测绘学院 测绘工程 2006级
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GPS原理及其应用(一)
刘万科 2008年11月
武汉大学
测绘学院
卫星应用工程研究所
GPS原理及其应用
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个人简介
办公室：测绘学院3楼309室 电话： 68778559-8801(office) 135******** Email： wkliu@https://www.doczj.com/doc/0e5374911.html, @ gg
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GPS原理及其应用
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理论课时：36节 课间实习： 9 节 所用教材：李征航，黄劲松编著 所用教材：李征航 黄劲松编著 ，《GPS测量与数据处理》，武汉 大学出版社，2007 课程网站： https://www.doczj.com/doc/0e5374911.html,/jpkcsite/gps /gpscourse/ 答疑时间：周四上午9:00~11:00， 答疑时间 周四上午9:00 11:00 4-309 考核形式：考试+作业+课堂
GPS原理及其应用 参考教材：
B.Hofmann-Wellenhof, H.Lichtenegger, and J.Collins， 《GPS: Theory and Practice》（5th, Revised Edition） ，Springer-Verlag ，2001 刘基余.《GPS卫星导航原理与方法》，科学出版社，2003 徐绍铨，张华海等编著.《GPS测量原理及应用》，武汉大学 出版社，1998 魏二虎，黄劲松编著.《 GPS测量操作与数据处理 》，武汉 大学出版社，2004 周忠谟，易杰军，周琪.《GPS卫星测量原理与应用》，测绘 出版社，2004
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GPS原理及其应用
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本课程讲授内容
第1章 绪论 第2章 全球定位系统的组成及信号结构 第3章 GPS定位中的误差源 第4章 距离测量与GPS定位
GPS原理及其应用
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第 章 第一章 绪 论
§1.1 §1.2 §1.3 §1.4 全球定位系统的产生、发展及前景 美国政府的GPS政策 其它卫星导航定位系统 GPS在各个领域中的应用
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GPS原理及其应用
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§1.1 全球定位系统的产生、发展及前景
GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 什么是全球定位系统
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什么是GPS？
GPS的英文全称是 Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。 其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球 定位系统。
什么是GNSS？
GNSS的英文全称Global Navigation Satellite System， GNSS的中文译名应为全球导航卫星系统，它是所有在轨工 作的卫星导航定位系统的总称。
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GPS原理及其应用
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS概述①
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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(FOC)
– 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
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GPS概述②
? 系统构成
– 空间部分 地面控制部分 用户部分 空间部分、地面控制部分、用户部分
? 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
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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
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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
? ? ? ? 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
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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 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
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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
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子午卫星系统及其局限性
? 系统简介
– 美国海军研制、开发、建立的第一 代卫星导航系统 – 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） – 利用多普勒效应进行导航定位，也 被称为多普勒定位系统
子午卫星
子午卫星星座
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
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1958年12月，开始 了相关的研究工作 了相关的研究工作。 1964年01月，卫星 子午系统正式建成并 投入军用。 1967年07月，该系 统解密，军民两用， 用户数激增，最终达 95000个用户。其中 95000个用户 其中 军方用户只有650家 ，不足总数的1% 。
Oscar
Nova
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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
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? 系统组成
– 空间部分
? 卫星：发送导航定位信号（信号： 4.9996MHz × 30 = 149.988MHz； 4.9996MHz × 80 = 399.968MHz；星历）
大地测量多普勒接收机 - 1 （MX1502）
– 地面控制部分
? 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 户
? 多普勒接收机
大地测量多普勒接收机 - 2 （CMA751）
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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
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Transit卫星及星座参数：
卫 星 数 轨 道 数 轨道夹角 轨道倾角 卫星高度 运行周期 载波频率 ： ： ： ： ： ： ： 6 颗 6 个 30° 90° 1075 km 107 min 400、150 MHz
Transit Constellation
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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
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导航定位原理:
⑴ 多普勒效应
设子午卫星的信号发射频率为 f s ，若子午卫星与接收机间的 距离变化率为 dD 。则接收机所接收的卫星信号频率 f R 为：
dt
f
R
= (1 ?
1 dD ) f s c dt
（1-1）
D 为卫星与接收机间的距离；c 为真空中的光速。
这种由于距离变化而致使信号接收频率与 信号发射频率不相等的现象称为多普勒效应。
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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
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⑵ 多普勒计数N
若接收机产生一个频率为 f0 的本振信号并与接收到的 频率为fR 的卫星信号混频，然后将差频信号在时间段 [t1,t2]间进行积分即可获得多普勒计数N 。 t 多普勒计数N 与距离差（D2-D1 )间有下列关系：
N = ∫ ( f 0 ? f R )dt = ∫ ( f 0 ? f s )dt + ∫ ( f s ? f R )dt
t1 t1 t1
t2
t2
t2
= ( f 0 ? f s )(t 2 ? t1 ) + ∫
t2
t1
f s dD f ?dt = ( f 0 ? f s )(t 2 ? t1 ) + s ( D2 ? D1 ) c dt c
发射信号的波长
( D2 ? D1 ) = λs [ N ? ( f 0 ? f s )(t2 ? t1 )]
积分间隔一般可取4.6s，30s或2min，可由作业人员自行选择。
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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
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⑶ 多普勒定位
t1、t2 时刻卫星在空间 的位置S1 、S2 可据卫星 星历求得，那么我们就 能以S1 和S2为焦点作出 一个旋转双曲面，该双 曲面上任意一点至这两 个焦点的距离之差恒等 于 D2-D1。显然用户必定 位于该旋转双曲面上。
多普勒定位示意图1
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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
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如果我们继续在时 间段[t2,t3] 内进 行多普勒测量，求 得距离差 D3-D2,， 就能按照上述方法 作出第二个旋转双 曲面。
多普勒定位示意图2
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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
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如上,在时间段 [t3,t4] 内进行 多普勒测量，求 得距离差 D4-D3, 则作出第三个旋 转双曲面,从而交 出用户在空间的 位置。
多普勒定位示意图3
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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
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多普勒定位示意图4
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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
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子午卫星系统的局限性
1．导航方面 1 导航方面 ⑴ 一次定位所需时间过长
这一缺点是由多普勒定位方法本身所决定的。
P15 4 6 的 积 分 间隔 .
两个 焦点 之间 的距 离不 能过 近， 也就 是积 分间 隔不 能过 短。
轨道误差在不同积分间隔下对定位的影响
s 2 min 的 积 分 间 隔
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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。
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
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所以利用子午卫星多普勒观测进行导航时 通常需观测一次完整的卫星通过（一般为8~18 分钟）。
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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
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在多普勒定位中，旋转双曲面的焦点S1、S2、S3…是由同一卫星在 运行过程中逐步形成的。与多普勒定位不同的是，利用GPS进行距离交 会时，由于＂空间已知点＂是由同一瞬间位于视场中的不同卫星来提 供的，故利用 个历元的观测值就能获得很好的几何图形强度。 供的，故利用一个历元的观测值就能获得很好的几何图形强度。
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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
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一次导航定位所需的时间过长将引起一系列的问 题，例如： 题 例如
无法为飞机、导弹、卫星等高动态用户服务， 也无法满足汽车等运行轨迹较为复杂的地面 车辆导航定位的需要。
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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
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即使是对船舶等低动态用户来说，由于在一次导航定 位过程中载体仍处于运动状态中，故各观测值所对应 的用户位置是不相同的，其变化量一般可达5~10km。 解算时需根据船速等信息将这些观测值归算至同一参 考时刻。由于一次导航定位所需的时间过长，船速等 参数的误差将影响定位精度。
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
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为尽量减少一次导航定位所需的时间，只能采用低轨卫 星。 这是因为：（a）当卫星运动速度相同时，从地面上所 看到的低轨卫星的方向变化较高轨卫星快。（b）低轨卫 星运动的线速度比高轨卫星快，如果把子午卫星发射至离 地面20000km的GPS卫星轨道上的话，那么为了获得同样的 几何图形，观测时间就必须增加6~7倍，也就是说，一次 导航定位的时间需1 2h，这样长的观测时间显然是用户难 导航定位的时间需1~2h 这样长的观测时间显然是用户难 以接受的。所以，采用多普勒测量方法来导航定位的卫星 通常都是低轨卫星。
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GPS原理及其应用 P22
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 与 中 轨 卫 星 的 运 动示 意 图
在大约18分钟的时间内，子午卫星相对于地面用户形成了约180 °的张角，而MEO卫星与用户之间的夹角却很小 °
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
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⑵ 不是一个连续的、独立的卫星导航系统 接收技术的缺陷，使得卫星星座中所含的卫 星数目不能太多 中纬度地区两次卫星通过的平均间隔1.5h;个 别情况下有可能等待8~ 10h
因此，不可能提供连续的导航定位，也就 无法成为一个独立的导航定位系统。
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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
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(3)此外利用 次卫星通过进行导航定位时，由于 (3)此外利用一次卫星通过进行导航定位时，由于 各焦点均位于同一轨道面上，因此所确定的用户 位置在垂直于轨道平面方向上的误差会很大。
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
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2．测量方面 （1）所需时间长，作业效率偏低 （1）所需时间长 作业效率偏低 真正的观测时间不足20%，做业效率低下。为 了获得具有大地测量意义的成果，一般需观测50~ 100次合格的卫星通过，历时1个星期左右。
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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
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(2)定位精度偏低 一般只能获得分米至米级的定位精度。 主要原因有： ①卫星钟和接收机钟的频率都不稳定，而在一次卫星通过 中我们通常只引入一个频漂参数来表示这两台钟之间实 际的频率差相对于其理论值的偏差是不够的。研究结果 表明 当 星钟的稳定度为 表明，当卫星钟的稳定度为5×10-12 时，在一次卫星 时 在 次 星 通过时只引入一个参数（而不是在每个积分间隔）会导 致0.8~1.0m的定位误差。
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
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②由于子午卫星所用的频率较低，而电离层延迟改正模型 中 般只顾及 项，在中等的太阳活动年份中，在地磁 中一般只顾及f 2项 在中等的太阳活动年份中 在地磁 赤道附近被略去的高阶项的影响将大于1.0m。
③由于子午卫星所用的轨道较低，地球重力场模型和大气 阻力摄动的误差对定位的影响将达1~2 2m。观测50~100次 观测50 卫星通过后才能消弱至分米级水平。
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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
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小结：
从导航的角度看，子午卫星系统存在下列问题： 1. 1 一次导航定位所需时间过长 次导航定位所需时间过长； 2. 不是一个连续的导航系统，只能为惯导等系统提供 间断的修正，无法成为一个独立的导航系统。 从测量的角度看，子午卫星系统存在下列问题： 1．所需时间长，作业效率偏低； 2．定位精度低，限制了它的应用范围。
因而，子午卫星系统最终被全球定位系统所取代。
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
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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。 ? 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。
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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
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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， 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。
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
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GPS的发展简史——实用组网阶段 ? 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成 功。 ? 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用 于实战。 ? 1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座 已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。 已经建成 今后将根据计划更换失效的卫星 ? 1995年7月17日，GPS达到FOC – 完全运行 能力（Full Operational Capability）。
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