GPS课件
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DEM RS DOM 网络 DRG GIS DLG
GPS
国 家 空 间 数 据 基 础 设 施 N S D I
GPS原理及应用
Theory and Application of GPS
杨
华
yh_crs@ Tel: 5452
主要内容
GPS卫星定位技术的发展及特点 GPS系统的组成 GPS卫星定位系统的信号 GPS卫星定位基本原理和方法 GPS测量误差分析 GPS测量数据处理 GPS应用
第一步: 用4年时间，现代化的内容有： 1、 在2002－2004年发射Glonass-M卫星。新型卫星设计寿命 为7-8年，将具有更好的讯号特性。 2、改进一些地面测控站设施； 3、民用频率将由1个增加到2个； 4、提高的定位精度：位置精度提高到10～15m，定时精度提 高到20～30ns，速度精度达到0.01m／s。
卫星多普勒测量
把卫星作为动态已知点 高级阶段
GNSS
系统发展
• 子午导航系统(NNSS) • 双星定位技术(BD1) • GPS导航定位系统 • GLONASS定位系统 • GALILEO定位系统 • BD2定位系统 • 日本和印度的区域卫星导航系统
}
GNSS
NNSS（Navy Navigation Satellite System）
美国海军导航卫星系统 子午（transit）卫星系统 美国海军和Johns Hopkins大学物理实验室 1958年12月 美国海军为北极星核潜艇精确导航和定位开始研制 1959年 发射第一颗试验性卫星 1960年4月 发射第一颗导航卫星 1963年 建成系统用于军事导航 1964年1月 建成并投入使用 1967年7月 解密民用 1996年末 终止运作
射电望远镜
VLBI优点
• 观测自然天体，不要耗资建人造卫星 • 用银河系外参考系建立地球统一坐标系 • 观测时间短，半小时，可达1cm精度 • 精度高 • 全球性 • 全天候
基于地面的无线电导航系统
OMEGA DECCA LORAN-C
卫星导航定位技术
初期的卫星定位技术
把卫星作为空间测量目标 初级阶段
NNSS卫星参数
卫星数目：5-6颗 距地高度：950KM－1200KM 一周时间：107min 速度： 7.3KM/s 覆盖面： 3000～3500KM 直径： 50cm 重量： 61kg 发射频率：400MHz
多普勒频移（Doppler Shift）
优点： 经济快速 精度均匀 不受天气和时间的限制等 缺点： 1. 卫星数目较少，不能同时多颗卫星观测 2. 运行高度较低，受地球重力场、大气阻力影响大 3. 定位时间长(1.5h) 4. 定位精度低 5. 时间间隔长，不能实时导航定位
中国研制成功的第一份拥有自主知识产权的北斗卫星导 航系统 发展战略—“三步走” 第一步-试验阶段 第二步-区域系统 第三步-全球系统
第一步——北斗卫星导航试验系统
北斗第一阶段
全天候、全天时区域导航系统（服务区域在东经70-145度， 北纬5-55度范围） 由两颗工作卫星（地球静止卫星）和一颗备份卫星组成。它可 以在任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬 度和海拔高度。与GPS相比优势在于具有短信息双向通讯功 能。
参考书及资料
GPS测量原理及应用 徐绍铨等 1998年 武测出版社 GPS卫星测量原理及应用 周忠谟等 1998年 测绘出版社 GPS卫星测量定位理论及应用 张守信等 1996年 国防科大 Global Positioning System: Theory and Practice B. Hofmann-Wellenhof etc. 1992 Springer-Verlag New York GPS测量与数据处理 李征航，黄劲松 2009 武大出版社 GPS仪操作手册
信号通道 存储器 微处理器 输入输出
电源
天线 信号通道
前置放大器 观测值
天线单元：由接收机天线和前置放大器两部分组成。主要功 能是将GPS卫星信号非常微弱的电磁波转化为电流 并对这种信号电流进行放大和变频处理。 主机单元：对经过放大和变频处理的信号电流进行跟踪、处理 和测量 由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成 电源：内电源 外接电源
系统特点
全天候、全球无缝覆盖 独立于美国，受欧洲控制的民用卫星导航定位系统 定位精度高于其它导航星座 导航定位服务多样性 具有地面与卫星通信能力，提供救援和搜索服务 系统开放性 系统管理民间性
日本的区域卫星导航系统-QZSS
2006 准天顶卫星系统 7颗卫星-3颗IGSEO卫星、1颗GEO、3颗HEO 地面控制系统-10个监测站、1个主控站 2010年9月11日 向导号
第二步: 计划要研制第三代GLONASS-K卫星，确保卫星工作寿命在 12年以上，进一步提高系统的精度和可靠性。 系统指标要达到： 定位误差5m 差分修正后达0.3~1.0m 速度确定误差1cm/s 时间误差10ns
北斗导航系统
开放 自主 兼容 渐进
1973年 美国国防部组织陆海空三军 NAVSTAR/GPS NAVigation System Timing And Ranging/ Global Positioning System 授时与测距导航系统/全球定位系统
GPS发展历程：实施计划共分三个阶段 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。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。 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984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。 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星 发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。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。
卫星三角测量
三角测量略图
空间三角测量示意图
卫星激光测距
甚长基线射电干涉测量
利用宇宙射电源进行定位测量 在银河系外有一些恒星状天体不断幅射电磁波称为类星 射电源（类星体）。由于其距离极远，自行极小，位置 的精度目前已优于0.01秒，还可更高。以此为参考的坐 标系是很稳定的，是迄今为止可以利用的最好的惯性参 考系。
经典的定位、定向方法及仪器
• 方位物关系定位、定向 • 观测太阳定位、定向 • 观测北极星定向 • 观测恒星定位、定向 • 利用罗盘定向 • 六分仪 • 经纬仪 • 全站仪
第一章 绪论
GPS卫星导航定位技术的发展 GPS系统的组成 GPS的应用
空间大地测量
• 卫星三角测量 Satellite Triangulation • 卫星激光测距（SLR） Satellite Laser Ranging • 甚长基线射电干涉测量（VLBI） Very Long Baseline Interferometry
1996年 宣布民用 2000年 SA（Selective Availability）政策的终止 保密性措施 SA政策 人为的降低卫星星历和GPS卫星钟的精度 应对措施：1. 建立独立的GPS卫星测轨系统 2. 建立独立的卫星导航与定位系统 前苏联的全球卫星导航系统（GLONASS） 欧空局 EGNOS Galileo GNSS 中国 北斗导航系统 3. 利用其他辅助手段提高精度
建设时间表
论证阶段（2000－2001），其任务是论证计划的必要性、 可行性以及落实具体的实施措施； 系统研制和在轨验证阶段（2001－2005），任务是研制 卫星及地面设施，系统在轨验证； 2005年12月28日第一颗试验卫星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GIOVE-A)成功进入2.3万Km的预定轨 道。2006年1月12日，开始向地面发送信号。 星座布设阶段（2006－2007），任务包括制造和发射卫 星，建成全部的地面设施； 运营阶段（从2008年开始） 2010年发射30颗服役期约为20年的正式卫星
讲义及作业ftp：
GPS卫星导航定位技术的需求和发展
定位、导航是人类生活的重要话题 国防建设 国民经济建设 科学研究 技术发展
需求特点
1. 2. 3. 4. 5. 从静态定位、导航到高动态定位导航――实时性要 求高 从二维到三维定位 从空中到地表、水面 全球、全天候定位、导航 各种精度要求：从米级→毫米级
用户终端分为
¾定位通信终端 ¾集团用户管理站终端 ¾差分终端 ¾校时终端等
车载型用户机
通讯型用户机
便携型用户机
船载型用户机
指挥型用户机
Galileo GNSS
1994年开始，欧盟对系统的方案论证。2000年，在世界无线电 大会上获得了L频段的频率资源。2002年3月，欧盟15国交通部 长一致同意系统的建设。 伽俐略系统由30颗卫星(27颗工作卫星和3颗备用卫星)组成。 30颗卫星部署在3个中高度圆轨道面上，轨道高度23616km， 倾角56度。计划2008年完成全系统部署并投入使用。设计卫星 寿命15年（采用铷钟和氢钟），纯民用系统，受欧盟和欧洲空 间局控制。具有公开服务，安全服务，商业服务，政府服务等 多功能。
三大部分： 空间星座 地面监控 用户设备
空间卫星星座
卫星构造 有效载荷
•卫星钟 •测温跟踪指令系统 •中央处理器 •电源系统 姿态测控系统 轨道调整系统 信号发射系统
地面监控部分（Ground Segment)
主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统
GPS卫 星
2000年10月31日 140E 2000年12月21日 80E 2003年5月25日 110.5E
有源定位体制
GPS
国 家 空 间 数 据 基 础 设 施 N S D I
GPS原理及应用
Theory and Application of GPS
杨
华
yh_crs@ Tel: 5452
主要内容
GPS卫星定位技术的发展及特点 GPS系统的组成 GPS卫星定位系统的信号 GPS卫星定位基本原理和方法 GPS测量误差分析 GPS测量数据处理 GPS应用
第一步: 用4年时间，现代化的内容有： 1、 在2002－2004年发射Glonass-M卫星。新型卫星设计寿命 为7-8年，将具有更好的讯号特性。 2、改进一些地面测控站设施； 3、民用频率将由1个增加到2个； 4、提高的定位精度：位置精度提高到10～15m，定时精度提 高到20～30ns，速度精度达到0.01m／s。
卫星多普勒测量
把卫星作为动态已知点 高级阶段
GNSS
系统发展
• 子午导航系统(NNSS) • 双星定位技术(BD1) • GPS导航定位系统 • GLONASS定位系统 • GALILEO定位系统 • BD2定位系统 • 日本和印度的区域卫星导航系统
}
GNSS
NNSS（Navy Navigation Satellite System）
美国海军导航卫星系统 子午（transit）卫星系统 美国海军和Johns Hopkins大学物理实验室 1958年12月 美国海军为北极星核潜艇精确导航和定位开始研制 1959年 发射第一颗试验性卫星 1960年4月 发射第一颗导航卫星 1963年 建成系统用于军事导航 1964年1月 建成并投入使用 1967年7月 解密民用 1996年末 终止运作
射电望远镜
VLBI优点
• 观测自然天体，不要耗资建人造卫星 • 用银河系外参考系建立地球统一坐标系 • 观测时间短，半小时，可达1cm精度 • 精度高 • 全球性 • 全天候
基于地面的无线电导航系统
OMEGA DECCA LORAN-C
卫星导航定位技术
初期的卫星定位技术
把卫星作为空间测量目标 初级阶段
NNSS卫星参数
卫星数目：5-6颗 距地高度：950KM－1200KM 一周时间：107min 速度： 7.3KM/s 覆盖面： 3000～3500KM 直径： 50cm 重量： 61kg 发射频率：400MHz
多普勒频移（Doppler Shift）
优点： 经济快速 精度均匀 不受天气和时间的限制等 缺点： 1. 卫星数目较少，不能同时多颗卫星观测 2. 运行高度较低，受地球重力场、大气阻力影响大 3. 定位时间长(1.5h) 4. 定位精度低 5. 时间间隔长，不能实时导航定位
中国研制成功的第一份拥有自主知识产权的北斗卫星导 航系统 发展战略—“三步走” 第一步-试验阶段 第二步-区域系统 第三步-全球系统
第一步——北斗卫星导航试验系统
北斗第一阶段
全天候、全天时区域导航系统（服务区域在东经70-145度， 北纬5-55度范围） 由两颗工作卫星（地球静止卫星）和一颗备份卫星组成。它可 以在任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬 度和海拔高度。与GPS相比优势在于具有短信息双向通讯功 能。
参考书及资料
GPS测量原理及应用 徐绍铨等 1998年 武测出版社 GPS卫星测量原理及应用 周忠谟等 1998年 测绘出版社 GPS卫星测量定位理论及应用 张守信等 1996年 国防科大 Global Positioning System: Theory and Practice B. Hofmann-Wellenhof etc. 1992 Springer-Verlag New York GPS测量与数据处理 李征航，黄劲松 2009 武大出版社 GPS仪操作手册
信号通道 存储器 微处理器 输入输出
电源
天线 信号通道
前置放大器 观测值
天线单元：由接收机天线和前置放大器两部分组成。主要功 能是将GPS卫星信号非常微弱的电磁波转化为电流 并对这种信号电流进行放大和变频处理。 主机单元：对经过放大和变频处理的信号电流进行跟踪、处理 和测量 由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成 电源：内电源 外接电源
系统特点
全天候、全球无缝覆盖 独立于美国，受欧洲控制的民用卫星导航定位系统 定位精度高于其它导航星座 导航定位服务多样性 具有地面与卫星通信能力，提供救援和搜索服务 系统开放性 系统管理民间性
日本的区域卫星导航系统-QZSS
2006 准天顶卫星系统 7颗卫星-3颗IGSEO卫星、1颗GEO、3颗HEO 地面控制系统-10个监测站、1个主控站 2010年9月11日 向导号
第二步: 计划要研制第三代GLONASS-K卫星，确保卫星工作寿命在 12年以上，进一步提高系统的精度和可靠性。 系统指标要达到： 定位误差5m 差分修正后达0.3~1.0m 速度确定误差1cm/s 时间误差10ns
北斗导航系统
开放 自主 兼容 渐进
1973年 美国国防部组织陆海空三军 NAVSTAR/GPS NAVigation System Timing And Ranging/ Global Positioning System 授时与测距导航系统/全球定位系统
GPS发展历程：实施计划共分三个阶段 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。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。 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984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。 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星 发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。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。
卫星三角测量
三角测量略图
空间三角测量示意图
卫星激光测距
甚长基线射电干涉测量
利用宇宙射电源进行定位测量 在银河系外有一些恒星状天体不断幅射电磁波称为类星 射电源（类星体）。由于其距离极远，自行极小，位置 的精度目前已优于0.01秒，还可更高。以此为参考的坐 标系是很稳定的，是迄今为止可以利用的最好的惯性参 考系。
经典的定位、定向方法及仪器
• 方位物关系定位、定向 • 观测太阳定位、定向 • 观测北极星定向 • 观测恒星定位、定向 • 利用罗盘定向 • 六分仪 • 经纬仪 • 全站仪
第一章 绪论
GPS卫星导航定位技术的发展 GPS系统的组成 GPS的应用
空间大地测量
• 卫星三角测量 Satellite Triangulation • 卫星激光测距（SLR） Satellite Laser Ranging • 甚长基线射电干涉测量（VLBI） Very Long Baseline Interferometry
1996年 宣布民用 2000年 SA（Selective Availability）政策的终止 保密性措施 SA政策 人为的降低卫星星历和GPS卫星钟的精度 应对措施：1. 建立独立的GPS卫星测轨系统 2. 建立独立的卫星导航与定位系统 前苏联的全球卫星导航系统（GLONASS） 欧空局 EGNOS Galileo GNSS 中国 北斗导航系统 3. 利用其他辅助手段提高精度
建设时间表
论证阶段（2000－2001），其任务是论证计划的必要性、 可行性以及落实具体的实施措施； 系统研制和在轨验证阶段（2001－2005），任务是研制 卫星及地面设施，系统在轨验证； 2005年12月28日第一颗试验卫星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GIOVE-A)成功进入2.3万Km的预定轨 道。2006年1月12日，开始向地面发送信号。 星座布设阶段（2006－2007），任务包括制造和发射卫 星，建成全部的地面设施； 运营阶段（从2008年开始） 2010年发射30颗服役期约为20年的正式卫星
讲义及作业ftp：
GPS卫星导航定位技术的需求和发展
定位、导航是人类生活的重要话题 国防建设 国民经济建设 科学研究 技术发展
需求特点
1. 2. 3. 4. 5. 从静态定位、导航到高动态定位导航――实时性要 求高 从二维到三维定位 从空中到地表、水面 全球、全天候定位、导航 各种精度要求：从米级→毫米级
用户终端分为
¾定位通信终端 ¾集团用户管理站终端 ¾差分终端 ¾校时终端等
车载型用户机
通讯型用户机
便携型用户机
船载型用户机
指挥型用户机
Galileo GNSS
1994年开始，欧盟对系统的方案论证。2000年，在世界无线电 大会上获得了L频段的频率资源。2002年3月，欧盟15国交通部 长一致同意系统的建设。 伽俐略系统由30颗卫星(27颗工作卫星和3颗备用卫星)组成。 30颗卫星部署在3个中高度圆轨道面上，轨道高度23616km， 倾角56度。计划2008年完成全系统部署并投入使用。设计卫星 寿命15年（采用铷钟和氢钟），纯民用系统，受欧盟和欧洲空 间局控制。具有公开服务，安全服务，商业服务，政府服务等 多功能。
三大部分： 空间星座 地面监控 用户设备
空间卫星星座
卫星构造 有效载荷
•卫星钟 •测温跟踪指令系统 •中央处理器 •电源系统 姿态测控系统 轨道调整系统 信号发射系统
地面监控部分（Ground Segment)
主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统
GPS卫 星
2000年10月31日 140E 2000年12月21日 80E 2003年5月25日 110.5E
有源定位体制
