GPS系统介绍

普通测量学福建师范大学地理科学学院地球信息科学系GPS测量原理介绍GPS介绍本讲主要内容ＧＰＳ的含义卫星定位技术的发展简史ＧＰＳ的组成ＧＰＳ的特点与应用卫星导航定位的分类GPS定位的原理GPS介绍ＧＰＳ的含义GPS的英文全称是NAVigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositionSystem（卫星测时测距导航/全球定位系统），简称GPS有时也被称作NAVSTARGPS。空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求GPS介绍卫星定位技术的发展简介各种卫星导航、定位系统子午卫星导航系统（ＮＮＳＳ）前苏联ＣＩＣＡＤＡ卫星导航系统ＧＰＳ全球定位系统ＧＬＯＮＡＳＳ全球导航卫星系统Galileo卫星导航定位系统北斗双星定位系统/北斗导航定位系统GPS介绍GPS的系统组成（一）-系统组成GPS系统组成空间部分地面控制部分用户设备部分GPS介绍GPS的系统组成（二）-空间部分（1）GPS的空间部分（GPS卫星星座）–设计星座：21+3•21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星•6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）•保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至11颗卫星–当前星座：31颗GPS介绍双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2m2。多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。GPS介绍ＧＰＳ卫星的作用①接受注入站发送的导航电文和其他信息②向用户发送导航定位信号③接受调度命令，改正运行偏差或启用备用时钟GPS介绍GPS的系统组成（三）-地面控制部分（1）主控站监控站监控站注入站/监控站注入站/监控站注入站/监控站1个主控站、3个注入站和5个监测站GPS介绍GPS工作流程主控站注入站监测站ＧＰＳ用户原始数据星历、时钟数据、监控数据GPS介绍（1）采集数据：主控站采集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钟和工作状态的数据，监测站自身的状态数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。（2）编辑导航电文：根据采集到的全部数据计算出每一颗卫星的星历、时钟改正数、状态数据以及大气改正数，并按一定的格式编辑为导航电文，传送到注入站。主控站的任务（作用）GPS介绍（3）诊断功能：对整个地面支撑系统的协调工作进行诊断；对卫星的健康状况进行诊断，并加以编码向用户指示。（4）调整卫星：根据所测的卫星轨道参数，及时将卫星调整到预定轨道，使其发挥正常作用。而且还可以进行卫星调度，用备份卫星取代失效的工作卫星。GPS介绍监测站与注入站的任务（作用）监测站的任务：为主控站提供卫星的观测数据注入站的任务：将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器GPS介绍GPS的系统组成（四）-用户设备部分用户设备部分-GPS信号接收机及相关设备（三角架、测尺（杆）、数据后处理软件）GPS介绍GPS信号接收机的任务与基本结构任务：捕获卫星信号、跟踪卫星运行，并对信号进行变换、放大和处理，测出信号传播时间，译出导航电文，达到实时定位、导航的目的。基本结构天线单元：接收天线、前置放大器接收单元：通道单元、计算和显示单元、存储单元、电源GPS介绍GPS接收机的分类1．按接收机的用途分：(1)导航型接收机（车载型、航海型、航空型、星载型）(2)测地型接收(3)授时型接收机2．按接收机的载波频率分类：(1)单频接收机(2)双频接收机GPS介绍GPS接收机的分类（续）3．按接收机通道数分类：多通道接收机：具有多个卫星信号通道，每个信号通道只跟踪一颗卫星序贯通道接收机：只有一个通道，为了实现对多颗卫星信号的跟踪，采用软件控制，按一定的时间对不同卫星进行跟踪。（早期）多路多用通道接收机：与须贯通道类似，也是在软件控制下对卫星进行测量，但测量速度较快。GPS介绍GPS接收机的分类（续）4.按接收机工作原理分类(1)码相关型接收机(2)平方型接收机(3)混合型接收机(4)干涉型接收机GPS介绍ＧＰＳ系统的特点定位精度高观测时间短测站间无需通视可同时提供三维坐标操作简便全天候作业功能多、应用广GPS介绍ＧＰＳ系统的应用在军事上的应用在测绘、地图制图、ＧＩＳ中的应用在海、陆、空导航中的应用在日常生活、娱乐上的应用ＧＰＳ用在授时GPS介绍卫星导航系统分类根据用户接收机是否发射信号分类：无源系统有源系统按测量的参数分类：测距导航系统测距离差导航系统卫星多普勒导航系统测角导航系统混合系统按卫星运行轨道的高度分类低轨道（近地轨道）900~2,700km中高轨道13,000~20,000km同步轨道36,000km按工作区域分类：全球覆盖系统区域覆盖系统GPS介绍GPS定位的原理测距交会用户位置的确定卫星定位要解决的两个问题卫星位置可确定星站之间的距离可测量GPS介绍测距交会Ｐ１Ｐ２Ｐ３d1d2GPS介绍用户位置的确定1GPS介绍用户位置的确定2GPS介绍用户位置的确定3GPS介绍卫星定位的数学模型GPS介绍卫星定位要解决的两个问题卫星的位置已知广播星历精密星历卫星到测站(用户接收机)之间的距离伪距测量载波相位测量卫星信号的组成GPS介绍卫星位置的确定s1监测站2监测站3监测站4监测站１监测站5ρ1ρ2ρ3ρ4ρ5编制成导航电文注入卫星，再发送给用户GPS介绍GPS的信号组成GPS介绍伪距由卫星发射的测距码信号到达GPS接收机的传播时间乘以光速所得出的测量距离.':c伪距伪距测量包含的误差:1、卫星钟、接收机钟误差2、对流层、电离层延迟:真实几何距离GPS介绍伪距与星站几何距离关系kjtropiontctc关系：伪距与星站几何距离的tropion::对流层延迟改正电离层延迟改正kjtt::接收机钟差卫星钟差kjttc:c:改正量接收机钟差引起的距离正量卫星钟差引起的距离改GPS介绍伪距定位观测方程kjtropionjkjkjktctcZZYYXX2/1222))()()((j表示卫星k表示接收机共有四个未知数，需要列出四个观测方程。需要同时观测到四颗卫星的信号GPS介绍伪距单点定位解算数据GPS介绍GPS载波相位测量的基本原理GPS介绍载波相位实际观测值载波相位观测值T0时刻包含整周模糊度的观测值整周未知数（整周模糊度）后续ti时刻观测值:对整周变化进行计数kjkkkkjkttt)(0IntNtttjijkikijkIntt0tijN0jjkkjkNttt0000GPS介绍载波相位测量的观测方程)(0IntNtttjijkikijkkjtropionijkjkjkjktctctZZYYXX).())()()((2/1222载波相位观测量载波相位观测量是接收机和卫星位置的函数:tc1/Tf/c传播距离频率波速fT