第一節(jié)GPS的組成概況分析.ppt

1、,一、GPS的建立1子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡(jiǎn)介航海早先的導(dǎo)航是利用羅盤(pán)、燈塔等儀表或設(shè)施，結(jié)合天文現(xiàn)象進(jìn)行的。陸基無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋區(qū)域小，定位精度低（3.77.4km），難以適應(yīng)現(xiàn)代航海的導(dǎo)航定位需要。1957年10月4日，原蘇聯(lián)成功地發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星。美國(guó)霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的韋芬巴赫（Geiffenbach）等學(xué)者，在地面已知坐標(biāo)點(diǎn)位上，用自行研制的測(cè)量設(shè)備，捕獲和跟蹤到了蘇聯(lián)衛(wèi)星發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)，并測(cè)得它的多普勒頻移，進(jìn)而解算出衛(wèi)星軌道參數(shù)。麥克雷（eclure）等學(xué)者設(shè)想，若已知衛(wèi)星軌道參數(shù)并測(cè)得衛(wèi)星發(fā)送信號(hào)的多普勒頻移，則可解算出地面點(diǎn)的坐標(biāo)。這就是第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

2、的基本工作原理。,1958年12月，美國(guó)海軍開(kāi)始研制衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。因?yàn)檫@些衛(wèi)星沿地球子午線運(yùn)行，故稱(chēng)為子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（TRANSIT）。1959年9月開(kāi)始發(fā)射試驗(yàn)性子午衛(wèi)星，1963年12月開(kāi)始發(fā)射子午工作衛(wèi)星并逐步形成由六顆工作衛(wèi)星組成的子午衛(wèi)星星座。從此揭開(kāi)了星基無(wú)線電導(dǎo)航的歷史新篇章。1967年7月29日，美國(guó)政府宣布解密子午衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文的部分內(nèi)容供民用。從此，大地測(cè)量由天文測(cè)量和三角測(cè)量時(shí)代進(jìn)入到衛(wèi)星大地測(cè)量時(shí)代。原蘇聯(lián)在美國(guó)的誘發(fā)下，于1965年建立了類(lèi)似的子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，稱(chēng)為CICADA。子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)有明顯不足：其一是衛(wèi)星少，不能連續(xù)導(dǎo)航定位。有56顆工作衛(wèi)星，在低

3、緯度地區(qū)，地面上一點(diǎn)所見(jiàn)到的兩次子午衛(wèi)星通過(guò)的時(shí)間間隔約為1.5h，通過(guò)用戶上空的持續(xù)時(shí)間為1018min，所以不能連續(xù)定位。就大地測(cè)量而言，測(cè)站點(diǎn)上的觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12天，才能達(dá)到0.5m的定位精度。,其二是軌道低，難以精密定軌。子午衛(wèi)星平均飛行高度僅1070km，地球引力場(chǎng)模型誤差及空氣阻力等因素影響導(dǎo)致衛(wèi)星定軌誤差較大。而衛(wèi)星多普勒定位是以衛(wèi)星作為動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)進(jìn)行的，致使定位精度局限在m級(jí)水平。其三是載波頻率低，難以補(bǔ)償電離層的影響。2GPS全球定位系統(tǒng)的建立1973年，美國(guó)國(guó)防部組織海陸空三軍聯(lián)合研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，稱(chēng)為全球定位系統(tǒng)（GlobalPositioningSystem）

4、，簡(jiǎn)稱(chēng)GPS。其建立過(guò)程到目前為止經(jīng)歷了以下四個(gè)階段。（1）19731979年為概念構(gòu)思分析測(cè)試階段發(fā)射了兩顆概念驗(yàn)證衛(wèi)星用于驗(yàn)證GPS原理可行性。另外還發(fā)射了一顆組網(wǎng)試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了三種類(lèi)型的GPS接收機(jī)，建立了一處衛(wèi)星地面控制設(shè)施并完成了大量的測(cè)試項(xiàng)目。,（2）19801989年為系統(tǒng)建設(shè)階段發(fā)射了11顆組網(wǎng)試驗(yàn)衛(wèi)星Block（其中一顆發(fā)射失敗）和1顆工作衛(wèi)星BlockA，進(jìn)一步完善了地面監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)展了GPS接收機(jī)。1984年測(cè)量領(lǐng)域成為第一個(gè)GPS商用用戶領(lǐng)域。（3）19901999年為系統(tǒng)建成并進(jìn)入完全運(yùn)作能力階段發(fā)射了多顆Block和BlockA衛(wèi)星，1993年實(shí)現(xiàn)24顆在軌衛(wèi)星滿

5、星座運(yùn)行，滿足民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（100m）的要求，1995年實(shí)現(xiàn)了精密定位服務(wù)（10m）。（4）20002030年為GPS現(xiàn)代化更新階段。1996年美國(guó)由國(guó)防部和交通部組成了聯(lián)合管理GPS事務(wù)局（IGEB），在IGEB的主持下于1997，1998年期間討論了增加GPS民用信號(hào)，從而改進(jìn)民用GPS狀況，并與空軍已經(jīng)開(kāi)始的計(jì)劃相結(jié)合，形成了更新GPS運(yùn)行要求的文獻(xiàn)，并于1999年1月由美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栆浴癎PS現(xiàn)代化”的名稱(chēng)發(fā)布通告，其具體實(shí)施是以2000年5月1日取消SA政策為標(biāo)志。,二、GPS組成概況GPS由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)和用戶設(shè)備等三部分組成。1.空間衛(wèi)星星座GPS空間衛(wèi)星星座在

6、1993年建成時(shí)由24顆衛(wèi)星組成，目前有30顆工作衛(wèi)星。這些衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面上。GPS衛(wèi)星星座的主要特征載波頻率（GHz）1.22760、1.57542；衛(wèi)星平均高度20200km；衛(wèi)星運(yùn)行周期718min；軌道面傾角55，軌道數(shù)6。,GPS衛(wèi)星的功能是：（1）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）進(jìn)行部分必要的數(shù)據(jù)處理；（3）提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；（4）向用戶發(fā)送定位信息。,2地面監(jiān)控系統(tǒng)為了監(jiān)測(cè)GPS衛(wèi)星的工作狀態(tài)和測(cè)定GPS衛(wèi)星運(yùn)行軌道，為用戶提供GPS衛(wèi)星星歷，必須建立GPS的地面監(jiān)控系統(tǒng)。它由5個(gè)監(jiān)測(cè)站、1個(gè)主控站和3個(gè)注入站組成。如圖所示。,1）

7、監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)站是在主控站的控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)各一臺(tái)，和若干臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。所有觀測(cè)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理后送到主控站，用以確定GPS衛(wèi)星的軌道參數(shù)。5個(gè)監(jiān)測(cè)站分別位于太平洋的夏威夷、美國(guó)本土的科羅拉多州、大西洋的阿松森群島、印度洋的迭哥伽西亞和太平洋的卡瓦加蘭等。2）主控站主控站位于美國(guó)本土的科羅拉多州，擁有以大型電子計(jì)算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集、計(jì)算、傳輸和診斷等設(shè)備。其主要任務(wù)是：,（1）根據(jù)本站和其它監(jiān)測(cè)站的所有觀測(cè)資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據(jù)傳送到注入站；（2）提供GPS時(shí)間基準(zhǔn)。各監(jiān)測(cè)站和GP

8、S衛(wèi)星的原子鐘均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，或者測(cè)出其鐘差，并把這些鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送到注入站；（3）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定的軌道運(yùn)行；（4）啟用備用衛(wèi)星以代替失效的工作衛(wèi)星。3）注入站3個(gè)注入站分別設(shè)在印度洋的迭哥伽西亞、大西洋的阿松森群島和太平洋的卡瓦加蘭。注入站的主要設(shè)備包括c波段發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線和計(jì)算機(jī)。其主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文及控制指令注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)注入信息的正確性。,3用戶設(shè)備GPS的空間衛(wèi)星星座和地面監(jiān)控系統(tǒng)是用戶應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行定位的基礎(chǔ)，用戶要使用GPS全球定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航或定位，必須使用GPS接收機(jī)

9、接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，獲得必要的定位信息和觀測(cè)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理而完成定位工作。用戶設(shè)備主要包括GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理軟件和計(jì)算機(jī)。三、GPS定位的基本原理定位是指測(cè)定點(diǎn)的空間位置。GPS定位是將GPS衛(wèi)星作為動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。根據(jù)GPS衛(wèi)星星歷求得GPS衛(wèi)星的已知坐標(biāo)，由接收機(jī)測(cè)得衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的傳播時(shí)間t，即（1-1）式中衛(wèi)星發(fā)射定位信號(hào)時(shí)刻；,接收機(jī)接收到衛(wèi)星定位信號(hào)的時(shí)刻。則衛(wèi)星到接收機(jī)的觀測(cè)距離為（1-2）其中c為電磁波傳播速度。如用X、Y、Z表示衛(wèi)星坐標(biāo)，用x、y、z表示接收機(jī)坐標(biāo)，則星站間真實(shí)距離為（1-3）并考慮到接收機(jī)鐘的誤差，則可得如下觀

10、測(cè)值方程（1-4）(1-4)式中的為觀測(cè)量，X、Y、Z為已知量，x、y、z、為未知數(shù)?？梢?jiàn)，只要觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星，即可列出4個(gè)以上像（1-4）式這樣的方程式，便能解出4個(gè)未知數(shù)x、y、z、，從而確定接收機(jī)坐標(biāo)x、y、z。這就是GPS定位的基本原理。,四、GPS定位的特點(diǎn)與問(wèn)題1GPS定位的特點(diǎn)1）定位精度高如用載波相位觀測(cè)量進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位，在小于50km的基線上精度可達(dá)1ppm，在100500km的基線上精度為0.1ppm，在大于1000km的基線上精度可達(dá)0.01ppm。2）觀測(cè)時(shí)間短目前采用靜態(tài)相對(duì)定位，觀測(cè)20km以?xún)?nèi)基線僅需1520min。采用RTK定位，每站只需幾秒鐘的時(shí)間。3）測(cè)站間無(wú)需通視4）儀器操作簡(jiǎn)便5）全天候作業(yè)除打雷閃電不宜作業(yè)外，其它天氣均可進(jìn)行野外測(cè)量工作。,6）提供三維坐標(biāo)7）可全球布網(wǎng)8）應(yīng)用廣泛GPS導(dǎo)航定位技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，主要應(yīng)用于以下各領(lǐng)域：（1）陸?？者\(yùn)動(dòng)目標(biāo)導(dǎo)航；（2）測(cè)繪：大地測(cè)量及控制測(cè)量；地形地籍測(cè)量；工程施工測(cè)量；海洋測(cè)繪；航空攝影測(cè)量；（3）交通管理；（4）衛(wèi)星發(fā)射及其運(yùn)行軌道監(jiān)測(cè)；（5）地震監(jiān)測(cè)與地殼變形監(jiān)測(cè)；（6）