(1)第一章GPS12

1、GNSS衛(wèi)星定位原理及應(yīng)用衛(wèi)星定位原理及應(yīng)用（Principles and Application of GNSS）第一章第一章 緒論緒論一、關(guān)于一、關(guān)于GNSS及產(chǎn)業(yè)及產(chǎn)業(yè)1.GNSS- Global Navigation Satellite System2.內(nèi)涵內(nèi)涵:包含四大導(dǎo)航系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品及服務(wù)包含四大導(dǎo)航系統(tǒng)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品及服務(wù)BDS(BeiDou(Compass) Navigation Satellite System)GALILEOGLONASSGPSGPS(Static Positioning)CORS GPS(Continuous Operational Refere

2、nce System)RTK GPS(Real Time Kinematic GPS)3. 產(chǎn)品、服務(wù)產(chǎn)品、服務(wù)產(chǎn)品：芯片、接收機(jī)及導(dǎo)航定位應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)品產(chǎn)品：芯片、接收機(jī)及導(dǎo)航定位應(yīng)用服務(wù)產(chǎn)品服務(wù)：自主或借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行導(dǎo)航定位服務(wù)：自主或借助移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行導(dǎo)航定位二、衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展二、衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展v衛(wèi)星定位技術(shù)經(jīng)歷了下列兩個(gè)階段衛(wèi)星定位技術(shù)經(jīng)歷了下列兩個(gè)階段:（1）衛(wèi)星僅是空間觀測(cè)目標(biāo)）衛(wèi)星僅是空間觀測(cè)目標(biāo) 這時(shí)階段也稱衛(wèi)星三角或衛(wèi)星測(cè)距階段，這時(shí)階段也稱衛(wèi)星三角或衛(wèi)星測(cè)距階段，20世紀(jì)世紀(jì)5070年代，主要用于大地網(wǎng)建立。年代，主要用于大地網(wǎng)建立。（2）衛(wèi)星是飛行中的已知點(diǎn)）衛(wèi)

3、星是飛行中的已知點(diǎn) 又分為：又分為：子午衛(wèi)星（美，子午衛(wèi)星（美，6顆星）和顆星）和CICADA（前蘇聯(lián)，前蘇聯(lián)，12顆星）定位；顆星）定位； 20世紀(jì)世紀(jì)5080年代初年代初全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GNSS，目前運(yùn)行或在建的系統(tǒng)目前運(yùn)行或在建的系統(tǒng)有四套；有四套；70年代初今年代初今三、三、GNSS四大系統(tǒng)概述四大系統(tǒng)概述1.美國美國GPS系統(tǒng)系統(tǒng)19731973年年1212月，美國國防部月，美國國防部(DOD-Department of Defense)批準(zhǔn)其陸批準(zhǔn)其陸?？杖娐?lián)合研制新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)海空三軍聯(lián)合研制新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS GPS 系統(tǒng)建設(shè)：系統(tǒng)建設(shè)：19731973

4、年年1212月以后，月以后，GPSGPS分三個(gè)階段建設(shè)：分三個(gè)階段建設(shè)：1 1）方案論證：）方案論證：1974-19781974-1978年年2 2）系統(tǒng)論證：）系統(tǒng)論證：1979-19871979-1987年年3 3）生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)：）生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)：1988-19931988-1993年年4 4月月19951995年年4 4月月2727日正式宣布：日正式宣布：GPSGPS系統(tǒng)具備全部動(dòng)作能力系統(tǒng)具備全部動(dòng)作能力FOC（Full Operation Capability），至此已投入超過，至此已投入超過200200億美元的資金。億美元的資金。系統(tǒng)構(gòu)成：衛(wèi)星星座、地面控制系統(tǒng)構(gòu)成：衛(wèi)星星座、地面控制和監(jiān)測(cè)

5、站、用戶設(shè)備三部分和監(jiān)測(cè)站、用戶設(shè)備三部分1 1）衛(wèi)星星座：）衛(wèi)星星座：衛(wèi)星數(shù)為衛(wèi)星數(shù)為21+3，分布在，分布在6根軌道上根軌道上，軌道平均高，軌道平均高度度20200Km軌道傾角為軌道傾角為55度，運(yùn)行度，運(yùn)行周期為恒星時(shí)周期為恒星時(shí)11h58min載波頻率載波頻率L1=1575.42MHz、L2=122760MHz星載高精度原子鐘四臺(tái)星載高精度原子鐘四臺(tái)現(xiàn)代化改造后將增加民現(xiàn)代化改造后將增加民用、軍用頻道各一個(gè)，衛(wèi)用、軍用頻道各一個(gè)，衛(wèi)星數(shù)量將達(dá)星數(shù)量將達(dá)3030顆以上顆以上GPS實(shí)際在軌衛(wèi)星數(shù)一般可達(dá)30顆以上，設(shè)計(jì)壽命7年，實(shí)際達(dá)11.5年， 2013年初在軌31顆。GPS信號(hào)傳播采用

6、碼分多址技術(shù)模式GPS星座的最新動(dòng)態(tài) 在2010年、2011年和2012.12月，GPS系統(tǒng)增加了按新功能要求設(shè)計(jì)的GPS衛(wèi)星-GPS IIF衛(wèi)星共3顆（波音公司），3顆衛(wèi)星一同加強(qiáng)星座能力，改善抗干擾能力并提高導(dǎo)航精確度，之后GPS系統(tǒng)還將有9顆（共12顆）GPS IIF衛(wèi)星在2013年發(fā)射并運(yùn)行。GPS IIF衛(wèi)星上增加了第三個(gè)民用L5信道，這是GPS系統(tǒng)為商業(yè)航線運(yùn)行和搜救任務(wù)提供支持的一個(gè)專用通道。第三代GPS衛(wèi)星BLOCK 正在設(shè)計(jì)中，其設(shè)計(jì)壽命為20年，年，星載原子鐘精度達(dá)到達(dá)到10-14秒秒。 2）地面控制部分）地面控制部分:一個(gè)主控站、三個(gè)注入站、五個(gè)監(jiān)測(cè)站一個(gè)主控站、三個(gè)注入

7、站、五個(gè)監(jiān)測(cè)站GPS系統(tǒng)星系統(tǒng)星-地運(yùn)行示意圖地運(yùn)行示意圖3）用戶部分）用戶部分:各類型接收機(jī)各類型接收機(jī)工作中的工作中的Trimble4600LS測(cè)量型接收機(jī)測(cè)量型接收機(jī)-晉煤集團(tuán)某礦晉煤集團(tuán)某礦4）民用信號(hào)下，GPS單點(diǎn)定位精度： 510米；軍用信號(hào)下，精度為12米。 （均指單點(diǎn)定位或稱絕對(duì)定位精度）（均指單點(diǎn)定位或稱絕對(duì)定位精度）5）GPS系統(tǒng)的外部增強(qiáng)系統(tǒng)系統(tǒng)的外部增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS（Wide area augmentation system）CORS (Continuous Operational Reference System)普及型使用的主要是地基增強(qiáng)系統(tǒng)普及型使用的主要是地基增

8、強(qiáng)系統(tǒng)CORS，現(xiàn)也被稱作現(xiàn)也被稱作連續(xù)運(yùn)行連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)衛(wèi)星定位綜合服務(wù)系統(tǒng)，可使用戶獲得，可使用戶獲得cm級(jí)實(shí)時(shí)定位精度級(jí)實(shí)時(shí)定位精度CORS的兩種主要定位模式的兩種主要定位模式我國多個(gè)省區(qū)建立了CORS網(wǎng)絡(luò)CORS網(wǎng)絡(luò)定位精度：實(shí)時(shí)差分GPS精度為cm級(jí)靜態(tài)定位可優(yōu)于1cm CORS GPS特點(diǎn)特點(diǎn) 初始化速度更快，享受網(wǎng)絡(luò)RTK 更高的精度，網(wǎng)絡(luò)基站差分 更大的范圍，手機(jī)和衛(wèi)星覆蓋 消除RTK GPS測(cè)量中的電臺(tái)信號(hào)死角，擺脫電臺(tái)通訊的影響 基站無人值守，全天候作業(yè)6）坐標(biāo)系統(tǒng)：）坐標(biāo)系統(tǒng)：WGS847）星歷形式：開普勒根數(shù)及其攝動(dòng)改正參數(shù)）星歷形式：開普勒根數(shù)及其攝動(dòng)改

9、正參數(shù)8）時(shí)間系統(tǒng)：）時(shí)間系統(tǒng)：GPST2.俄羅斯GLONASS系統(tǒng)（ Global Navigation Orbit Satellite System ）1）發(fā)展簡(jiǎn)史1982.10.12發(fā)射第一顆試驗(yàn)衛(wèi)星1996.01.18開始正常運(yùn)作，之后經(jīng)歷星座缺失再補(bǔ)，現(xiàn)正常運(yùn)行2)衛(wèi)星星座由24+1顆星構(gòu)成，分布在3根軌道上，軌道傾角64.8度，軌道間夾角120度，軌道平均高度19100km，運(yùn)行周期11h 15min 44s，因軌道傾角大，高緯度區(qū)域可視性好衛(wèi)星載波頻率：衛(wèi)星信號(hào)傳播采用頻分多址技術(shù)模式；L1頻率區(qū)間1.6021.616MHz；L2頻率區(qū)間1.2461.256MHz新一代GLONA

10、SS K衛(wèi)星除原有頻分多址頻信號(hào)外，增加了碼分多址的L1、L2、L3信號(hào)，以增強(qiáng)與其它系統(tǒng)的兼容性，衛(wèi)星設(shè)計(jì)壽命10年，并極大提高了衛(wèi)星鐘精度至10-14秒級(jí)，重996kg3)地面控制系統(tǒng)地面控制站組（GCS）：1個(gè)地面控制中心（莫斯科），1個(gè)指令跟蹤站另有地面同步器，遙測(cè)遙控站，外場(chǎng)導(dǎo)航控制設(shè)備4）用戶接收機(jī)5）定位精度：目前GLONASS已實(shí)現(xiàn)信號(hào)全球覆蓋，定位精度5.6m；計(jì)劃在2015年達(dá)到1.4m，2020年達(dá)到 0.6m（均指單點(diǎn)定位或稱絕對(duì)定位精度）均指單點(diǎn)定位或稱絕對(duì)定位精度） ；自2013年起，至2020年將發(fā)射13顆GLONASS-M和22顆GLONASS-K衛(wèi)星，以更新的

11、提高GLONASS的服務(wù)水平。6）特點(diǎn)：系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)7）坐標(biāo)系統(tǒng)：PZ-908）星歷形式：GLONASS星在PZ-90系統(tǒng)中的三維位置、速度及相關(guān)的攝動(dòng)改正項(xiàng)、加速度項(xiàng)注意：這一點(diǎn)與GPS系統(tǒng)是不同的。9）時(shí)間系統(tǒng)：GLONASST時(shí)間系統(tǒng)，時(shí)間原點(diǎn)與UTC相差3h（GPS時(shí)間與UTC相差為整數(shù)跳秒），時(shí)間尺度與ATI相同。服務(wù)：提供系統(tǒng)自主無源定位信號(hào)提供增強(qiáng)差分信號(hào)：通過俄Luch-5A同步軌道衛(wèi)星（空基增強(qiáng)系統(tǒng)）所攜帶的差分校正監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)換器（SDCM），于2012年底開始發(fā)送差分信號(hào)（先提供GPS差分信號(hào)，之后增加GLONASS差分信號(hào)）附：附：PZ-90坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)坐標(biāo)系統(tǒng)名稱：

12、PZ-90坐標(biāo)系，CTS系統(tǒng)?；鶞?zhǔn)（橢球）平均半徑Re=6378136m地球自轉(zhuǎn)角速度=0.000 072 921 15rad/s地球引力常數(shù)GMe=398 600.4km3/s2地球重力場(chǎng)系數(shù) -0.001 082 633.歐洲歐洲Galileo系統(tǒng)系統(tǒng) （Galileo Navigation Satellite System）1）星座星座27+3星座由中等高度（MEO）衛(wèi)星27+3顆組成。軌道均高23616km，分布在3根軌道上，毎根軌道上有10顆衛(wèi)星。目前，有部分衛(wèi)星在軌運(yùn)行，衛(wèi)星重625kg，設(shè)計(jì)壽命15年。軌道圴高23616km，軌道傾角562)地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分30個(gè)監(jiān)測(cè)站，

13、5個(gè)遙測(cè)、遙控和跟蹤站，5個(gè)C波段注入站，2個(gè)控制中心，1個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的高性能通信網(wǎng)絡(luò)3）用戶部分）用戶部分 Galileo或與其兼容的接收機(jī)4）服務(wù)）服務(wù) 提供下列5種服務(wù)提供無償公開服務(wù)（Open Service)：精度：4m(平面)，8m(高程)；付費(fèi)商業(yè)服務(wù)（Commercial Service)精度：10cm；公共規(guī)范服務(wù)（Public Regulated Service）為國際民航組織（ICAO）和國際海事組織（IMO）提供生命安全服務(wù)（Safety of Life Service）基于國際搜救系統(tǒng)（CSS）的全球搜索救援服務(wù)（SAR)。2012年年12月月27日北斗系統(tǒng)投入對(duì)亞太地區(qū)

14、的服務(wù)運(yùn)營日北斗系統(tǒng)投入對(duì)亞太地區(qū)的服務(wù)運(yùn)營1）空間段空間段由由5顆顆GEO（地球同步軌道）衛(wèi)星和地球同步軌道）衛(wèi)星和30顆非同步軌道顆非同步軌道 MEO（中高軌道）、中高軌道）、IGSO（極軌衛(wèi)星）衛(wèi)星組成，設(shè)計(jì)壽命極軌衛(wèi)星）衛(wèi)星組成，設(shè)計(jì)壽命8年年衛(wèi)星原子鐘精度衛(wèi)星原子鐘精度1/2000萬秒萬秒，信號(hào)傳播采用頻分多址技術(shù)，信號(hào)傳播采用頻分多址技術(shù)2）地面段）地面段主控站、監(jiān)控站主控站、監(jiān)控站注入站構(gòu)成注入站構(gòu)成3）用戶段）用戶段接收機(jī)、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)接收機(jī)、廣域增強(qiáng)系統(tǒng)地基增強(qiáng)系統(tǒng)地基增強(qiáng)系統(tǒng)4.BDS系統(tǒng)系統(tǒng)(BeiDou(Compass) Navigation Satellite Sys

15、tem)4）定位精度：民）定位精度：民10米，軍用可達(dá)米，軍用可達(dá)1米米（均指單點(diǎn)定位或稱均指單點(diǎn)定位或稱絕對(duì)定位精度）絕對(duì)定位精度） 5）特點(diǎn)：雙向短報(bào)文功能）特點(diǎn)：雙向短報(bào)文功能36）坐標(biāo)系統(tǒng)：）坐標(biāo)系統(tǒng)：CGCS2000BDS建設(shè)歷程建設(shè)歷程第一步：第一步：BDS試驗(yàn)系統(tǒng)于試驗(yàn)系統(tǒng)于2003年建成，星年建成，星座由三顆同步軌座由三顆同步軌道靜止衛(wèi)星道靜止衛(wèi)星（GEO）構(gòu)成，構(gòu)成，目前第一步已完目前第一步已完成成第二步：第二步：建設(shè)建設(shè)BDS區(qū)域網(wǎng)，覆區(qū)域網(wǎng)，覆蓋東亞地區(qū)，星座由蓋東亞地區(qū)，星座由16顆衛(wèi)星構(gòu)成，其中顆衛(wèi)星構(gòu)成，其中14顆提供服務(wù)；顆提供服務(wù)；14顆顆服務(wù)星的構(gòu)成：服務(wù)星的

16、構(gòu)成：5顆顆GEO5顆顆IGSO4顆顆MEO區(qū)域網(wǎng)系統(tǒng)已于區(qū)域網(wǎng)系統(tǒng)已于2012年年12月月27日投入運(yùn)行日投入運(yùn)行 ，已經(jīng)具備為整個(gè)亞太已經(jīng)具備為整個(gè)亞太地區(qū)提供正式服務(wù)的地區(qū)提供正式服務(wù)的能力能力。第三步：第三步：2020年之年之前建成前建成BDS系統(tǒng)的全球系統(tǒng)的全球系統(tǒng)。系統(tǒng)。BDS與美國的第與美國的第二代二代GPS基基本相當(dāng)，水本相當(dāng)，水平方向優(yōu)于平方向優(yōu)于10米，高空米，高空方向優(yōu)于方向優(yōu)于15米，測(cè)速精米，測(cè)速精度優(yōu)于度優(yōu)于0.2米米/秒。秒。BDS系統(tǒng)標(biāo)志圖系統(tǒng)標(biāo)志圖四、目前我國衛(wèi)星已采用的較先進(jìn)衛(wèi)星技術(shù)：四、目前我國衛(wèi)星已采用的較先進(jìn)衛(wèi)星技術(shù)：空間新型數(shù)字三軸穩(wěn)定系統(tǒng)；空間新型

17、數(shù)字三軸穩(wěn)定系統(tǒng)；液浮速率陀螺取代了二自由度機(jī)械陀螺；液浮速率陀螺取代了二自由度機(jī)械陀螺；超大規(guī)模集成電路雙機(jī)熱備份電腦進(jìn)行姿態(tài)控制；超大規(guī)模集成電路雙機(jī)熱備份電腦進(jìn)行姿態(tài)控制；遙控分系統(tǒng)指令容量大大增強(qiáng)；遙控分系統(tǒng)指令容量大大增強(qiáng)；指令加密由簡(jiǎn)單固定編碼改為二次組合編碼；指令加密由簡(jiǎn)單固定編碼改為二次組合編碼；遙控?cái)?shù)據(jù)傳輸通道；遙控?cái)?shù)據(jù)傳輸通道；遙測(cè)分系統(tǒng)采用微機(jī)可編程形式；遙測(cè)分系統(tǒng)采用微機(jī)可編程形式；遙測(cè)信號(hào)下行通道能以中高速率實(shí)時(shí)傳送參數(shù)；遙測(cè)信號(hào)下行通道能以中高速率實(shí)時(shí)傳送參數(shù)；跟蹤測(cè)軌分系統(tǒng)的單脈沖雷達(dá)應(yīng)答機(jī)具有了多站觸發(fā)功能，跟蹤測(cè)軌分系統(tǒng)的單脈沖雷達(dá)應(yīng)答機(jī)具有了多站觸發(fā)功能，以

18、多站交匯測(cè)軌提高精度；以多站交匯測(cè)軌提高精度；采用長焦距、大視場(chǎng)、高精度鈦合金攝影測(cè)量物鏡，視場(chǎng)大采用長焦距、大視場(chǎng)、高精度鈦合金攝影測(cè)量物鏡，視場(chǎng)大于七十度于七十度五五.GPS系統(tǒng)的進(jìn)展系統(tǒng)的進(jìn)展綜合GPS系統(tǒng)的主要制造商美國Boeing和Lockheed Martin公司消息：兩公司正在建造GPS IIF衛(wèi)星和研制GPS 代星，用以改進(jìn)現(xiàn)有GPS星座（28顆）。GPS IIF衛(wèi)星衛(wèi)星將使GPS的性能發(fā)生質(zhì)的飛躍：新增L5商用信號(hào)通道，信號(hào)容量增加到原來的3倍；定位精度會(huì)大幅提高；系統(tǒng)信號(hào)傳播速度更快；星上的原子鐘更精確，精度達(dá)到1/10億秒；使用了新的抗干擾技術(shù)；其它關(guān)于GPS系統(tǒng)的信息G

19、PS現(xiàn)在使用的舊型號(hào)衛(wèi)星實(shí)際使用壽命大于11.5年； GPS 三代星BLOCK 研制進(jìn)展順利，設(shè)計(jì)壽命20年，在抗干擾能力、信號(hào)傳輸速度、可達(dá)到的定位精度（特許用戶可達(dá)到的精度）等主要技術(shù)指標(biāo)方面將有更大突破GPS終端設(shè)備與手機(jī)集成率高達(dá)80%相對(duì)于BDS，GPS芯片體積更小，耗電水平更低仍穩(wěn)定占有90%的GNSS市場(chǎng)，在中國則超過95%關(guān)于GPS系統(tǒng)衛(wèi)星更新信息截止2012年底，GPS IIF衛(wèi)星已經(jīng)發(fā)射三顆，如現(xiàn)有計(jì)劃不改變的話，將現(xiàn)有的GPS星全部升級(jí)至GPS IIF，需到2020年左右；屆時(shí)，GPS星座將由30顆GPS IIF 星構(gòu)成。如果獲得批準(zhǔn)，2014年后美國將不再發(fā)射GPS IIF衛(wèi)星，而是直接升級(jí)至GPS 代星BDS二代與現(xiàn)有的GPS比較，僅從定位精度數(shù)據(jù)上看，北斗二代的精度與現(xiàn)有的GPS基本相當(dāng)，但到2020年時(shí)，如果北斗系統(tǒng)僅是實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，系統(tǒng)技術(shù)水平不能同步提升的話，BDS與GPS同精度可能成為過去式。中國在衛(wèi)星