学院版本课件
1958年底，美国海军武器实验室，着手建 立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即 “海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System-NNSS），1964年建成，并在 美国军方启用。
1967年美国政府批准该系统解密，提 供民用。
1973年美国国防部开始组织海陆空三 军，共同研究建立新一代卫星导航系统的 计划，这就是目前所称的“授时与测距导 航系统/全球定位系统”（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System—NAVSTAR/GPS）， 通常简称为“全球定位系统（GPS）”。
§1-2 GPS系统的组成
GPS全球定位系统主要由三大组成部分， 即空间星座部分、地面监控部分和用户设备 部分。
一、GPS卫星星座部分
（一）、GPS卫星星座的构成 全球定位系统的空间卫星星座，由24
颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星 分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4 颗卫星。
卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为 55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°， 在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30°。 轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期 为11小时58分。因此，同一观测站上，每天 出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约 4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线 以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随 时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11 颗。
1、对不同的GPS用户提供不同的服务方式
GPS卫星发射的无线电信号，含有两种 精度不同的测距码，即所谓的P码（也称精 测码）和C/A码（也称粗测码）。相应两种 测距码GPS提供两种定位服务方式，即精密 定位服务和标准定位服务。
1967年美国政府批准该系统解密，提 供民用。
1973年美国国防部开始组织海陆空三 军，共同研究建立新一代卫星导航系统的 计划，这就是目前所称的“授时与测距导 航系统/全球定位系统”（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System—NAVSTAR/GPS）， 通常简称为“全球定位系统（GPS）”。
§1-2 GPS系统的组成
GPS全球定位系统主要由三大组成部分， 即空间星座部分、地面监控部分和用户设备 部分。
一、GPS卫星星座部分
（一）、GPS卫星星座的构成 全球定位系统的空间卫星星座，由24
颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星 分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4 颗卫星。
卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为 55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°， 在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30°。 轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期 为11小时58分。因此，同一观测站上，每天 出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约 4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线 以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随 时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11 颗。
1、对不同的GPS用户提供不同的服务方式
GPS卫星发射的无线电信号，含有两种 精度不同的测距码，即所谓的P码（也称精 测码）和C/A码（也称粗测码）。相应两种 测距码GPS提供两种定位服务方式，即精密 定位服务和标准定位服务。
GPS原理及应用PPT课件
地面监控
包括主控站、监控站和注入站，负责跟踪卫星 、计算轨道和提供时间同步信息。
3
用户设备
GPS接收机，用于接收卫星信号并计算位置、 速度等信息。
GPS系统的特点
全球覆盖
GPS系统可实现全球范围内的定位 和导航。
高精度定位
利用差分技术，GPS系统可提供米 级甚至厘米级的定位精度。
实时性
GPS系统能够实时提供位置、速度 和时间等信息。
接收机的硬件和软件故障、多路径效应等， 导致接收机获取的位置信息存在误差。
地球自转和极移的影响，导致接收机获取的 位置信息存在误差。
GPS误差的处理方法
双频接收
采用双频接收技术，提高接收机的 测量精度。
差分技术
利用多个接收机同时观测同一组卫 星，通过差分算法消除公共误差， 提高测量精度。
载波相位观测
多频观测
利用多个不同频率的GPS信号进行观测，可以消除电离层误差，提高定位精度。
GPS与其他传感器的融合
惯性传感器
将GPS与惯性传感器(陀螺仪和加速度计)进行融合，可以提高定 位精度和可靠性。
地形图匹配
将GPS与地形图匹配技术进行融合，可以利用地形信息对GPS定 位结果进行修正，提高定位精度。
无线通信技术
角度计算
通过测量多个卫星信号的 相位角，可以计算出接收 机相对于卫星的方位角和 姿态角。
授时原理
时间同步
01
GPS卫星上装有原子钟，可以提供高精度的时间同步信号。
同步误差
02
由于卫星和接收机之间的时间同步存在误差，需要进行修正。
时间计算
03
通过接收机接收到卫星信号，使用修正算法对时间同步误差进
行修正，得到高精度的时间信息。
包括主控站、监控站和注入站，负责跟踪卫星 、计算轨道和提供时间同步信息。
3
用户设备
GPS接收机，用于接收卫星信号并计算位置、 速度等信息。
GPS系统的特点
全球覆盖
GPS系统可实现全球范围内的定位 和导航。
高精度定位
利用差分技术，GPS系统可提供米 级甚至厘米级的定位精度。
实时性
GPS系统能够实时提供位置、速度 和时间等信息。
接收机的硬件和软件故障、多路径效应等， 导致接收机获取的位置信息存在误差。
地球自转和极移的影响，导致接收机获取的 位置信息存在误差。
GPS误差的处理方法
双频接收
采用双频接收技术，提高接收机的 测量精度。
差分技术
利用多个接收机同时观测同一组卫 星，通过差分算法消除公共误差， 提高测量精度。
载波相位观测
多频观测
利用多个不同频率的GPS信号进行观测，可以消除电离层误差，提高定位精度。
GPS与其他传感器的融合
惯性传感器
将GPS与惯性传感器(陀螺仪和加速度计)进行融合，可以提高定 位精度和可靠性。
地形图匹配
将GPS与地形图匹配技术进行融合，可以利用地形信息对GPS定 位结果进行修正，提高定位精度。
无线通信技术
角度计算
通过测量多个卫星信号的 相位角，可以计算出接收 机相对于卫星的方位角和 姿态角。
授时原理
时间同步
01
GPS卫星上装有原子钟，可以提供高精度的时间同步信号。
同步误差
02
由于卫星和接收机之间的时间同步存在误差，需要进行修正。
时间计算
03
通过接收机接收到卫星信号，使用修正算法对时间同步误差进
行修正，得到高精度的时间信息。
GPS原理与应用绪论ppt课件
1.1.3 GPS全球定位系统的建立 1973年12月，美国国防部批准它的海陆空三
军联合研制新的卫星导航系统：NAVSTAR/GPS。 英文“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System”，其意为 “卫星测时测距导航/全球定位系统”，简称GPS 系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位 系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、 全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位 和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐 标、速度和时间。
本标准适用于已投入商业运行的火力 发电厂 纯凝式 汽轮发 电机组 和供热 汽轮发 电机组 的技术 经济指 标的统 计和评 价。燃 机机组 、余热 锅炉以 及联合 循环机 组可参 照本标 准执行 ，并增 补指标 。
本标准适用于已投入商业运行的火力 发电厂 纯凝式 汽轮发 电机组 和供热 汽轮发 电机组 的技术 经济指 标的统 计和评 价。燃 机机组 、余热 锅炉以 及联合 循环机 组可参 照本标 准执行 ，并增 补指标 。
缺点： • 受卫星可见条件和天气的影响 • 费时费力 • 定位精度低 • 不能测得点位的地心坐标 卫星三角测量被卫星多普勒定位取代： 卫星由
空间观测目标——动态已知点 （低级阶段） （高级阶段）
本标准适用于已投入商业运行的火力 发电厂 纯凝式 汽轮发 电机组 和供热 汽轮发 电机组 的技术 经济指 标的统 计和评 价。燃 机机组 、余热 锅炉以 及联合 循环机 组可参 照本标 准执行 ，并增 补指标 。
（5）手持GPS的应用 GPS设备：测量型和导航型 手持GPS多为导航使用，特点如下： • 体积小，重量轻，携带方便，耗电量小 • 导航画面清晰，功能键齐全 • 导航无须地面设备辅助，型式多样 应用领域： • 在军队领域的应用 • 在旅游及野外考察中的应用
军联合研制新的卫星导航系统：NAVSTAR/GPS。 英文“Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System”，其意为 “卫星测时测距导航/全球定位系统”，简称GPS 系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位 系统，具有全能性（陆地、海洋、航空和航天）、 全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位 和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐 标、速度和时间。
本标准适用于已投入商业运行的火力 发电厂 纯凝式 汽轮发 电机组 和供热 汽轮发 电机组 的技术 经济指 标的统 计和评 价。燃 机机组 、余热 锅炉以 及联合 循环机 组可参 照本标 准执行 ，并增 补指标 。
本标准适用于已投入商业运行的火力 发电厂 纯凝式 汽轮发 电机组 和供热 汽轮发 电机组 的技术 经济指 标的统 计和评 价。燃 机机组 、余热 锅炉以 及联合 循环机 组可参 照本标 准执行 ，并增 补指标 。
缺点： • 受卫星可见条件和天气的影响 • 费时费力 • 定位精度低 • 不能测得点位的地心坐标 卫星三角测量被卫星多普勒定位取代： 卫星由
空间观测目标——动态已知点 （低级阶段） （高级阶段）
本标准适用于已投入商业运行的火力 发电厂 纯凝式 汽轮发 电机组 和供热 汽轮发 电机组 的技术 经济指 标的统 计和评 价。燃 机机组 、余热 锅炉以 及联合 循环机 组可参 照本标 准执行 ，并增 补指标 。
（5）手持GPS的应用 GPS设备：测量型和导航型 手持GPS多为导航使用，特点如下： • 体积小，重量轻，携带方便，耗电量小 • 导航画面清晰，功能键齐全 • 导航无须地面设备辅助，型式多样 应用领域： • 在军队领域的应用 • 在旅游及野外考察中的应用
GPS测量原理及应用-PPT课件
– C/A码：码速1.023MHz, TP=1ms, LP=1023, 码元长度 293.052m
– P码： » 码速10.23MHz, TP=266天9小时45分55.5秒, LP=235469592765000, 码元长度29.3052m。 » 实际被截为7天一个周期，共38段，每一段赋予不 同的卫星，卫星的PRN号也由此得到。
电源
二、结构（续）
• 天线（含前置放大器） • 信号处理器 • 微处理器 • 显示、控制及存储设备 • 振荡器 • 电源
三、接收机的类型
根据工作原理： 码相关型 平方型 码相位型 混合型
根据测定测距码的 类型： C/A码 P（Y）码
根据信号通道类型： 多通道 序贯通道 多路复用通道
根据接收信号的频 率：
() 1 L1Pj0， j为 当 0除 和 iT， P 序 i为 列 整 的 T数 是 P L 周 ， 的 P序 期 整 列 的 数 的 长 倍 周 度 外
1. 测距码（续）
• 伪随机噪声码（续）
– 伪随机噪声码
• 可复制性 • 生成方式 • GPS的测距码
– 当前星座：26颗
一、GPS的空间部分（续）
GPS卫星星座（=35 ，=90）
一、GPS的空间部分（续）
• 作用
– 发送导航定位信息 – 其他特殊用途（如通讯、检测核暴等）
二、GPS的控制部分
• 组成：主控站、注入站和监测站。 • 主控站
– 作用：
• 收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星 状态
• GPS卫星的类型：
– Block Ⅰ（实验卫星） – Block Ⅱ（正式工作卫星） – Block ⅡA（正式工作卫星） – Block ⅡR（正式工作卫星） – Block ⅡF（正式工作卫星）
– P码： » 码速10.23MHz, TP=266天9小时45分55.5秒, LP=235469592765000, 码元长度29.3052m。 » 实际被截为7天一个周期，共38段，每一段赋予不 同的卫星，卫星的PRN号也由此得到。
电源
二、结构（续）
• 天线（含前置放大器） • 信号处理器 • 微处理器 • 显示、控制及存储设备 • 振荡器 • 电源
三、接收机的类型
根据工作原理： 码相关型 平方型 码相位型 混合型
根据测定测距码的 类型： C/A码 P（Y）码
根据信号通道类型： 多通道 序贯通道 多路复用通道
根据接收信号的频 率：
() 1 L1Pj0， j为 当 0除 和 iT， P 序 i为 列 整 的 T数 是 P L 周 ， 的 P序 期 整 列 的 数 的 长 倍 周 度 外
1. 测距码（续）
• 伪随机噪声码（续）
– 伪随机噪声码
• 可复制性 • 生成方式 • GPS的测距码
– 当前星座：26颗
一、GPS的空间部分（续）
GPS卫星星座（=35 ，=90）
一、GPS的空间部分（续）
• 作用
– 发送导航定位信息 – 其他特殊用途（如通讯、检测核暴等）
二、GPS的控制部分
• 组成：主控站、注入站和监测站。 • 主控站
– 作用：
• 收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星 状态
• GPS卫星的类型：
– Block Ⅰ（实验卫星） – Block Ⅱ（正式工作卫星） – Block ⅡA（正式工作卫星） – Block ⅡR（正式工作卫星） – Block ⅡF（正式工作卫星）
《GPS测量原理》课件
伪距测量
伪距定义
伪距是指卫星信号传播到接收机所经历的时间与卫星发射信号的时间之差，由于卫星钟和 接收机钟的误差，这个时间差并不等于卫星到接收机的真实距离，因此称为伪距。
伪距测量原理
伪距测量是通过测量卫星信号的传播时间，然后根据已知的卫星轨道参数和信号传播速度 计算出卫星到接收机的距离。由于卫星轨道参数和信号传播速度都是已知的，因此可以通 过多颗卫星的信号来解算出接收机的位置。
02
GPS通过接收来自至少四个卫星 的信号，并利用这些信号来计算 接收机的三维位置和时间。
GPS发展历程
1958年
美国海军开始研发卫星导航系统，这是GPS的 前身。
1964年
子午卫星系统（Transit）投入使用，这是第一 个实际运行的卫星导航系统。
1973年
GPS计划开始实施。
GPS系统组成
1 2
VS
载波相位测量误差
载波相位测量误差主要包括整周跳变误差 、多路径效应误差和卫星钟差误差等。为 了减小这些误差，需要进行相应的修正和 补偿，例如采用整周模糊度解算算法、抗 多路径效应技术等。
差分定位
差分定位原理
差分定位是利用两台或多台接收机同 时接收卫星信号，通过比较各台接收 机所得到的观测量之差来计算出每台 接收机的位置。由于卫星信号传播过 程中存在的误差对各台接收机是相同 的，因此通过差分算法可以消除这些 公共误差，提高定位精度。
《GPS测量原理》PPT课件
$number {01}
目录
• GPS概述 • GPS测量原理 • GPS测量误差来源 • GPS测量应用 • GPS测量技术的发展趋势
01
GPS概述
GPS定义
01
全球定位系统（GPS）是一种基 于空间的无线电导航系统，它利 用一系列卫星来提供全球范围内 的位置、速度和时间信息。
GPS原理与应用课件
静态定位、动态定位
绝对定位、相对定位 测距码定位、载波相位定位 一、测距码伪距单点定位
1 原理：由卫星发射的测距码到观测站的传播时间（时间延迟）乘以
光速所得到的量测距离。
ρ= c.Δt
2 瞬时绝对定位精度 3 精度因子 DOP：PDOP、VDOP、HDOP、TDOP、GDOP
二、载波相位测量
1 瞬时载波相位差
2 初始历元整周模糊度
3 瞬时载波相位定位
三、GPS相对定位
1 GPS静态相对定位 2 GPS准动态相对定位 3 GPS动态相对定位
四、差分观测值
1 一次差分观测值SD：
（1）星际一次差分观测值 （2）历元间一次差分观测值 （3）站际一次差分观测值
2 二次差分观测值DD：
（1）站际、星际二次差分观测值 （2）星际、历元间二次差分观测值
2 原子时（AT）
3 协调世界时（UTC） 4 力学时（TD） 5 GPS时间（GPST）
三、卫星运动
卫星运动状态：受地球、太阳、月球对卫星的引力， 太阳光压、地球潮汐力等影响。 卫星受到的作用力： 1 地球质心引力（中心力）------无摄运动、无摄轨道 2 摄动力（非中心力）------有摄运动、有摄轨道
一、伪随机码（PRNC）
1 C/A码：粗码 2 P码：精码 3 GPS卫星信号构成
测距码 GPS卫星信号
P码（Y码） C/A码 伪随机码
数据码(导航电文，D码） 载波
L1载波
L2载波
L波段
二、导航电文（D码）
1 导航电文：组成、格式
2 导航电文内容
（1）遥测码（TLM） （2）转换码（HOW）
（3）第一数据块（DATA1）
Chapter 1 绪 论
绝对定位、相对定位 测距码定位、载波相位定位 一、测距码伪距单点定位
1 原理：由卫星发射的测距码到观测站的传播时间（时间延迟）乘以
光速所得到的量测距离。
ρ= c.Δt
2 瞬时绝对定位精度 3 精度因子 DOP：PDOP、VDOP、HDOP、TDOP、GDOP
二、载波相位测量
1 瞬时载波相位差
2 初始历元整周模糊度
3 瞬时载波相位定位
三、GPS相对定位
1 GPS静态相对定位 2 GPS准动态相对定位 3 GPS动态相对定位
四、差分观测值
1 一次差分观测值SD：
（1）星际一次差分观测值 （2）历元间一次差分观测值 （3）站际一次差分观测值
2 二次差分观测值DD：
（1）站际、星际二次差分观测值 （2）星际、历元间二次差分观测值
2 原子时（AT）
3 协调世界时（UTC） 4 力学时（TD） 5 GPS时间（GPST）
三、卫星运动
卫星运动状态：受地球、太阳、月球对卫星的引力， 太阳光压、地球潮汐力等影响。 卫星受到的作用力： 1 地球质心引力（中心力）------无摄运动、无摄轨道 2 摄动力（非中心力）------有摄运动、有摄轨道
一、伪随机码（PRNC）
1 C/A码：粗码 2 P码：精码 3 GPS卫星信号构成
测距码 GPS卫星信号
P码（Y码） C/A码 伪随机码
数据码(导航电文，D码） 载波
L1载波
L2载波
L波段
二、导航电文（D码）
1 导航电文：组成、格式
2 导航电文内容
（1）遥测码（TLM） （2）转换码（HOW）
（3）第一数据块（DATA1）
Chapter 1 绪 论
GPS原理及应用PPT课件
• 该系统由5个监测站、1个主控站和3个注入站组成，设在美 国本土的科罗拉多和三大洋的美国军事基地中。
Colorado springs
55
Hawaii
Ascencion
Diego Garcia
kwajalein
一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion)、迭哥•伽西亚(Diego Garcia)和卡瓦
• GPS静态定位方法主要用于建立各级测量控制网，其优点 如下：
• 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
• 可全天候作业
• 观测处理自动化
• GPS测量工作包括控制网设计、选点埋石、野外观测和内业处 理等。
第二十九页，共40页。
一. 构建GPS控制网（网形设计、选点埋石）
2.网形设计
• 根据不同的用途，GPS网的基本形式有点连式、边连式、网 连式和边点混合连接四种（见教材P204～205）。除点连式 外，其它形式的GPS网形应用都较多。
• GPS网的设计原则
• 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。
第四页，共40页。
• GPS卫星的主要功能
• 连续不断地向地球发送 导航定位的GPS信号， 以导航电文的形式向用 户提供卫星星历表（其 中包含卫星现时的位置 及其它卫星的概略位 置）、时钟校正参数、 传播延迟参数及其它信 息。
（最主要的信息是“时间” 和“位置”）
第五页，共40页。
2.地面监控系统
相对定位?相对定位是通过测量卫星发送的电波到达两台接收机的时间差来完成的用两台同类型的接收机同步跟踪相同的4颗卫星信号对两台接收机接收到的电波信号作合成处理即可求出接收机之间的相对位置三维坐标差或基线向量只要给出了一个站点的坐标便能求得另一点的坐标
Colorado springs
55
Hawaii
Ascencion
Diego Garcia
kwajalein
一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion)、迭哥•伽西亚(Diego Garcia)和卡瓦
• GPS静态定位方法主要用于建立各级测量控制网，其优点 如下：
• 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
• 可全天候作业
• 观测处理自动化
• GPS测量工作包括控制网设计、选点埋石、野外观测和内业处 理等。
第二十九页，共40页。
一. 构建GPS控制网（网形设计、选点埋石）
2.网形设计
• 根据不同的用途，GPS网的基本形式有点连式、边连式、网 连式和边点混合连接四种（见教材P204～205）。除点连式 外，其它形式的GPS网形应用都较多。
• GPS网的设计原则
• 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。
第四页，共40页。
• GPS卫星的主要功能
• 连续不断地向地球发送 导航定位的GPS信号， 以导航电文的形式向用 户提供卫星星历表（其 中包含卫星现时的位置 及其它卫星的概略位 置）、时钟校正参数、 传播延迟参数及其它信 息。
（最主要的信息是“时间” 和“位置”）
第五页，共40页。
2.地面监控系统
相对定位?相对定位是通过测量卫星发送的电波到达两台接收机的时间差来完成的用两台同类型的接收机同步跟踪相同的4颗卫星信号对两台接收机接收到的电波信号作合成处理即可求出接收机之间的相对位置三维坐标差或基线向量只要给出了一个站点的坐标便能求得另一点的坐标
第一部分GPS原理及应用概论教学课件
子午卫星导航系统的局限性
(1) 卫星少，不能实时定位 。子午卫星导线 系统一般采用6颗卫星。两次卫星通过的时间间 隔约为0.8~1.6小时。
(2) 轨道低，难以精密定轨。子午卫星飞行 高度平均为1070KM，运动速度快，定轨精度低。
(3) 频率低，难以补偿电离层效应的影响。 子午卫星的射电频率分别为400MHz和150MHz。难 以削弱电离层效应的高阶项影响 。
第一章 GPS原理及应用概论
(2) 卫星激光测距(SCR) (Satellite Laser Ranging)
在ABC三个已知点上同时测定至卫星S1的三个距离，可以计算 出S1的空间坐标；同理可测定S2、S3的坐标。 在未知 点D上和ABC三点同步观测卫星S1、S2、S3的距离值，同样 可以计算出D点的坐标。 测距及相对定位精度可达厘米级。 仪器构成：激光发射、接收望远镜，卫星跟踪望远镜， 光电转换器件，计数器，驱动机构，控制部分等。 测程： 50M~8000KM 测距精度：厘米级
✓ 最后注入站将主控站的导航电文注入到卫星的存储 器中。
（2） GPS卫星
GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所 选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到 的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫 星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发出的导航电 文，实时的计算出测站的三维坐标位置，甚至三维速度和时间。
●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 1~2×10-6，而在100km~500km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。
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PPS的主要用户对象是美国军事部门 和其他经美国特许的用户。P码是不公开的 保密码，未经美国政府特许的用户是难以 利用的。其单点定位精度约为5m~10m。
标准定位服务（SPS）仅提供L1载波上 的C/A码和导航电文，其主要服务对象是非 经美国政府特许的广大用户。其单点定位 精度约为20m～40m。
三、GLONASS系统简介
前苏联1982年10月12日开始到1996年 建成，1995年初有16颗卫星，1996年1月 18日整个系统正常运行。
GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组 成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上， 每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里， 运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。 由于GLONASS的卫星轨道倾角大于GPS卫星 的轨道倾角，所以在高纬度地区（50度以 上）可视性更好。
四、非特许GPS用户对美国限制性政策的措施
主要措施： 1、建立独立的GPS卫星测轨系统 2、建立独立的卫星定位系统（如 GLONASS全球导航卫星系统 、北斗导航定 位系统 、GARLILEO 系统 等） 3、开发GPS与GLONASS兼容接收机 4、研究开发差分GPS定位技术
GPS系统构成图
综合练习
1958年底，美国海军武器实验室，着手建 立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即 “海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System-NNSS），1964年建成，并在 美国军方启用。
1967年美国政府批准该系统解密，提 供民用。
1973年美国国防部开始组织海陆空三 军，共同研究建立新一代卫星导航系统的 计划，这就是目前所称的“授时与测距导 航系统/全球定位系统”（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System—NAVSTAR/GPS）， 通常简称为“全球定位系统（GPS）”。
“伽利略”卫星定位系统将由30颗轨道卫星 组成，卫星的轨道高度为2.4万公里，倾角 为56度，分布在3个轨道面上，每个轨道面 部署9颗工作星和1颗在轨备份星。“伽利略” 将为用户提供误差不超过1米、时间精确的 定位服务。
中国是第一个参与“伽利略”计划的非 欧盟国家，承诺提供2亿欧元的研发经费。
在中国国家遥感中心和欧洲伽利略联 合执行体的共同努力下，中欧已经成功启 动了“伽利略”计划合作11个项目的技术 谈判，项目涵盖“伽利略”系统的空间段、 地面段和应用段等各领域。已经签署合作 协议的7个项目合同总金额超过3000万欧元。 这些项目包括：渔业应用项目、基于位置 服务的标准研究、电离层研究、上行站前 端、搜救转发器、激光后向反射器、中国 伽利略测试认证环境等。
北斗卫星导航系统与ＧＰＳ和ＧＬＯＮＡＳＳ系 统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在 位置，还可以告诉别人自己的位置在什么地方，特别 适用于需要导航与移动数据通信场所，如交通运输、 调度指挥、搜索营救、地理信息实时查询等。
中国具有自主知识产权的卫星定位系统—北斗导 航系统又有阶段性突破。上海复控华龙微系统技术有 限公司最近推出了首颗北斗导航芯片—“领航一号”， 主要用于双向接收卫星导航信号。
南方灵锐S82RTK接收机
手持GPS
同学们正在实习
§1-3 GPS技术特点及对GPS 用户限制性政策
一、GPS相对于其它导航系统的特点 GPS同其它导航系统相比，其主要特点如下： 1、全球地面连续覆盖。 2、功能多，精度高。 3、实时定位。 4、应用广泛。
二、GPS定位技术相对于经典测量的特点
卫 星 星 座
（二）、GPS卫星及其功能
GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为 1.5m，重约774kg(包括310kg燃料)两侧设 有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以 保证卫星正常工作用电。每颗卫星装有4台 高精度原子钟(2台铷钟和2台铯钟)，这是 卫星的核心设备。它将发射标准频率信号， 为GPS定位提供高精度的时间标准。
2、实施选择可用性（SA）政策
为了进一步降低标准定位服务（SPS）的 定位精度，对GPS工作卫星发射的信号，实 行了SA政策，以进行人为干扰，其干扰是通 过所谓的ε和δ技术实现的。前者是干扰卫 星星历数据，通过降低GPS卫星播发的轨道 参数的精度来降低利用C/A码进行单点定位 的精度。后者是对GPS基准信号人为的引入 一个高频抖动信号，降低C/A码伪距观测两 的精度。
二、GPS全球定位系统的建立
GPS系统构成：总共有24颗卫星，其中3 颗备用卫星，卫星轨道个数6个，卫星高度为 20200公里，轨道倾角为55°，卫星运行周期为 11小时58分，载波频率为1575.42MHZ和 1227.60MHZ，在地球表面上，高度角15°以上， 平均可同时观测到6颗卫星，最多可观测到9颗 卫星，不受高度角限制时，最少能观测到4颗卫 星，最多11颗卫星。
3、精密测距码加密（A-S）措施
P码的加密措施也叫“反电子欺骗”（AS）措施。当P码已被解密，或在战时，对方 如果知道了特许用户接收机所接收卫星信号 的频率和相位，便可以发射适当频率的干扰 信号，诱使特许用户的接收机错锁信号，产 生错误的导航信息。为了防止这种电子欺骗， 进一步加密P码，美国将在必要时引入机密 码W，并通过P码与W码相加，构成Y码。对于 一般用户是无法解释Y码来实现精密定位的。
1、观测站之间无需通视。 2、定位精度高。 3、观测时间短。 4、提供三维坐标。 5、操作简便。 6、全天候作业。
三、美国政府对GPS用户的限制性政策
由于GPS定位技术与美国的国防现代化 发展密切相关，为了保障美国的利益与安 全，美国政府采取了限制非经美国特许的 用户利用GPS定位的精度措施。该系统除了 在设计方面采取了许多保密性措施外，在 系统运行中还采取了可能采取的措施，来 限制用户获取GPS观测量的精度，其措施主 要有三种。
1、对不同的GPS用户提供不同的服务方式
GPS卫星发射的无线电信号，含有两种 精度不同的测距码，即所谓的P码（也称精 测码）和C/A码（也称粗测码）。相应两种 测距码GPS提供两种定位服务方式，即精密 定位服务和标准定位服务。
精密定位服务（PPS）可提供L1和L2 载波上的P码，L1载波上的C/A码，导航电 文和消除SA影响的密匙。
专 业：测绘工程 总 学 时：56学时 考核方式：考试 主讲教师：周文国
课程简介
• 学时：56 其中实践课：12学时 • 课程性质：必修考试 总学分：3.5 • 主要学习内容： • 重点： • 难点： • 考试：笔试70%+实验20%+平时成绩10% • 教材：《GPS测量原理及应用》，武汉大学出
五、北斗导航系统简介
我国开始建设拥有自主知识产权的全球卫 星导航系统――北斗卫星导航系统，这也是我 国自主建立的第一代卫星导航定位系统。
正在建设的北斗卫星导航系统空间段由５ 颗静止轨道卫星和３０颗非静止轨道卫星组成， 提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。 开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授 时服务，定位精度为１０米，授时精度为５０ 纳秒，测速精度为０．２米／秒。授权服务是 向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和 通信服务信息。
GPS卫星
GPS卫星的基本功能（作用）是接收和 储存由地面监控站发来的导航信息，接收并 执行监控站的控制指令；卫星上设有微处理 机，进行部分必要的数据处理工作；通过星 载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准； 向用户发送定位信息；在地面监控站的指令 下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用 卫星。
§1-2 GPS系统的组成
GPS全球定位系统主要由三大组成部分， 即空间星座部分、地面监控部分和用户设备 部分。
一、GPS卫星星座部分
（一）、GPS卫星星座的构成 全球定位系统的空间卫星星座，由24
颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星 分布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有4 颗卫星。
卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为 55°，各轨道平面升交点的赤经相差60°， 在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30°。 轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期 为11小时58分。因此，同一观测站上，每天 出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约 4分钟。每颗卫星每天约有5个小时在地平线 以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随 时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11 颗。
四、伽利略系统简介
GARLILEO系统计划是欧洲委员会于 1999年2月公布筹建的全球定位导航服务系 统，GALILEO系统设计为支持各种领域广 泛应用，包括实时导航、位置基准、安全与 应急跟踪、体育、休闲服务和支持政府公共 事业的需要。GALILEO系统在技术结构上 将以30颗MEO轨道卫星为核心星座，其空 间信号等效于GPS卫星上的信号，具有在L 频段和GPS兼容的多频体制。在经济上除一 般的免费入网用户外，加设有控收费入网的 高完善性安全导航用户及其他增值收费服务。
版社，徐绍铨、张华海等编著（第三版）
• 参考资料：《全球导航卫星系统原理与应用》 ，测绘出版社，党亚民等编著。
第一章 绪 论
§1-1 GPS发展过程
一、卫星定位技术的发展过程
1957年10月，世界第一颗人造地球卫星的 发射成功，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，迅速跨入一 个崭新的时代。
1、若不受卫星高度角限制，在进行GPS观测时，最多
可观测到的卫星和最少可观测到的卫星分别为源自（ ）。A、9颗、4颗
B、11颗、4颗
C、11颗、1颗
D、9颗、1颗
2、美国政府对GPS用户采取了哪些限制性政策？这些
非特许用户针对美国的加密政策采取了哪些对策？
3、GPS卫星定位系统由三大部分组成，即
部
分、
部分和
二、地面监控部分
GPS地面监控部分，目前主要由分布在全球的5个 地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息 注入站。 （一）监测站