【精品】gps原理与应用第1章 绪论（可编辑.ppt

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1、GPS原理与应用第1章绪论GPSGPS原理与应用原理与应用第一章第一章 绪绪 论论第一章第一章 绪论绪论主要内容主要内容1.1 GPS1.1 GPS定位技术的兴起及其特点定位技术的兴起及其特点1.2 GPS1.2 GPS系统的组成系统的组成1.3 1.3 其他导航定位系统其他导航定位系统1.4 GPS1.4 GPS技术的应用技术的应用 GNSS =?现有和在建的全球卫星导航系统GPSGLONASSGALILEOBD增强系统第一章第一章 绪论绪论1.1 GPS1.1 GPS定位技术的兴起及其特点定位技术的兴起及其特点1.1.1 GPS1.1.1 GPS由来由来 19571957年年1010月月世

2、世界界上上第第一一颗颗人人造造地地球球卫卫星星的的发发射射成成功功，是是人人类类致致力力于于现现代代科科学学技技术术发发展展的的结结晶晶，它它使使空空间间科科学学技技术术的的发发展展迅迅速速进进入入了一个崭新的时代。了一个崭新的时代。近五十年来，人造地球卫星技术在军事、通讯、气象、资源勘近五十年来，人造地球卫星技术在军事、通讯、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文等众多学科领域得察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文等众多学科领域得到极其广泛的应用，从而推动了科学技术的迅猛发展，也丰富了人到极其广泛的应用，从而推动了科学技术的迅猛发展，也丰富了人类的科学文化生活。类的科学

3、文化生活。大家知道，人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的大家知道，人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。高度重视。19581958年底，美国海军武器实验室就着手实施建立为美国年底，美国海军武器实验室就着手实施建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统。海军导航卫星系统。(Navy(Navy Navigation Satellite SystemNNSS)Navigation Satellite SystemNNSS)。该系统中卫星的轨道都。该系统中卫星的轨道都通过地极，故也称子午通过地极，故也称子午(Transit)(Tra

4、nsit)卫星系统卫星系统”。第一章第一章 绪论绪论 19641964年年该该系系统统建建成成，并并开开始始在在美美国国军军方方启启用用，19671967年年美美国国政政府府批批准准该该系系统统解解密密，并并提提供供民民用用。由由于于该该系系统统不不受受气气候候条条件件的的影影响响，自自动动化化程程度度较较高高，且且具具有有良良好好的的定定位位精精度度，所所以以它它的的出出现现也也立立即即引引起起了了大大地地测测量量学学者者的的极极大大关关注注。尤尤其其是是在在该该系系统统提提供供民民用用之之后后，在在大大地地测测量量方方面面进进行行了了大大量量的的应应用用研研究究和和实实践践，并并取取得得了

5、了许许多多令令瞩瞩目目的成就。这就预示着经典的大地测量技术面临着的成就。这就预示着经典的大地测量技术面临着场重大的变革。场重大的变革。缺缺陷陷：虽虽然然美美国国“海海军军卫卫星星导导航航系系统统”在在导导航航技技术术的的发发展展中中具具有有划划时时代代的的意意义义，但但是是由由于于该该系系统统卫卫星星数数目目较较少少(5(56 6颗颗)、运运行行高高度度较较低低(平平均均约约1000km)1000km)、从从地地面面站站观观测测到到卫卫星星的的时时间间间间隔隔较较长长(平平均均约约1.51.5小小时时)，因因而而它它无无法法提提供供连连续续地地实实时时三三维维导导航航。加加之之获获得得一一次次

6、导导航航解解所所需需的的时时间间较较长长，所所以以难难以以充充分分满满足足军军事事方方面面，尤尤其其是是高高动动态态目目标标(如如飞飞机机、导导弹弹)导导航航的的要要求求。而而从从大大地地测测量量学学方方面面来来看看，由由于于它它定定位位速速度度较较慢慢(一一个个测测站站一一般般平平均均观观测测1 12 2天天)，精精度度也也较较低低(单单点点定定位位精精度度3 35m5m，相相对对定定位位精精度度约约为为1m)1m)，所所以以该该系系统统在在大大地地测量学和地球动力学研究方面的应用，也受到了很大的限制。测量学和地球动力学研究方面的应用，也受到了很大的限制。第一章第一章 绪论绪论 为了满足军事

7、部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要为了满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，求，19731973年美国国防部正式开始组织海陆空三军，共同研究建立新年美国国防部正式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。这就是许多文献中所称的一代卫星导航系统的计划。这就是许多文献中所称的“授时与测距授时与测距导航系统全球定位系统导航系统全球定位系统”(”(Navigation System Timing and Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning SystemNAVSTARRanging/Glo

8、bal Positioning SystemNAVSTARGPSGPS)，而通常简，而通常简称为称为“全球定位系统全球定位系统”。GPSGPS系统的发展系统的发展第一阶段（第一阶段（1973-19791973-1979）方案论证和初步设计。方案论证和初步设计。4 4颗实验卫星、部分地面接收设备。颗实验卫星、部分地面接收设备。19731973年年 国防部批准国防部批准GPSGPS系统的系统的NavstarNavstar卫星制造计划卫星制造计划;19741974年年 为检验铷钟和时间传播技术为检验铷钟和时间传播技术,TimationTimation项目的第一颗项目的第一颗GPSGPS实实 验卫星发

9、射升空验卫星发射升空;19771977年年 第一批携带铯钟的实验卫星发射升空第一批携带铯钟的实验卫星发射升空,具有后来具有后来GPSGPS卫星卫星 的基本特征的基本特征;19781978年年 第一颗第一颗GPSGPS原型导航卫星原型导航卫星Block IBlock I卫星发射升空。卫星发射升空。第二阶段（第二阶段（1979-19851979-1985）全面研制和试验阶段。全面研制和试验阶段。这一时期共发射七颗试验卫星这一时期共发射七颗试验卫星,GPS,GPS试验卫星试验卫星Block IBlock I卫星达到卫星达到1111颗颗,其它辅助系统建立。其它辅助系统建立。证实了证实了GPSGPS系统

10、卓越的导航定位能力（实际伪距单点定位精系统卓越的导航定位能力（实际伪距单点定位精度度:20:20米米,设计标准设计标准:100:100米）。米）。GPS Block I第三阶段（第三阶段（1986-19941986-1994）实际组网阶段，实际组网阶段，2424颗工作卫星，颗工作卫星，19951995年达预定工作年达预定工作能力。能力。从从19891989年年2 2月月1414日至日至19941994年，共年，共2424颗颗(21+3)GPS(21+3)GPS工作卫工作卫星：星：BlockBlock（9 9颗）、颗）、BlockABlockA（1515颗）发射成功。颗）发射成功。GPS Blo

11、ckGPS BlockA19951995年年4 4月月2727日日,美国防部宣布：美国防部宣布：“GPS “GPS系统已具备完全运行能力系统已具备完全运行能力(Full Operational(Full Operational Capability,FOC)”Capability,FOC)”投资：投资：120 120亿美元亿美元卫星卫星:9 9颗颗BLOCK BLOCK 1515颗颗BLOCKA BLOCKA 特点特点:全球、全天候、连续实时高精全球、全天候、连续实时高精 度的授时、导航和定位度的授时、导航和定位 GPSGPS星座现状星座现状 截止到截止到20072007年，美国的年，美国的G

12、PSGPS系统共发射卫星系统共发射卫星5555颗，发射失败颗，发射失败2 2次次.卫星型号发射总数(颗)在轨正常工作(颗)Block I110Block II90Block IIA1915Block IIR1312Block IIRM33-5530第一章第一章 绪论绪论1.1.2 GPS1.1.2 GPS的特点的特点1 1、GPSGPS相对于其它导航定位系统的特点相对于其它导航定位系统的特点 全全球球地地面面连连续续覆覆盖盖。由由于于GPSGPS卫卫星星的的数数目目较较多多且且分分布布合合理理，所所以以地地球球上上任任何何地地点点均均可可连连续续同同步步地地观观测测到到至至少少4 4颗颗卫卫星

13、星。从从而而保保障障了全球、全天候连续地实时导航与定位。了全球、全天候连续地实时导航与定位。功功能能多多，精精度度高高。GPSGPS可可为为各各类类用用户户连连续续地地提提供供动动态态目目标标的的三三维维位位置置、三三维维速速度度和和时时间间信信息息。随随着着GPSGPS测测量量技技术术和和数数据据处处理理技技术术的发展，其定位、测速与测时的精度将进一步提高。的发展，其定位、测速与测时的精度将进一步提高。第一章第一章 绪论绪论 实实时时定定位位速速度度快快。利利用用全全球球定定位位系系统统一一次次定定位位和和测测返返工工作作在在一一秒秒至至数数秒秒钟钟内内便便可可完完成成(NNSS(NNSS约

14、约需需8 81616分分钟钟)，这这对对高高动动态态用用户户来说尤为重要。来说尤为重要。抗抗干干扰扰性性能能好好，保保密密性性强强。由由于于GPSGPS采采用用数数字字通通讯讯的的特特殊殊编编码码技技术术、采采用用伪伪随随机机噪噪声声码码技技术术，因因此此GPSGPS卫卫星星所所发发送送的的信信号号，具具有良好的抗干扰性和保密性。有良好的抗干扰性和保密性。考考虑虑到到GPSGPS主主要要是是为为满满足足军军事事部部门门高高精精度度导导航航与与定定位位目目的的而而建建立立的的，所所以以上上述述优优点点对对军军事事上上动动态态目目标标的的导导航航具具有有十十分分重重要要的的意意义义。正正因因为为如

15、如此此，美美国国政政府府把把发发展展GPSGPS技技术术作作为为导导航航技技术术现现代代化化的的重重要要标志，并把这标志，并把这技术视为技术视为2020世纪最重大的科技成就之一。世纪最重大的科技成就之一。第一章第一章 绪论绪论2 2、GPSGPS相对于经典大地测量的特点相对于经典大地测量的特点选点灵活，无需通视。选点灵活，无需通视。GPSGPS测量不要求观测站之间通视，因测量不要求观测站之间通视，因而不再需要建造觇标。这一优点即可减少测量工作的经费而不再需要建造觇标。这一优点即可减少测量工作的经费(30%(30%60%60%）和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。但要求净空。）和时间，同时也

16、使点位的选择变得甚为灵活。但要求净空。定位精度高。定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前在小于现已完成的大量实验表明，目前在小于50km50km的的基线上其相对定位精度可达基线上其相对定位精度可达 1 1 2*10 2*10-6-6，而在，而在100km 100km 500km 500km的的基线上可达基线上可达1010-6-6 10 10-。随着观测技术与数据处理方法的改善，。随着观测技术与数据处理方法的改善，可望在大于可望在大于1000km1000km的距离上，相对定位精度达到或优于的距离上，相对定位精度达到或优于1010。观测时间短。观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基

17、目前，利用经典的静态定位方法，完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为线的相对定位所需要的观测时间，根据要求的精度不同，一般约为1 13 3小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展小时。为了进一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展的短基线（例如不超过的短基线（例如不超过20KM20KM）快速相对定位法，其观测时间仅需数）快速相对定位法，其观测时间仅需数分钟。分钟。第一章第一章 绪论绪论 提供三维坐标。提供三维坐标。GPSGPS测量，在精确测定观测站平面位置的同测量，在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高。时，可以精确测定观测站的

18、大地高。GPSGPS测量的这一特点，不仅为测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也研究大地水准面的形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要为其在航空物探、航空摄影测量及精密导航中的应用，提供了重要的高程数据。的高程数据。操作简便。操作简便。GPSGPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监视仪器的工作状态主要任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，而其它观测工作，如卫星的捕获、跟踪

19、观和采集环境的气象数据，而其它观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。另外，测和记录等均由仪器自动完成。另外，GPSGPS用户接收机一般重量较用户接收机一般重量较轻、体积较小，例如轻、体积较小，例如NovAtel RPK-L1/L2NovAtel RPK-L1/L2型型GPSGPS接收机，重量约为接收机，重量约为1.01.0千克，体积为千克，体积为1085cm1085cm3 3,因此携带和搬运都很方便。因此携带和搬运都很方便。全天候作业。全天候作业。GPSGPS观测工作，可以在任何地点，任何时间连观测工作，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。续地进行

20、，一般也不受天气状况的影响。第一章第一章 绪论绪论所以，所以，GPSGPS定位技术的发展，对于经典的测量技术是一次重大定位技术的发展，对于经典的测量技术是一次重大的突破。的突破。一方面，它使经典的测量理论与方法产生的深刻的变革，一方面，它使经典的测量理论与方法产生的深刻的变革，另一方面，也进一步加强了测量学与其它学科之间的相互渗透，从另一方面，也进一步加强了测量学与其它学科之间的相互渗透，从面促进了测绘科学技术的现代化发展。面促进了测绘科学技术的现代化发展。1.1.1.1.GPS GPS技术对经典大地测量的影响技术对经典大地测量的影响1 1、经典大地测量的现状、经典大地测量的现状 自自4949

21、年年以以来来，我我国国测测绘绘工工作作者者在在全全国国范范围围内内沿沿着着经经纬纬线线方方向向布布设设了了等等三三角角锁锁。在在 等等三三角角锁锁的的控控制制下下，全全面面布布设设了了 等等三三角角网网或或十十字字交交叉叉的的 等等三三角角锁锁。随随后后，随随着着国国民民经经济济发发展展的的需需要要及及测测绘绘基基本本图图的的需需要要，在在、等等三三角角锁锁网网的的控控制制下下，建建立立了了、等等三三角角网网。在在高高程程控控制制方方面面，全全国国建建立立了了 等等水水准准网网，接接着着为为满满足足各各部部门门和和各各项项工工作作的的需需要要，又又建建立立了了、等等水水准准网网。至至此此，我我

22、国国已已完完成成了了经经典典大大地地测测量量的的平平面面控控制制网网和和高高程程控控制制网网。经经过近三十年的变化，经典大地测量的现状是：过近三十年的变化，经典大地测量的现状是：第一章第一章 绪论绪论水水准准原原点点国家大地原点国家大地原点第一章第一章 绪论绪论第一章第一章 绪论绪论第一章第一章 绪论绪论（1 1）标标志志破破坏坏严严重重。平平面面控控制制网网中中的的三三角角点点标标志志（木木标标志志、钢钢标志和标石）破坏相当严重，以至到了不能利用的程度。标志和标石）破坏相当严重，以至到了不能利用的程度。（2 2）控控制制网网的的精精度度不不高高。采采用用经经典典大大地地测测量量方方法法建建立

23、立的的平平面面控控制制网网，是是以以丈丈量量基基线线和和观观测测角角度度向向前前推推进进的的，误误差差积积累累尤尤甚甚。从从测测量量基基线线1/1001/100万万的的相相对对误误差差开开始始，一一直直推推算算到到应应用用较较频频繁繁的的等等三三角角网网上上，相相对对误误差差降降到到1/51/5万万，此此已已不不适适应应于于现现代代精精密密工工程程的的需需要要，更无法满足地学研究的需要。更无法满足地学研究的需要。（3 3）平平面面控控制制与与高高程程控控制制相相分分离离。由由于于建建立立平平面面控控制制网网和和高高程程控控制制网网的的要要求求是是截截然然不不同同的的，因因而而二二者者是是相相互

24、互独独立立的的，没没有有统统一一的的坐标系，故使用极不方便。坐标系，故使用极不方便。（4 4）平平面面控控制制点点难难以以达达到到。为为保保证证点点间间的的通通视视和和构构成成一一定定的的网网形形，平平面面控控制制点点大大多多选选在在制制高高点点上上。因因此此多多半半设设在在山山峰峰上上，交交通通不不便，难以到达。便，难以到达。在经济高速发展的今天，经典大地测量网面临着全面改造的问在经济高速发展的今天，经典大地测量网面临着全面改造的问题。题。GPSGPS的出现，为经典大地测量网的改造提供了强有力的技术手的出现，为经典大地测量网的改造提供了强有力的技术手段。段。第一章第一章 绪论绪论2 2、GP

25、SGPS技术与经典大地测量的差异技术与经典大地测量的差异 GPSGPS技术与经典大地测量各有特点，二者比较，存在下列差异：技术与经典大地测量各有特点，二者比较，存在下列差异：（1 1）在结构上在结构上 经经典典大大地地测测量量控控制制网网总总是是分分为为平平面面控控制制网网和和高高程程控控制制网网，相相互互独独立立，个个成成系系统统。平平面面控控制制网网是是利利用用测测距距仪仪测测边边和和经经纬纬仪仪测测角角构构成成一一定定三三角角形形或或四四边边形形来来完完成成的的。为为了了保保证证点点间间的的通通视视，三三角角点点必必须须设设在在制制高高点点上上；为为了了保保证证坐坐标标传传递递的的精精度

26、度，三三角角点点间间构构成成的的网网形形要要求求具具有有较较强强的的几几何何图图形形。高高程程网网是是利利用用水水准准仪仪逐逐站站测测量量两两点点间间的的高高差差来来建建立立的的，因因而而要要求求水水准准点点要要选选在在地地势势平平坦坦和和交交通通方方便便的的道道路路两两边边。可可见见，二二者者对对点点位位的的要要求求和和观观测测方方法法是是截截然然不不同同的的，因因此此也也就就无法统一起来，各自在计划、施测、数据处理和应用上自成体系。无法统一起来，各自在计划、施测、数据处理和应用上自成体系。而而采采用用GPSGPS定定位位技技术术时时，已已知知点点在在GPSGPS卫卫星星上上，点点的的位位置

27、置（平平面面位位置置和和高高程程）是是以以接接收收GPSGPS卫卫星星信信号号的的方方式式来来实实现现的的，它它只只与与卫卫星星相相联联系系与与其其它它点点无无关关，因因而而相相邻邻点点间间不不要要求求通通视视，并并可可获获得得地地面面点点在全球地心坐标系中的坐标。在全球地心坐标系中的坐标。第一章第一章 绪论绪论这样，一方面省去了大量的地面测设工作，把测绘人员从沉重这样，一方面省去了大量的地面测设工作，把测绘人员从沉重的地面劳动中解放出来，极大地提高了测量的效益；另一方面，将的地面劳动中解放出来，极大地提高了测量的效益；另一方面，将平面坐标系和高程坐标系统一到全球坐标系中，使二者成为一个整平面

28、坐标系和高程坐标系统一到全球坐标系中，使二者成为一个整体。体。（）（）在层次上在层次上 经经典典大大地地测测量量是是指指广广阔阔区区域域的的测测量量方方法法。区区域域既既广广，如如果果采采取取一一次次布布网网的的密密集集测测量量方方式式，以以短短边边传传递递，则则由由于于观观测测误误差差，边边长长和和方方位位角角的的误误差差必必然然迅迅速速增增加加，精精度度迅迅速速降降低低。因因此此，经经典典大大地地测测量量按按照照用用途途、使使用用仪仪器器、观观测测精精度度和和边边长长的的不不同同，将将控控制制网网由由高高级级由由低低级级分分为为、等等四四个个层层次次，高高一一级级作作为为下下一一级级的的控

29、控制制基基准准，下下一一级级作作为为高高一一级级的的补补充充，遵遵循循“由由大大到到小小、逐逐级级控控制制”的的原原则，从而使得大地控制网的建立成为旷日持久的工作。则，从而使得大地控制网的建立成为旷日持久的工作。GPSGPS定定位位技技术术则则截截然然不不同同。GPSGPS定定位位网网不不存存在在误误差差积积累累这这一一问问题题，抛抛弃弃了了“由由大大到到小小、逐逐级级控控制制”这这一一布布网网原原则则。它它在在观观测测中中所所使使用用的的仪仪器器相相同同，观观测测精精度度也也相相同同。若若要要提提高高定定位位精精度度，只只要要稍稍微微延延长长观观测测时时间间，所所费费极极微微。而而经经典典大

30、大地地测测量量中中，高高等等点点与与低低等等点点的的代代价之比上很大的。价之比上很大的。第一章第一章 绪论绪论（）在数据处理上（）在数据处理上 经经典典大大地地测测量量的的观观测测数数据据是是在在重重力力空空间间获获得得的的，而而地地面面点点的的平平面面位位置置必必须须用用大大地地坐坐标标表表示示，它它们们是是在在一一个个以以椭椭球球面面为为参参考考的的几几何何空空间间中中量量。为为了了由由重重力力空空间间的的观观测测量量进进行行分分级级处处理理。在在结结构构上上，将将平平面面控控制制和和高高程程控控制制分分别别处处理理；在在层层次次上上，将将、等等网网分分别别处处理理。由由于于它它们们的的观

31、观测测量量不不等等权权，无无法法进进行行整整体体平平差差。相相反反地，联合平差会使成果变坏。地，联合平差会使成果变坏。采采用用GPSGPS定定位位技技术术则则截截然然不不同同，它它可可以以直直截截了了当当地地得得出出地地面面点点在在WGS84WGS84地地心心坐坐标标系系中中的的三三维维坐坐标标，从从而而避避免免了了复复杂杂的的归归算算问问题题。由由于于GPSGPS观观测测量量是是等等权权的的，因因而而可可将将高高等等级级点点和和低低等等级级点点统统一一处理。处理。GPSGPS的出现，对测绘界产生了深刻的影响，它使得一些经典的的出现，对测绘界产生了深刻的影响，它使得一些经典的测量方法成为历史。

32、虽然测量方法成为历史。虽然GPSGPS可能还不会完全取代经典测量方法，可能还不会完全取代经典测量方法，但其主导作用是确定无疑的。但其主导作用是确定无疑的。第一章第一章 绪论绪论1.1.GPS GPS系统的组成系统的组成1.1.1 GPS.1 GPS卫星星座卫星星座 GPSGPS系系统统由由GPSGPS卫卫星星星星座座（空空间间部部分分）、地地面面监监控控系系统统（地地面面控控制制部部分分）和和GPSGPS信信号号接接收收机机（用用户户设设备备部部分分）等等三三部分组成。部分组成。、GPSGPS卫星星座的构成卫星星座的构成 GPS GPS卫星星座由卫星星座由2121颗工作卫星和颗工作卫星和3 3

33、颗在轨备用卫星组成，这颗在轨备用卫星组成，这2424颗卫颗卫星均匀分布在星均匀分布在6 6个轨道平面上。卫星轨道平面相对地球赤道平面的个轨道平面上。卫星轨道平面相对地球赤道平面的倾角约为倾角约为5555，各轨道平面升交点的赤经相差，各轨道平面升交点的赤经相差6060，在相邻轨道上，在相邻轨道上，卫星的升交距角相差卫星的升交距角相差3030。轨道平均高度约为。轨道平均高度约为20200km20200km，卫星运行周，卫星运行周期为期为1111小时小时5858分分。卫星轨道近于圆形，其长半轴为。卫星轨道近于圆形，其长半轴为26560km26560km，最大，最大偏心率为偏心率为0.010.01。同

34、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 4分钟。每颗卫星每天约有分钟。每颗卫星每天约有5 5个小时在地平线以上，同时位于地平线个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目视时间和地点而定，最少为以上的卫星数目视时间和地点而定，最少为4 4颗，最多可达颗，最多可达1111颗。颗。这一分布方式，保证了地面上任何时间、任何地点至少可同时观测这一分布方式，保证了地面上任何时间、任何地点至少可同时观测到到4 4颗卫星。颗卫星。定位星座：定位星座：在用卫星进行导航定位时，为了求得测站的在用卫星进行导航定位时，为了求得测站的三维位置，

35、必须观测颗卫星，称之为定位星座。三维位置，必须观测颗卫星，称之为定位星座。间隙段：间隙段：PSPS卫星的上述分布，在个别地区仍可能在其一短时卫星的上述分布，在个别地区仍可能在其一短时间内间内(例如数分钟例如数分钟)只能观测到只能观测到4 4颗图形结构较差的卫星，而无法达颗图形结构较差的卫星，而无法达到必要的定位精度。这种时间段称为间隙段。到必要的定位精度。这种时间段称为间隙段。间隙段的解决方法：）制定作业计划；（静态）间隙段的解决方法：）制定作业计划；（静态）采用双系统接收机（动态）采用双系统接收机（动态）第一章第一章 绪论绪论第一章第一章 绪论绪论2 2、GPSGPS卫星及其功能卫星及其功能

36、 GPSGPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m1.5m，重约，重约774kg774kg（包括（包括310kg310kg燃料燃料)，两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对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的用电。日定向，以保证卫星正常工作的用电。每颗卫星装有每颗卫星装有4 4台高精度原子钟台高精度原子钟(2(2台铷台铷钟和钟和2 2台铯钟台铯钟)，这是，这是卫星的核心设备卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为它将发射标准频率信号，为GPSGPS 测量提供高精度的时间标准。测量提供高精度的时间标准。GPSGPS卫星的基本功能：卫星的基本功能：

37、1 1）向广大的用户连续不断地发射卫星导航定位信号（简称）向广大的用户连续不断地发射卫星导航定位信号（简称GPSGPS信信号），并用导航电文报告自己的现势位置已以及其他在轨卫星的概号），并用导航电文报告自己的现势位置已以及其他在轨卫星的概略位置；略位置；第一章第一章 绪论绪论 2 2）在飞越注入站上空时，接受由）在飞越注入站上空时，接受由地面注入站发送到卫星的导航电文和地面注入站发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过其他有关信息，并通过GPSGPS信号形成电信号形成电路，适时的发送给广大的用户。路，适时的发送给广大的用户。3 3）接受地面主控站通过注入站发）接受地面主控站通过注入站发送到卫

38、星的调度命令。如适时的改正送到卫星的调度命令。如适时的改正运行的偏差。或者启用备用时钟等。运行的偏差。或者启用备用时钟等。4 4）通过星载高精度原子钟，提供）通过星载高精度原子钟，提供精确的时间标准，使各卫星处于同一精确的时间标准，使各卫星处于同一时间标准时间标准GPSGPS时时。第一章第一章 绪论绪论1.1.2.2 地面监控系统（地面控制部分）地面监控系统（地面控制部分）对于导航定位而言，对于导航定位而言，GPSGPS卫星是一种动态已知点，它是依据卫卫星是一种动态已知点，它是依据卫星发送的星历计算而得的。所谓星发送的星历计算而得的。所谓“卫星星历卫星星历”是一系列描述卫星是一系列描述卫星运动

39、及其轨道的参数。运动及其轨道的参数。每颗每颗GPSGPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。GPSGPS卫卫星的设计寿命是七年半，当它们入轨运行以后，卫星的星的设计寿命是七年半，当它们入轨运行以后，卫星的“健康健康”状状态如何，亦即卫星上各种设备是否能正常工作，以及卫星是否一直态如何，亦即卫星上各种设备是否能正常工作，以及卫星是否一直沿预定的轨道运行，这都要由地面设备进行监测和控制。此外，地沿预定的轨道运行，这都要由地面设备进行监测和控制。此外，地面监控系统还有一个重要作用，保持各颗卫星处于同一时间标准，面监控系统还有一个重要作用，保持各颗卫星处

40、于同一时间标准，即处于即处于GPSGPS时间系统。这就要在地面上设站监测各颗卫星的时间，时间系统。这就要在地面上设站监测各颗卫星的时间，并计算出有关改正数，进而由导航电文发射给用户，以确保处于并计算出有关改正数，进而由导航电文发射给用户，以确保处于GPSGPS时间系统。时间系统。GPSGPS工作卫星的地面系统，目前主要由分布在全球的工作卫星的地面系统，目前主要由分布在全球的5 5个地面个地面站组成，其中包括一个主控站、三个信息注入站和五个卫星监测站组成，其中包括一个主控站、三个信息注入站和五个卫星监测站。站。第一章第一章 绪论绪论 主控站一个，设在美国本土科罗拉多主控站一个，设在美国本土科罗拉

41、多.斯平士斯平士(Colorado(Colorado Springs)Springs)的联合空间执行中心。注入站现有的联合空间执行中心。注入站现有3 3个，分别设在印度洋个，分别设在印度洋的狄哥的狄哥伽西亚伽西亚(Diego Garcia)(Diego Garcia)、南大西洋的阿松森岛、南大西洋的阿松森岛(Ascension)(Ascension)和南太平洋的卡瓦加兰和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)(Kwajalein)。五个监测站除主控站和注入。五个监测站除主控站和注入站外，还在夏威夷设立了一个监测站。站外，还在夏威夷设立了一个监测站。地面地面监控监控系统系统的分的分布布第一章第

42、一章 绪论绪论 1 1、监测站、监测站 是在主控站直接控制下的数据自动采集中心，站内设有双频是在主控站直接控制下的数据自动采集中心，站内设有双频GPSGPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。器。接收机对接收机对GPSGPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况；作状况；原子钟提供时间标准；原子钟提供时间标准；环境传感器收集当地的气象数据。环境传感器收集当地的气象数据。所有观测资料由计算机进行初步处理（如计算对流层、电离所有观测资料由计算机进行初步处理（如计算对流层、

43、电离层、天线相位中心、相对论效应改正数等），并存储和传送到主控层、天线相位中心、相对论效应改正数等），并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。站，用以确定卫星的轨道。第一章第一章 绪论绪论 2 2、主控站、主控站 主按站除协调和管理所有地面监控系统的工作外，其主按站除协调和管理所有地面监控系统的工作外，其主要任务是：主要任务是：3 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行。4 4）启用备用卫星以代替失效的工作卫星。）启用备用卫星以代替失效的工作卫星。1 1）根据本站和其它监测站的所有观测资料推算编制各卫星的星）根据本站和其它监测站的所有观测资料

44、推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。2 2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPSGPS卫星的原子卫星的原子钟均应与主控站的原子钟同步或测出其间时钟差，并把这些钟差信钟均应与主控站的原子钟同步或测出其间时钟差，并把这些钟差信息编入导航电文送到注入站；息编入导航电文送到注入站；第一章第一章 绪论绪论 3 3、注入站、注入站 注入站的主要设备包括一台直径为注入站的主要设备包括一台直径为3.6m3.6m的天线，一台的天线，一台C C波段发射波段发射机和一

45、台计算机。其机和一台计算机。其主要任务主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等注入到相应和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。整个整个GPSGPS的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化的通讯系统联系起来，在原子钟、计算机的驱动和精确控制现代化的通讯系统联系起来，在原子钟、计算机的驱动和精确控制下，各项工作实现了高度的自动化和标准化。下，各项工作实现了高度的自

46、动化和标准化。为了提高为了提高GPSGPS卫星的定轨精度，当系统建成后将会适当增加监卫星的定轨精度，当系统建成后将会适当增加监测站的数量并改善其在全球的分布。测站的数量并改善其在全球的分布。第一章第一章 绪论绪论1.1.3 GPS.3 GPS信号接收机（用户设备部分）信号接收机（用户设备部分）全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户广泛应用该全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，而用户只有通过用户设备才能实现利系统进行导航和定位的基础，而用户只有通过用户设备才能实现利用用GPSGPS导航和定位的目的。导航和定位的目的。GPSGPS信号接收机：信号接

47、收机：是一种能够接收、跟踪、变换和测量是一种能够接收、跟踪、变换和测量GPSGPS卫星卫星信号的接收设备，称之为信号的接收设备，称之为GPSGPS信号接收机。信号接收机。1 1、GPSGPS信号接收机的作用信号接收机的作用 1 1）当）当GPSGPS卫星在用户视界升起时，卫星在用户视界升起时，接收机能够接收机能够捕获捕获到按一定卫星截止高度到按一定卫星截止高度角所选择的待测卫星，并能够角所选择的待测卫星，并能够跟踪跟踪这些这些卫星的运动。卫星的运动。2 2）对所接收到的）对所接收到的GPSGPS信号具有信号具有变换、放大和处理变换、放大和处理的功能，以便的功能，以便测量测量出出GPSGPS信号

48、从卫星到接收机天线的传播时间，信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译解译出出GPSGPS卫星所卫星所发射的导航电文，实时地发射的导航电文，实时地计算计算出测站的三维位置，甚至三维速度和出测站的三维位置，甚至三维速度和时间，从而时间，从而实现实现导航和定位。导航和定位。Trimble Trimble 5800 5800 GPS GPS接接收机收机 上海华上海华测测X90X90 GPS GPS接接收机收机 小小博博士士手手持持机机 博博宇宇 GPSGPS接接收收机机 中海达中海达V30V30GPSGPS接收机接收机第一章第一章 绪论绪论第一章第一章 绪论绪论2 2、GPSGPS信号接收机的结构信号

49、接收机的结构 GPS GPS用户设备主要包括有用户设备主要包括有GPSGPS接收机及其天线，微处理接收机及其天线，微处理器及其终端设备以及电源等。器及其终端设备以及电源等。而其中接收机和天线是用户而其中接收机和天线是用户设备的核心部分，一般习惯设备的核心部分，一般习惯统称为统称为GPSGPS接收机接收机。它的主要它的主要功能是接收功能是接收GPSGPS卫星发射的信号并进行处理和量测，以获取导肮电卫星发射的信号并进行处理和量测，以获取导肮电文及必要的观测量。文及必要的观测量。1 1）天线）天线(前置放大器前置放大器)；2 2）信号处理器，用于信号识别和处理；）信号处理器，用于信号识别和处理；3

50、3）微处理器，用于接收机的控制、数据采集和导航计算；）微处理器，用于接收机的控制、数据采集和导航计算；4 4）用户信息传输，包括操作板、显示板和数据存贮器；）用户信息传输，包括操作板、显示板和数据存贮器；5 5）精密振荡器，用以产生标准频率；）精密振荡器，用以产生标准频率；6 6）电源，供电。）电源，供电。第一章第一章 绪论绪论 如果把如果把GPSGPS接收机作为一个用户测量系统，那么按其构成部分接收机作为一个用户测量系统，那么按其构成部分的性质和功能可分为硬件部分和软件部分。的性质和功能可分为硬件部分和软件部分。硬件部分硬件部分，主要指上述，主要指上述接收机、天线和电源等硬件设备，而接收机、