《GPS原理及应用》武大黄劲松版

12004，武汉大学测绘学院卫星应用研究所黄劲松GPS原理及应用GPS原理及应用课程内容•第1讲GPS概况第2讲GPS测量定位误差源第3讲GPS测量定位原理第4讲GPS网的布设第5讲GPS数据处理第6讲GPS测高第7讲GPS应用课程内容2004，武汉大学测绘学院卫星应用研究所黄劲松第1讲GPS概况GPS原理及应用1.GPS的组成GPS的组成GPS原理及应用什么是全球定位系统全球定位系统GPS的英文全称–NAVigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositioningSystem（导航星测时与测距全球定位系统），简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。Wooden1985年所给出的定义–NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个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的组成什么是全球定位系统GPS原理及应用GPS概要①建立国家–美国目的–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开始筹建时间–1973年完全建成时间–1995年GPS的组成GPS概要①2GPS原理及应用GPS概述②系统构成–空间部分、地面控制部分、用户部分服务方式–通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务定位原理–距离交会测距原理–被动式电磁波测距特点–全球覆盖、全天候、不间断、精度高GPS的组成全球定位系统GPS概述②GPS原理及应用全球定位系统简史①1957年10月4日第一颗人造卫星SputnikI（苏）发射成功。1958年12月开始设计NNSS(NavyNavigationSatelliteSystem)–TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月系统解密以供民用。1973年12月，美国国防部（DOD–DepartmentofDefense）批准研制GPS。1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。GPS的组成全球定位系统简史①GPS原理及应用全球定位系统简史②1993年，国际性的GPS民间组织IGS–InternationalGPSServiceforGeodymics成立。1995年7月17日，GPS达到FOC–完全运行能力（FullOperationalCapability）。1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆，进行GPS现代化。1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束翻转(EOW)问题。2000年1月1日，Y2K问题。2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施SA–一种人为降低GPS导航定位精度的措施。（实际停止实施SA是5月2日）GPS的组成全球定位系统简史②GPS原理及应用GPS的系统组成空间部分地面监控部分用户部分GPSGPSGPSGPS的组成GPS的系统组成GPS原理及应用GPS的空间部分①GPS的空间部分的组成–GPS卫星星座GPS的组成GPS的空间部分①GPS原理及应用GPS的空间部分②GPS卫星星座–设计星座21(工作卫星)+3(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8颗卫星–当前星座：28颗GPS的组成GPS的空间部分②3GPS原理及应用GPS的空间部分③GPS的组成GPS的空间部分③GPS原理及应用GPS的空间部分④GPS卫星的地面轨迹GPS的组成GPS的空间部分④GPS原理及应用GPS的空间部分⑤GPS卫星–作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。–主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置GPS的组成GPS的空间部分⑤GPS原理及应用GPS卫星（续）–类型试验卫星：BlockⅠ工作卫星：BlockⅡ–BlockⅡ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力–BlockⅡA（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜–BlockⅡR（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯–BlockⅡF（FollowOn）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率GPS的空间部分⑥GPS的组成GPS的空间部分⑥GPS原理及应用GPS的空间部分⑦BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同类型的GPS卫星GPS的组成GPS的空间部分⑦GPS原理及应用GPS的空间部分⑧当前的卫星状态GPS的组成GPS的空间部分⑧SUBJ:GPSSTATUS26MAR20041.SATELLITES,PLANES,ANDCLOCKS(CS=CESIUMRB=RUBIDIUM):A.BLOCKI:NONEB.BLOCKII:PRNS1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,13,14,15PLANE:SLOTF4,B5,C2,D4,B4,C1,C4,A3,A1,E3,D2,F3,F1,D5CLOCK:CS,CS,CS,RB,CS,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,CSBLOCKII:PRNS16,17,18,20,21,22,24,25,26,27,28,29,30,31PLANE:SLOTB1,D6,E4,E1,D3,E2,D1,A2,F2,A4,B3,F5,B2,C3CLOCK:RB,RB,RB,RB,RB,RB,CS,CS,RB,RB,RB,RB,RB,RB4GPS原理及应用GPS的地面监控部分①地面监控部分（GroundSegment）–组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统GPS卫星注入站监测站主控站GPS的组成GPS的地面监控部分①GPS原理及应用主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋GPS的地面监控部分②地面监控部分（GroundSegment）（续）–分布GPS的组成GPS的地面监控部分②GPS原理及应用GPS的地面监控部分③地面监控部分（GroundSegment）（续）–作用主控站–管理、协调地面监控系统各部分的工作–编算广播星历－轨道参数、卫星钟改正数等–调整卫星状态–调度卫星监测站–对卫星进行跟踪观测–记录气象数据–将数据传送到主控站注入站–向卫星注入导航电文和指令等通讯与辅助系统–负责各部分间的通讯及数据传送GPS的组成GPS的地面监控部分③GPS原理及应用GPS的用户部分①组成–用户–接收设备接收设备–GPS信号接收机–其它仪器设备GPS的组成GPS的用户部分①GPS原理及应用GPS的用户部分②GPS信号接收机–组成天线单元–带前置放大器–接收天线接收单元–信号通道–存储器–微处理器–输入输出设备–电源天线单元接收单元GPS的组成GPS的用户部分②GPS原理及应用GPS的用户部分③天线单元–类型单极天线微带天线锥形（螺旋）天线–四丝螺旋天线–空间螺旋天线背腔平面盘旋天线单极天线微带天线空间螺旋天线四丝螺旋天线背腔平面盘旋天线GPS天线GPS的组成GPS的用户部分③5GPS原理及应用GPS的用户部分④天线单元（续）–特点单极天线–单频获双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单微带天线–结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛锥形（螺旋）天线–四丝螺旋天线–单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板–空间螺旋天线–双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称背腔平面盘旋天线GPS的组成GPS的用户部分④GPS原理及应用GPS的用户部分⑤天线单元–天线特性相位中心、增益方式、带宽、极化–相位中心平均相位中心与几何中心相位中心的偏移相位中心偏移的消除：归心改正、消去法天线高–标志至平均相位中心所在平面的垂直距离L2的平均相位中心θ1θ2L1的平均相位中心θθsincos⋅−=⋅−=rYYrXX平均相位中心几何中心平均相位中心几何中心r1r2H’H∆HH’hHRhHHH∆+−=∆+=22'RGPS的组成GPS的用户部分⑤GPS原理及应用GPS的用户部分⑥接收单元–接收（信号）通道定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等–存储器–微处理器作用：数据处理、控制–输入输出设备–电源前置放大器信号通道天线观测值GPS的组成GPS的用户部分⑥GPS原理及应用空间定位技术及应用全球定位系统的组成及信号结构用户部分GPS的用户部分⑦信号通道微处理器输入输出存储器电源GPS的组成GPS的用户部分⑦GPS原理及应用2.GPS卫星信号结构GPS卫星信号结构GPS原理及应用概述GPS卫星信号的组成部分–载波（Carrier）L1L2–测距码（RangingCode）C/A码（目前只被调制在L1上）P(Y)码（被分别调制在L1和L2上）–卫星（导航）电文（Message）GPS卫星信号的生成–关键设备–原子钟GPS卫星信号结构概述6GPS原理及应用GPS卫星的基准频率f0由卫星上的原子钟直接产生频率为10.23MHz卫星信号的所有成分均是该基准频率的倍频或分频1012020001541575.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffffCAfPffHzλλ=×===×===÷====÷=码码率码码率卫星（导航）电文码率GPS卫星信号结构GPS卫星的基准频率GPS原理及应用载波①作用–搭载其它调制信号–测距–测定多普勒频移类型–目前L1–频率：154×f0=1575.43MHz；波长：19.03cmL2–频率：120×f0=1227.60MHz；波长：24.42cm–现代化后增加L5–频率：115×f0=1176.45MHz；波长：25.48cmL119.03cmL224.42cmGPS卫星信号结构载波①GPS原理及应用载波②特点–所选择的频率有利于测定多普勒频移–所选择的频率有利于减弱信号所受的电离层折射影响–选择两个频率可以较好地消除信号的电离层折射延迟（电离层折射延迟于信号的频率有关）GPS卫星信号结构载波②GPS原理及应用测距码①作用–测距性质–为伪随机噪声码（PRN－PseudoRandomNoise）–不同的码（包括未对齐的同一组码）间的相关系数为0或1/n（n为码元数）–对齐的同一组码间的相关系数为1GPS卫星信号结构测距码①GPS原理及应用测距码②类型–目前C/A码（Coarse/AcquisitionCode）–粗码/捕获码；码率：1.023MHz；周期：1ms；1周期含码元数：1023；码元宽度：293.05m；仅被调制在L1上P（Y）码（PreciseCode）–精码；码率：10.23MHz；周期：7天；1周期含码元数：6187104000000；码元宽度：29.30m；被调制在L1和L2上–现代化后在L2上调制C/A码在L1和L2增加调制M码GPS卫星信号结构测距码②GPS原理及应用卫星（导航）电文①作用：向用户提供卫星轨道参数、卫星钟参数、卫星状态信息及其它信息基本结构...第1字遥遥