章衛(wèi)星定位測(cè)量學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1第一頁(yè)，共33頁(yè)。16:26219571957年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，年世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功，4040年來(lái)，年來(lái)，人造地球衛(wèi)星技術(shù)在通信、氣象、資源勘察、導(dǎo)航、遙人造地球衛(wèi)星技術(shù)在通信、氣象、資源勘察、導(dǎo)航、遙感感(yogn)(yogn)、大地測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)、天文學(xué)和軍事、大地測(cè)量、地球動(dòng)力學(xué)、天文學(xué)和軍事科學(xué)等眾多領(lǐng)域，得到了極廣泛應(yīng)用?？茖W(xué)等眾多領(lǐng)域，得到了極廣泛應(yīng)用。第1頁(yè)/共33頁(yè)第二頁(yè)，共33頁(yè)。16:263人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，首先引起了各國(guó)軍事部門的高度重視。1958年底，美國(guó)海軍武器(wq)實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始著手建立為美國(guó)海軍艦艇導(dǎo)航的衛(wèi)星系統(tǒng)，即“海

2、軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（Navy Navigation Satellite SystemNNSS）。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星都通過(guò)地極，也稱“子午(Transit)衛(wèi)星系統(tǒng)”。1964年該系統(tǒng)建成，并在美國(guó)軍方啟用。1967年美國(guó)政府批準(zhǔn)該系統(tǒng)解密，提供民用。該系統(tǒng)不受氣象條件的限制，自動(dòng)化程度高，具有良好的定位精度。第2頁(yè)/共33頁(yè)第三頁(yè)，共33頁(yè)。16:264盡管NNSS在導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展中具有劃時(shí)代的意義，但由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目少（5-6顆），運(yùn)行軌道低（1000km ）,觀測(cè)(gunc)時(shí)間長(zhǎng)（1.5小時(shí)），無(wú)法提供連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航，同時(shí)獲得一次導(dǎo)航解的時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足軍事要求，尤其是高動(dòng)態(tài)目標(biāo)（飛機(jī)、導(dǎo)

3、彈等）導(dǎo)航要求。而從大地測(cè)量看，定位速度慢，一個(gè)測(cè)站一般平均觀測(cè)(gunc)1-2天；精度低，單點(diǎn)定位精度3-5m，相對(duì)定位精度1m，使得在大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)研究方面的應(yīng)用，也受到很大限制。第3頁(yè)/共33頁(yè)第四頁(yè)，共33頁(yè)。16:265 為滿足軍事和民用對(duì)連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求，1973年美國(guó)國(guó)防部開(kāi)始組織陸?？杖姡餐芯拷⑿乱淮l(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)劃，這就是目前所稱的“導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)測(cè)距/全球定位系統(tǒng)”（Navigation Satellite Timing and ranging / Global Positioning System）簡(jiǎn)稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。 為使GPS具有(

4、jyu)高精度連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航和定位能力，以及良好的抗干擾性能，在設(shè)計(jì)上采取了若干改善措施。第4頁(yè)/共33頁(yè)第五頁(yè)，共33頁(yè)。16:266GPS系統(tǒng)(xtng)的特點(diǎn)u 全球性連續(xù)覆蓋，全天候工作u 定位精度高u 觀測(cè)時(shí)間短u 測(cè)站(c zhn)間無(wú)需通視u 可提供三維坐標(biāo)u 操作簡(jiǎn)便u 功能多，用途廣第5頁(yè)/共33頁(yè)第六頁(yè)，共33頁(yè)。16:267非特許用戶非特許用戶(yngh)對(duì)美國(guó)限制性對(duì)美國(guó)限制性政策的措施政策的措施uGLONASS 全球?qū)Ш叫l(wèi)星(wixng)系統(tǒng)uGalileo系統(tǒng)u北斗系統(tǒng)：我國(guó)的第一代衛(wèi)星(wixng)導(dǎo)航系統(tǒng)第6頁(yè)/共33頁(yè)第七頁(yè)，共33頁(yè)。16:268u類似于G

5、PS，是俄羅斯以空間為基礎(chǔ)(jch)的無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)u其前身CICADA與子午系統(tǒng)同期，于1965年設(shè)計(jì)，有12 u 顆衛(wèi)星；u20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始啟動(dòng)GLONASS計(jì)劃u1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星u1996年1月18日，完成24顆衛(wèi)星的布局，衛(wèi)星具備完全工作能力u由于經(jīng)濟(jì)原因，現(xiàn)在天空上的GLONASS衛(wèi)星僅為8顆。第7頁(yè)/共33頁(yè)第八頁(yè)，共33頁(yè)。16:269第8頁(yè)/共33頁(yè)第九頁(yè)，共33頁(yè)。16:2610GPSGLONASS衛(wèi)星星座21+321+3軌道平面6 個(gè)軌道面3 個(gè)軌道面軌道傾角55。64.8。軌道高度20,200km19,123km運(yùn)行周期11 小時(shí)

6、 58 分鐘11 小時(shí) 15 分鐘星歷數(shù)據(jù)軌道開(kāi)普勒根數(shù)地心直角坐標(biāo)衛(wèi)星尋址CDMA（碼分多址）不同的衛(wèi)星采用不同的PRN碼加以區(qū)分FDMA（頻分多址）（L1 ） 1602+k ?/16 MHz（L2 ） 1246+k?/16MHz載波頻率L1 ： 1575.42MHzL2 ： 1227.6MHz1602.5625MHz1615.5MHz1246.4375MHz1256.5MHz基準(zhǔn)坐標(biāo)系WGS-84PZ-90測(cè)距碼偽隨機(jī)噪聲碼偽隨機(jī)噪聲碼碼元數(shù)1023 bit511 bit碼周期1 ms1 ms碼頻率1.023 MHz0.511 MHz時(shí)間基準(zhǔn)GPS時(shí)統(tǒng)，與 UTC保持一定的差值，無(wú)跳秒GL

7、ONASS時(shí)統(tǒng)，經(jīng)常調(diào)整與UTC保持一致，有跳秒導(dǎo)航電文37500 bits ，持續(xù) 750 秒7500 bits ，持續(xù) 150 秒第9頁(yè)/共33頁(yè)第十頁(yè)，共33頁(yè)。16:2611u背景：GLONASS在軌衛(wèi)星缺失，GPS獨(dú)霸市場(chǎng)u GLONASS、GPS均由軍方控制u歐盟：建立國(guó)際民間控制的或歐盟自己的民用導(dǎo)航系統(tǒng)u特點(diǎn)：共享的獨(dú)立于GPS的無(wú)增強(qiáng)條件下的適于海陸空 u 的系統(tǒng)。參股共建，收費(fèi)。u階段：u （一）2000年前，可行性評(píng)估或定義u （二）20012005，開(kāi)發(fā)和檢測(cè)u （三）20062007，部署u （四）2008，商業(yè)(shngy)運(yùn)行第10頁(yè)/共33頁(yè)第十一頁(yè)，共33頁(yè)。

8、16:26121. 打破美國(guó)在這方面的壟斷地位，為歐盟贏得可觀(kgun)的 市場(chǎng)份額。權(quán)威部門預(yù)計(jì)：伽利略計(jì)劃將為歐盟創(chuàng)造 萬(wàn)個(gè)高技術(shù)含量的就業(yè)崗位；每年經(jīng)濟(jì)收益有 億歐元之多；僅出售航空和航海終端設(shè)備一項(xiàng)就 可在年至年將獲得億歐元收入2. 歐盟開(kāi)發(fā)此項(xiàng)目可為歐盟現(xiàn)在極力提倡的歐洲共同安全 防御政策服務(wù)。3. 歐盟認(rèn)為，沒(méi)有科技上的領(lǐng)先地位，歐盟在將來(lái)許多事 務(wù)中就沒(méi)有主導(dǎo)權(quán)。 第11頁(yè)/共33頁(yè)第十二頁(yè)，共33頁(yè)。16:2613 伽利略計(jì)劃的資金預(yù)計(jì)為32億到36億歐元 系統(tǒng)由30顆高軌道衛(wèi)星組成，分布在軌道高度為 2.4萬(wàn)千米、傾角為56度的3個(gè)軌道面上。 基礎(chǔ)設(shè)施包括天基和地基兩部分。

9、 衛(wèi)星將為用戶提供精確的時(shí)間和誤差不超過(guò)一米 的全球精確定位服務(wù)，與美國(guó)(mi u)GPS和俄羅斯的 GLONASS爭(zhēng)奪市場(chǎng)。 第12頁(yè)/共33頁(yè)第十三頁(yè)，共33頁(yè)。16:2614目的：快速定位、實(shí) 時(shí)導(dǎo)航，簡(jiǎn)短通 訊，精密授時(shí) 由兩顆地球同步軌道衛(wèi)星組成星座(xngzu)，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單第13頁(yè)/共33頁(yè)第十四頁(yè)，共33頁(yè)。16:2615第14頁(yè)/共33頁(yè)第十五頁(yè)，共33頁(yè)。16:2616第15頁(yè)/共33頁(yè)第十六頁(yè)，共33頁(yè)。16:26177.2.1 7.2.1 空間空間(kngjin)(kngjin)衛(wèi)星衛(wèi)星共24顆衛(wèi)星，其中3顆備用，分布在6個(gè)軌道面上。軌道面相對(duì)地球赤道面的傾角為550，

10、各軌道平面升交點(diǎn)赤經(jīng)相差600，相鄰軌道上衛(wèi)星的升交距角相差300。軌道平均高度約20200km，運(yùn)行周期11h58m。因此，同一測(cè)站上每天出現(xiàn)衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5小時(shí)在地平線以上，同時(shí)(tngsh)位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時(shí)間地點(diǎn)而異，最少4顆，最多達(dá)11顆。第16頁(yè)/共33頁(yè)第十七頁(yè)，共33頁(yè)。16:2618第17頁(yè)/共33頁(yè)第十八頁(yè)，共33頁(yè)。16:2619u 銫原子鐘u 計(jì)算機(jī)u 2塊7m2的太陽(yáng)能翼板u 無(wú)線電收發(fā)(shuf)兩用機(jī)u 導(dǎo)航荷載（接收數(shù)據(jù)， u 發(fā)射測(cè)距和導(dǎo)航數(shù)據(jù)）u 姿態(tài)控制和太陽(yáng)能板指 u 向系統(tǒng)第18頁(yè)/共33頁(yè)第十九頁(yè)

11、，共33頁(yè)。16:26201. 第一代Block1型用于系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)， 稱實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，共研制和發(fā)射(fsh)了11顆，設(shè)計(jì)壽命5年，現(xiàn)已停止工作。2. 2.第二代Block2和2A型衛(wèi)星稱為工作衛(wèi)星，共研制了28顆，設(shè)計(jì)壽命7.5年，從1989年初到1994年上半年發(fā)射(fsh)完畢。3. 3.第三代Block3和2R型衛(wèi)星尚在設(shè)計(jì)中，預(yù)計(jì)20顆，以取代第二代衛(wèi)星，改善全球定位系統(tǒng)。第19頁(yè)/共33頁(yè)第二十頁(yè)，共33頁(yè)。16:26211. 接收和存儲(chǔ)由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航信息， 接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令。2. 利用衛(wèi)星上的微處理機(jī)，對(duì)部分必要的數(shù)據(jù) 進(jìn)行處理。3. 通過(guò)星載的原子鐘提供精密的時(shí)間標(biāo)

12、準(zhǔn)。4. 向用戶發(fā)送(f sn)定位信息。5. 在地面監(jiān)控站的指令下，通過(guò)推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi) 星姿態(tài)和啟用備用衛(wèi)星。GPS衛(wèi)星衛(wèi)星(wixng)的的基本功能基本功能第20頁(yè)/共33頁(yè)第二十一頁(yè)，共33頁(yè)。16:2622 7.2.2 7.2.2 地面監(jiān)控地面監(jiān)控(jin kn)(jin kn)部部分分 GPS GPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的的地面監(jiān)控部分由分布在全球的5 5個(gè)地面站個(gè)地面站組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站（組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站（5 5個(gè)）、主控站（個(gè)）、主控站（1 1個(gè)）和注入站（個(gè)）和注入站（3 3個(gè)）個(gè)）1 1、 監(jiān)測(cè)站：是主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采監(jiān)測(cè)站：是主控站直接控制下的數(shù)

13、據(jù)自動(dòng)采集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPSGPS接收機(jī)、高精度原子鐘接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)1 1臺(tái)和若干臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。觀測(cè)臺(tái)和若干臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。觀測(cè)(gunc)(gunc)資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理，存儲(chǔ)并資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理，存儲(chǔ)并傳輸?shù)街骺卣?，以確定衛(wèi)星軌道。傳輸?shù)街骺卣?，以確定衛(wèi)星軌道。第21頁(yè)/共33頁(yè)第二十二頁(yè)，共33頁(yè)。16:2623主控站主控站監(jiān)控站監(jiān)控站監(jiān)控站監(jiān)控站注入站注入站/監(jiān)控站監(jiān)控站注入站注入站/監(jiān)控站監(jiān)控站注入站注入站/監(jiān)控站監(jiān)控站控制站的分布控制站的分布(fnb)夏威夷夏威夷卡瓦加蘭卡瓦加蘭狄哥狄哥伽西亞伽西亞(X Y)阿松森島阿

14、松森島科羅拉多科羅拉多第22頁(yè)/共33頁(yè)第二十三頁(yè)，共33頁(yè)。16:26242 2、主控站、主控站 除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務(wù)：除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務(wù)：1 1）根據(jù)本站和其它監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)資料，推算編制各衛(wèi)星）根據(jù)本站和其它監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到注入的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳送到注入站。站。2 2）提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。各監(jiān)測(cè)站和）提供全球定位系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。各監(jiān)測(cè)站和GPSGPS衛(wèi)星的衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，測(cè)出其間的鐘差，原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，測(cè)出其間的鐘差，將鐘

15、差信息編入導(dǎo)航電文將鐘差信息編入導(dǎo)航電文(dinwn)(dinwn)，送入注入站。，送入注入站。3 3）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行。）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行。4 4）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。第23頁(yè)/共33頁(yè)第二十四頁(yè)，共33頁(yè)。16:26253 3、注入站：、注入站： 主要設(shè)備為主要設(shè)備為1 1臺(tái)直徑臺(tái)直徑3.6m3.6m的天線、的天線、1 1臺(tái)臺(tái)c c波段發(fā)射波段發(fā)射機(jī)和機(jī)和1 1臺(tái)計(jì)算機(jī)。主要任務(wù)是在主控站的控制下，臺(tái)計(jì)算機(jī)。主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制將主控站推算和編制(binzh)(binzh)的衛(wèi)星

16、星歷、鐘的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)注入信息的正確性。的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)注入信息的正確性。整個(gè)整個(gè)GPSGPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無(wú)人系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無(wú)人值守。各站間用現(xiàn)代化通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，在原子鐘和值守。各站間用現(xiàn)代化通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，在原子鐘和計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制下，實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制下，實(shí)現(xiàn)高度的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化。第24頁(yè)/共33頁(yè)第二十五頁(yè)，共33頁(yè)。16:2626GPS地面控制部分地面控制部分(b fen)的作用的作用負(fù)責(zé)監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作： 監(jiān)測(cè)衛(wèi)星

17、是否正常工作，是否沿預(yù)定的軌道運(yùn)行(ynxng) 跟蹤計(jì)算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，由衛(wèi)星 通過(guò)導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶 保持各顆衛(wèi)星的時(shí)間同步 必要時(shí)對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行調(diào)度第25頁(yè)/共33頁(yè)第二十六頁(yè)，共33頁(yè)。16:26277.2.3 GPS7.2.3 GPS用戶設(shè)備用戶設(shè)備(shbi)(shbi)部分部分 GPS接收機(jī) 接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的無(wú)線電設(shè)備 GPS接收機(jī)的組成 天線、接收機(jī)、處理器、控制顯示單元、電源 GPS接收機(jī)的作用(zuyng) 接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，以獲得必要的定位信息和觀測(cè)量，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理而完成定位工作第26頁(yè)/共33頁(yè)第二十七頁(yè)，共33頁(yè)。16:262

18、8第27頁(yè)/共33頁(yè)第二十八頁(yè)，共33頁(yè)。16:2629第28頁(yè)/共33頁(yè)第二十九頁(yè)，共33頁(yè)。16:2630第29頁(yè)/共33頁(yè)第三十頁(yè)，共33頁(yè)。16:2631GPS接收機(jī)類型接收機(jī)類型(lixng)按接收機(jī)用途劃分：導(dǎo)航型：用于確定船舶(chunb)、車輛、飛機(jī)等運(yùn)載體的實(shí)時(shí)位置和速度，保障按預(yù)定路線航行或選擇最佳路線。采用測(cè)碼偽距為觀測(cè)量的單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位或差分GPS定位，精度低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛。測(cè)量型接收機(jī)：采用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行相對(duì)定位，精度高。觀測(cè)數(shù)據(jù)可測(cè)后處理或?qū)崟r(shí)處理（RTK），需配備功能完善的數(shù)據(jù)處理軟件。與導(dǎo)航型相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。授時(shí)型接收機(jī)：主要用于天文臺(tái)或地面監(jiān)控站，進(jìn)行時(shí)頻同步測(cè)定。第30頁(yè)/共33頁(yè)第三十一頁(yè)，共33頁(yè)。16:2632GPS接收機(jī)天線接收機(jī)天線(tinxin)天線的基本作用是把來(lái)自于衛(wèi)星信號(hào)的能量(nngling)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流，并經(jīng)前置放大器進(jìn)行頻率變換，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤、處理和量測(cè)。