第三章GPS原理与应用.

武汉大学测绘学院GPS原理及其应用课程组GPS全球定位系统原理与应用华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室第三章GPS原理及其应用1GPS原理及其应用第一部分GPS简介•什么是GPS•GPS的产生与发展•哪些国家或者地区有卫星导航定位系统•GPS的特点•GPS的系统组成•GPS在各领域中的应用2GPS原理及其应用•GPS的英文是GlobalPositionSystem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。（一）什么是GPS系统是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统,可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。3GPS原理及其应用二、GPS的产生与发展•1957年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功•1958年底，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatelliteSystem——NNSS）。1964年建成。•1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。4GPS原理及其应用二、GPS的产生与发展•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•1973年美国国防部开始研究建立新一代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的全球定位系统（GPS）。1994年投入使用，1995年完全建成。5GPS原理及其应用三、目前拥有定位系统的国家或地区•美国——GPS(始建于1973年)•俄罗斯——GLONASS（20世纪70年代中期开始启动、1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星、1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力）•欧盟——Galileo(伽利略计划)（始建于2002年系统由30颗高轨道卫星组成，分布在3个轨道面上。提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务）•中国——北斗导航定位卫星（2002年已应用，07年5月25日，我国第三颗“北斗一号”卫星发射成功，6月1日，我国自主研发的“北斗运营服务平台”正式开通，这标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导航定位系统的大规模应用进入了实质性阶段。6GPS原理及其应用四、GPS系统的特点1、全球，全天候工作2、功能多，应用广3、测站之间无需通视4、定位精度高，隐蔽性好5、观测时间短6、提供三维坐标7、操作简便有人说过，只有我们想不到的，没有GPS做不到的。有人预言，GPS将改变我们的生活方式。7GPS原理及其应用（五）GPS的系统组成空间部分24颗GPS卫星组成用户部分GPS接收机控制部分1个主控站5个监控站3个注入站注入站监控站主控站8GPS原理及其应用•24颗卫星(21+3)•6个轨道平面•55º轨道倾角•20200km轨道高度(地面高度)•11小时58分(恒星时)轨道周期•5个多小时出现在地平线以上(每颗星)•在全球各处能观测到高度角15°的卫星4颗以上GPS卫星星座9GPS原理及其应用GPS地面监控部分控制部分1个主控站3个注入站5个监控站10GPS原理及其应用GSP地面控制站一个主控站：科罗拉多•斯必灵司三个注入站：阿松森(Ascencion)—大西洋迭哥•伽西亚(DiegoGarcia)—印度洋卡瓦加兰(kwajalein)—太平洋五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii)55HawaiiAscencionDiegoGarciakwajaleinColoradosprings11GPS原理及其应用GPS用户部分121.GPS接收机的功能•跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测量出信号从卫星到天线的传播时间。•解译导航电文，实时解算测站三维位置。2.GPS接收机的类型（2）按信号频率分：•单频（L1）•双频（L1和L2）（1）按用途分：•导航型•授时型•测地型GPS原理及其应用GPS在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹配备GPS的士兵美国海军核潜艇13（六）GPS在各个领域中的应用GPS原理及其应用GPS在交通运输业中的应用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•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14GPS原理及其应用GPS在测量中的应用•建立和维持全球性的参考框架15GPS原理及其应用GPS在测量中的应用•板块运动和监测16GPS原理及其应用GPS在测量中的应用•建立各级国家平面控制网17GPS原理及其应用GPS在测量中的应用市话网市话网市话网市话网市话网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市电信局监控分析中心卫星定位信号发射台FM电台基准站1基准站2基准站3基准站4基准站5进入移动电话系统用户用户全向天线定向天线Modem•布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量18GPS原理及其应用GPS在测量中的应用•在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用19GPS原理及其应用GPS在其他领域中的应用•精细农业•遥感•卫星定轨•资源勘探•个人旅游及野外探险•电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递•….20GPS原理及其应用•天球坐标系•地球坐标系•GPS坐标系统•时间系统第二部分坐标系统和时间系统21GPS原理及其应用（一）天球坐标系22GPS原理及其应用坐标原点坐标系统建立的三要素A(B,L,H)BLH0起始子午面赤道zyxA(X,Y,Z)ZYXO起始子午面赤道坐标轴指向表示坐标的参数天球坐标系是以天球及天球上的点线圈为基础所建立的坐标系23GPS原理及其应用1.直角坐标系的定义原点O与地球质心重合，Z轴指向地球北极，X轴指向地球赤道面与格林尼治子午圈的交点，Y轴在赤道平面里与XOZ构成右手坐标系。（二）地球坐标系图2-2直角坐标系和大地坐标系2.大地坐标系的定义地球椭球的中心与地球质心重合椭球的短轴与地球自转轴重合。空间点位置在该坐标系中表述为（L，B，H）。地球直角坐标系和地球大地坐标系可用图2-2表示：24GPS原理及其应用WGS-84坐标系（三）GPS坐标系国际地球参考框架(ITRF)北京54旧坐标系西安80坐标系25GPS原理及其应用WGS-84椭球及其有关常数：WGS-84采用的椭球是国际大地测量与地球物理联合会第17届大会大地测量常数推荐值，其四个基本参数WGS-84坐标系WGS-84的定义：WGS-84是修正NSWC9Z-2参考系的原点和尺度变化，并旋转其参考子午面与BIH定义的零度子午面一致而得到的一个新参考系。WGS-84坐标系的原点在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协定地球极（CTP）方向，X轴指向BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是一个地固坐标系。26GPS原理及其应用长半径：a=6378137±2（m）；地球引力常数：GM=3986005×108m3s-2±0.6×108m3s-2；正常化二阶带谐系数：C20=-484.16685×10-6±1.3×10-9；J2=108263×10-8地球自转角速度：ω=7292115×10-11rads-1±0.150×10-11rads-127GPS原理及其应用国际地球参考架（ITRF）国际地球参考架(ITRF)是IERS(InternationalEarthRotationService)制定，由全球数百个SLR、VLBI和GPS站所构成–IGS精密星历–Z轴指向CIO，利用SLR、VLBI和GPS等技术维持.–提供站坐标及速度场信息28GPS原理及其应用（1）椭球参数有较大误差。1954年北京坐标系（BJ54）坐标原点：前苏联的普尔科沃。参考椭球：克拉索夫斯基椭球。平差方法：分区分期局部平差。存在的问题：29（2）参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性倾斜。（4）定向不明确。（3）几何大地测量和物理大地测量应用的参考面不统一。GPS原理及其应用坐标原点：陕西省泾阳县永乐镇。参考椭球：1975年国际椭球。1980年国家大地坐标系（GDZ80）平差方法：天文大地网整体平差。特点：（1）采用1975年国际椭球。30（2）参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。（3）椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。（4）定向明确。（5）大地原点地处我国中部。（6）大地高程基准采用1956年黄海高程。30GPS原理及其应用（四）时间系统沙瓶-Sandglass31GPS原理及其应用世界时（UT）：格林尼治零子午线处的民用时称为世界时。时间系统的分类力学时（DT）：根据天体动力学理论而来。原子时（AT）：从1958年1月1日世界的零时开始启用。GPS时（GPST）：由GPS星载原子钟和地面监控站原子钟组成32协调时（UTC）：将原子时的秒长和世界时的时刻结合。GPS原理及其应用第三部分卫星运动基础及GPS卫星星历概述卫星的无摄运动卫星的受摄运动GPS卫星星历33GPS原理及其应用轨道：卫星在空间运行的轨迹。轨道参数：描述卫星位置及状态的参数；轨道参数取决于卫星所受到的各种力的作用。§3.1概述一、卫星在空间的瞬时位置34GPS原理及其应用卫星的受力情况：地球的引力日月引力潮汐力大气阻力光压力均质球体引力非均匀球形部分引力第一类力：地球的质心引力——中心引力第二类力：摄动力——非中心引力，包括地球引力场摄动力（地球非球形对称引起）、日月引力、大气阻力、太阳光压、地球潮汐力等。35GPS原理及其应用无摄运动（二体问题）：仅考虑地球的质心引力研究卫星相对于地球的运动。在天体力学中，称之为二体问题。无摄轨道：理想的卫星轨道。受摄运动：在考虑第一类力（中心引力）的同时也考虑第二类力（摄动力）的影响来研究地球的运动。受摄轨道：在受摄运动下所运行的轨迹。二、卫星的运动返回36GPS原理及其应用卫星围绕着地球运行，作二体问题研究，必须满足以下条件：①必须在惯性系下考虑问题。②卫星作为质点。卫星的体积小，与其到地球的距离相比，可忽略不计，即卫星可作为质点计。③地球作为质点。地球可分成均质地球和非均质地球两部分。均质地球对外部点的引力等于球心质点的引力。因此，如果把非均质地球的引力作为摄动力的话，均质地球可作为一个质点。§3.2卫星的无摄运动37GPS原理及其应用目的意义①均质球体引力决定着卫星运动的主要规律和特征，它是卫星运动的近似描述；②二体问题是惟一能得到严密解的问题，而多体问题还不能得到严密解；③二体问题是精确研究卫星运动的基础。38GPS原理及其应用§3.3卫星的受摄运动摄动源轨道摄动3小时弧段2日弧段地球的非对称性约2km约14km日月引力100m左右1000-3000m太阳辐射压力5-10m100-800m大气阻力可忽略不计地球潮汐力（海潮、固体潮）可忽略不计注：大气阻力对于低轨卫星必须考虑，但GPS定位卫星均属高轨卫星，可忽略不计。摄动力对GPS定位的影响39GPS原理及其应用卫星在摄动力的作用下，会产生摄动改正。a，e，Ω，i，ω，V（M）dtda，dtde，dtd，dtdi，dtd，dtdM（为六参数的变化率）t0时刻：（a0，e0，Ω0，i0，ω0，M0）均已知t时刻：（a，e，Ω，i，ω，M）待求。Δt=t-t0Δa=dtdaΔta=a0+Δa在受摄力的作用下，轨道参数是时间的一个变量函数。在二体问题下，加上各项摄动改正，就可得到任一时刻比较精确的轨道参数。返回40GPS原理及其应用§3.4GPS卫星星历GPS卫星星历：描述卫星运动轨道的信息（一组对应某一时刻的轨道参数及其变化率）。一、预报星历预报星历：通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户的，用户接收机接收到这些信号，经过解码器便可获得所需要的卫星星历（通常包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动改正项参数，它是根据监测站约一周的观测资料推算的）。41GPS原理及其应用优点：实时。缺点：精度较低，一般约20-40m.预报星历的内容包括：参考历元瞬间的开普勒6个参数，反映摄动力影响的9个参数，以及参考时刻和星历数据龄期，