搜索
第九章全球定位系统（GPS）与北斗卫星导航系统（COMPASS)1武汉大学水利水电学院9.1GPS定位系统9.1.1GPS功能全球定位系统（GlobalPositioningSystem——GPS）是一种定时和测距的空间交会定点的导航系统，可以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。2武汉大学水利水电学院图1-1GPS定位系统功能图武汉大学水利水电学院3武汉大学水利水电学院5武汉大学水利水电学院6三、GPS系统组成1.GPS定位系统包括三大部分：地面控制部分；空间部分；用户部分7武汉大学水利水电学院图1-3GPS系统组成(1)空间卫星部分①卫星分布组成：最早由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座。8武汉大学水利水电学院图1-4GPS卫星分布武汉大学水利水电学院9②卫星分布情况24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间夹角为60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角相差90度。每颗卫星的正常运行周期为11h58min，若考虑地球自转等因素，将提前4min进入下一周期。③GPS卫星信号载波：L波段双频L11575.42MHz，L21227.60MHz卫星识别：码分多址（CDMA）测距码：C/A码（民用），P码（美国军方及特殊授户）导航数据：卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电离层延迟修正。10武汉大学水利水电学院（2）地面控制部分：地面控制部分：主控站、监控站和注入站11武汉大学水利水电学院图1-5GPS地面控制部分①主控站：位于美国科罗拉多（Colorado）的法尔孔（Falcon）空军基地。根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星时钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去；对卫星进行控制，向卫星发布指令；当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；主控站还具有监控站的功能。②监控站：主控站、夏威夷（Hawaii）、阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、和卡瓦加兰（Kwajalein）。接收卫星信号，监测卫星的工作状态。③注入站：阿松森群岛（Ascencion）、迭哥伽西亚（DiegoGarcia）、和卡瓦加兰（Kwajalein）。其作用和功能是：注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改正参数等注入到卫星中去。12武汉大学水利水电学院（3）用户部分①组成：GPS接收机、气象仪器、计算机、钢尺等仪器设成。②GPS接收机：天线单元，信号处理部分，记录装置和源。天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗干扰性强。GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型天线等。信号处理部分：是GPS接收机的核心部分，进行滤波和信号处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电文，获得伪距定位结果。记录装置:主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF卡）。电源:分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂电池。13武汉大学水利水电学院PTK系统导航型接收机大地型接收机③GPS接收机的基本类型：大地型、导航型和授时型三种。大地型接收机按接收载波信号的差异分为单频（L1）型和双频（L1，L2）型。14武汉大学水利水电学院图1-6GPS接收机类型2.GPS应用于授时校频GPS时间系统GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统。采用协调世界时UTC（USNO/MC）为参考基准。图1-7GPS时间系统建立的示意图15武汉大学水利水电学院9.1.2GPS系统的特点定位精度高GPS相对定位精度在50km以内可达10-6，100-500km可达10-7，1000km可达10-9。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm。观测时间短20KM以内快速静态相对定位，仅需15-20分钟；RTK测量时，当每个流动站与参考站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟。测站间无须通视可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。16武汉大学水利水电学院可提供三维坐标GPS可同时精确测定测站点的三维坐标(平面+大地高)。通过局部大地水准面精化，GPS水准可满足四等水准测量的精度。操作简便全天候作业GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行。功能多、应用广可用于测量、导航，精密工程的变形监测，还可用于测速、测时。17武汉大学水利水电学院武汉大学水利水电学院189.1.3工作原理GPS系统由三大部分：地面控制部分；空间部分；用户部分共同组成：18武汉大学水利水电学院图1-8GPS工作原理图19武汉大学水利水电学院GPS基本定位原理：采用有源无线电定位技术：利用距离交会的原理确定接收机的三维位置及钟差图1-9距离交会原理图武汉大学水利水电学院21武汉大学水利水电学院22图1-10GPS3颗卫星空间距离交会原理图23武汉大学水利水电学院武汉大学水利水电学院24图1-11GPS4颗卫星空间距离交会原理图武汉大学水利水电学院269.1.4GPS时间系统一、恒星时武汉大学水利水电学院29武汉大学水利水电学院30武汉大学水利水电学院319.1.5GPS坐标系统武汉大学水利水电学院339.1.6GPS重大发展历程武汉大学水利水电学院35武汉大学水利水电学院36武汉大学水利水电学院37武汉大学水利水电学院389.1.7其他定位系统武汉大学水利水电学院40武汉大学水利水电学院41武汉大学水利水电学院42武汉大学水利水电学院43武汉大学水利水电学院44武汉大学水利水电学院45武汉大学水利水电学院46北斗卫星定位系统武汉大学水利水电学院47武汉大学水利水电学院489.2.1系统介绍中国北斗卫星导航（COMPASS，中文音译名称BeiDou，北斗政府网站：），作为中国独立发展、自主运行的全球卫星导航系统，是国家正在建设的重要空间信息基础设施，可广泛用于经济社会的各个领域。北斗卫星导航系统能够提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务，具有导航和通信相结合的服务特色。通过１９年的发展，这一系统在测绘、渔业、交通运输、电信、水利、森林防火、减灾救灾和国家安全等诸多领域得到应用，产生了显著的经济效益和社会效益，特别是在四川汶川、青海玉树抗震救灾中发挥了非常重要的作用。武汉大学水利水电学院49武汉大学水利水电学院50武汉大学水利水电学院51武汉大学水利水电学院52图2-1北斗卫星空间结构武汉大学水利水电学院53图2-22007年4月14日4时11分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将一颗北斗导航卫星送入太空。新华社记者李刚摄武汉大学水利水电学院54图2-3第16颗北斗导航卫星发射（2012.10.25）武汉大学水利水电学院559.2.2系统的建立中国北斗卫星导航系统是继美国ＧＰＳ、俄罗斯格洛纳斯、欧洲伽利略之后，全球第四大卫星导航系统。北斗卫星导航系统２０１２年覆盖亚太区域，２０２０年将形成由３０多颗卫星组网具有覆盖全球的能力。高精度的北斗卫星导航系统实现自主创新，既具备ＧＰＳ和伽利略系统的功能，又具备短报文通信功能。北斗卫星导航系统的建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和３０颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。武汉大学水利水电学院56“三步走”计划第一步即区域性导航系统，已由北斗一号卫星定位系统完成，这是中国自主研发，利用地球同步卫星为用户提供全天候、覆盖中国和周边地区的卫星定位系统。中国先后在２０００年１０月３１日、２０００年１２月２１日和２００３年５月２５日发射了３颗“北斗”静止轨道试验导航卫星，组成了“北斗”区域卫星导航系统。北斗一号卫星在汶川地震发生后发挥了重要作用。第二步，即在“十二五”前期完成发射１２颗到１４颗卫星任务，组成区域性、可以自主导航的定位系统；第三步，即在２０２０年前，有３０多颗卫星覆盖全球。北斗二号将为中国及周边地区的军民用户提供陆、海、空导航定位服务，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用，为航天用户提供定位和轨道测定手段，满足导航定位信息交换的需要等。北斗闪耀星空照亮国人之路——访中国航天科技集团公司总经理马兴瑞武汉大学水利水电学院57２００７年２月３日，我国在西昌成功发射一颗北斗导航试验卫星，卫星准确入轨。２００７年４月１４日４时１１分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将一颗北斗导航卫星送入太空。发射的北斗导航卫星（COMPASS－M1），是中国北斗导航系统（COMPASS）建设计划的一颗卫星，飞行在高度为２１５００千米的中圆轨道。这颗卫星的发射成功，标志着我国自行研制的北斗卫星导航系统进入新的发展建设阶段。这次发射的卫星和用于发射的“长征三号甲”运载火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。这是长征系列运载火箭的第９７次飞行。武汉大学水利水电学院58２００９年４月１５日１５日零时１６分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第二颗北斗导航卫星送入预定轨道。这次发射的北斗导航卫星（COMPASS－G2），是中国北斗卫星导航系统（COMPASS，中文音译名称BeiDou）建设计划中的第二颗组网卫星，是地球同步静止轨道卫星。这颗卫星的成功发射，对于北斗卫星导航系统建设具有十分重要的意义。这次发射的卫星和运载火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。这是长征系列运载火箭的第１１６次飞行。２０１０年１月１７日０时１２分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭成功发射第三颗北斗导航卫星。这标志着北斗卫星导航系统工程建设又迈出重要一步，卫星组网正按计划稳步推进。这次发射的卫星和运载火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。这是长征系列运载火箭的第１２２次飞行。武汉大学水利水电学院59２０１０年６月２日２３时５３分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第四颗北斗导航卫星送入太空预定轨道，这标志着北斗卫星导航系统组网建设又迈出重要一步。这次发射的卫星和运载火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。这是长征系列运载火箭的第１２４次飞行。２０１０年８月１日５时３０分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功发射第五颗北斗导航卫星，并将卫星送入太空预定转移轨道。这是一颗倾斜地球同步轨道卫星，是中国２０１０年连续发射的第3颗北斗导航系统组网卫星。此次发射的卫星及其运载火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。本次卫星发射也是中国“长征”系列运载火箭第１２６次航天飞行。武汉大学水利水电学院60２０１０年１１月１日０时２６分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭成功将第六颗北斗导航卫星送入太空。这是我国２０１０年连续发射的第４颗北斗导航系统组网卫星。在这次发射中，中国卫星导航系统管理办公室首次在运载火箭上使用了北斗卫星导航系统标志。这次发射的卫星和运载火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。这是长征系列运载火箭的第１３３次飞行。２０１０年１２月１８日４时２０分，我国在西昌卫星发射中心使用长征三号甲运载火箭，成功将第