GPS原理教案docx.docx
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GPS原理教案docx
第一章绪论
第一节GPS卫星定位技术的发展
一、早期的卫星定位技术
卫星三角测量：
卫星作为空间动态观测目标。
1966年—1972年，美、英、德合作应用卫星三角测量，测量了具有45个测站的“全球三角网”，点位精度约5米。
二、子午卫星导航系统的应用及其缺陷
1、卫星多普勒定位测量：
卫星作定向动态已知点，非几何测量，发信号测速。
2、（NAVYNAVIGATIONSATELLITESYSTEM）NNSS的建立
1958年12月，美国海军和HOPKINS大学联合研究了“美国海军导航卫星系统——NNSS（NAVYNAVIGATIONSATELLITESYSTEM）。
”由于卫星轨道通过南北地极，故称为子午卫星导航系统。
1964年1月研制成功，用于北极星核潜艇的导航定位；军事导航定位。
1967年7月，美国政府批准，对其广播星历解密提供民用，定位技术迅速兴起。
作用：
已知地面点坐标，测定多普勒频移，确定卫星运行轨道；已知卫星运行轨道，测定多普勒频移，确定地面点坐标。
3、多普勒定位原理：
多普勒效应：
当波源与接收器（观测者）作相对运动时，波源的发射频率与观测者接收频率之间成立关系：
fr——接收频率；fs——发射频率；c——光速；
α——波源运动方向与波源到测站方向间的夹角；
v——波源运动速度。
测定多普勒频移，即可求出ρ：
，
4、NNSS的优缺点
优点：
（1）经济、快速，不受天气和时间限制。
采集2天数据，可得分米级精度的三维地心坐标。
（2）实现了全球范围内的核潜艇、导航测量船、军民用舰船的全天候导航，以及海上石油勘探、钻井定位、海底电缆铺设、海洋调查等方面的广泛定位。
缺点：
（1）子午卫星轨道高度低（1000km左右），难以做到精确定轨。
卫星沿经圈运动。
（2）子午卫星仅有六颗，数量少，无法实现全球的实时导航和定位。
6颗卫星，950-1200km轨道，107min。
（3）信号频率低，难以补偿电离层折射的影响。
（4）卫星沿经圈运动，精度与高程相关，只有在已知接收机高程的情况下，才能得到经纬度的导航解。
在美洲大陆测定了500多个多普勒点，西欧测定了30多个多普勒点，中国测定了近百个多普勒点，有全国多普勒网。
三、全球定位系统（GlobalPositionSystem）：
子午卫星导航系统的应用受到较大的限制，为突破局限性，实现全天候、全球性和高精度的连续导航和定位----GPS卫星定位技术发展到一个辉煌的历史阶段。
在子午卫星的基础上，克服其缺点。
因此，具有“多星、高轨、测距”体制。
导航解算需要多星，克服低轨缺点，保证多星。
轨道高，覆盖范围大；高动态，瞬时解，以测距代测速。
60年代末，提出计划：
美国海军：
“Timation”计划，12-18颗卫星，全球网；
美国空军：
“621-B”计划，3-4个星群，全球网。
1973年，国防部联合计划局（包括美国陆海空军、制图、交通、北大西洋）正式开始了GPS的研究和论证。
1973年12月，美国国防部（DOD）批准建立GPS卫星全球导航定位系统（NAVSTAR/GPS），即：
测时、测距/全球定位系统，计划投资300亿美元（实际花费130亿美元，管理有方）。
计划分三阶段实施：
（1） 第一阶段——原理与可行性（方案论证和初步设计阶段）
由1973年开始至1978年2月22日第一颗试验卫星发射成功。
1973-1979年，共发射4颗试验卫星，结果令人满意。
（2） 第二阶段——系统全面研制与试验阶段
由1979年开始至1989年2月14日第一颗工作卫星发射成功。
1979-1984年，发射了7颗试验卫星，BlockⅠ卫星（11颗）。
定位精度远远超过设计精度。
粗码定位精度为14米。
（3）第三阶段——最后工程完成与发展（实用组网阶段）
1989年，工作卫星发射，BlockⅡ、BlockⅡA（军事应用功能）。
1993年，GPS网基本建成。
DOD于1995年4月27日宣布：
“GPS系统已具备全部运作能力（FOC）”。
至此，整个历时23年、耗资130亿美元的GPS计划宣告完成。
GPS的设计目标：
实现全球、全天候、高精度的授时、导航和定位。
四、GLONASS：
前苏联于1982年10月开始研究，计划1995年前建成。
GLONASS工作卫星星座：
24颗卫星，其中21颗为工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在3个轨道上，轨道平面倾角64.8度；
卫星高度：
19100公里；
运行周期：
11小时15分；
信号频率：
1600MHz，1200MHz。
1990年12月8日至1994年8月11日，共发射9颗GLONASS卫星；1994年11月20日开始发射三个一组的GLONASS卫星。
97年全部完工，现已投入使用。
五、Galileo：
Galileo计划设计为支持各种领域广泛应用，包括实时导航、位置基准、安全和应急跟踪、体育、休闲服务和支持政府公共事业的需要。
Galileo系统在技术构态上将以30颗MEO轨道卫星为核心星座，其空间信号等效于GPSBlock-IIF卫星上的信号，具有在L频段上和GPS兼容的多频体制，在无增强下可以达到10米精度。
（1）Galileo系统的管理
Galileo系统由欧盟、欧洲空间局及一些民营公司共同管理运营。
Galileo系统是欧洲独立经营的全民用卫星导航系统，它平行于GPS与GPS兼容，建成后将能取代或超过GLONASS的力量，打破美国一统全球定位、导航、定时的垄断地位的局面。
（2）Galileo系统服务的精度指标及其服务领域
1）公开服务（免费）：
15-20米（单频）、5-10米（双频）
2）商业服务：
5-10米（全球，双频）、1-10米（局部）
3）公共事业服务：
4-6米（全球，双频）、1米（局部）
Galileo计划设计为支持各种领域广泛应用，包括实时导航、位置基准、安全和应急跟踪、体育、休闲服务和支持政府公共事业的需要。
（3）Galileo系统建设的时间表
1）第一阶段（1999-2001）：
定义Galileo系统的框架，制定发展计划；
2）第二阶段（2001-2005）：
发展阶段；
3）第三阶段（2006-2007）：
实施阶段，进行卫星的研制、卫星的发射及地面设施建设；
4）第四阶段（2008-2020）：
运行应用阶段。
（4）目前的状况
1999年2月10日，欧洲委员会（EC）公布了筹划Galileo系统的消息。
欧洲委员会（EC）指定了一个欧洲工业财团称之为“GalileoIndustries”负责总体结构项目（GALA）。
欧洲航天局（ESA）负责空间段项目（GalileoSat），并自筹研究资金。
欧洲工业界自筹组成一个欧洲卫星导航设备和服务工业组织（OREGIN），配合Galileo计划提供技术资源和市场策略，支持用户设备和服务供应上的标准化和取证程序，由37家公司参加。
2001年2月，欧盟（EU）的部长级会议明确EC负责项目的总协调，欧洲航天局（ESA）负责和保障系统的技术集成。
尽快发动承包和引资入伙工作，在2001年11月提出招标程序。
（5）比较
Galileo系统是欧洲独立经营的全民用卫星导航系统，它平行于GPS与GPS兼容，建成后将能取代或超过GLONASS的力量，打破美国一统全球定位、导航、定时的垄断地位局面。
第二节GPS定位系统的组成
GPS系统的组成
全称：
授时与测距导航系统/全球定位系统（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositioningSystem-NAVSTAR/GPS）。
包括下列三大部分：
GPS工作卫星星座——空间部分；
地面监控系统——地面控制部分；
GPS接收机——用户设备部分。
一、空间部分——GPS工作卫星星座
1、GPS卫星星座的构成与现状
21颗工作卫星，3颗备用卫星，均匀分布在6个轨道上（每个轨道上有4颗卫星）。
在地面上可见卫星数随地点、时间而变，最少4颗，最多11颗。
轨道倾角；55度；轨道高度：
20186.8公里（平均高度约为20200公里）；
运行周期：
11小时58分（恒星时）（每颗每天约有5个小时在地平线上）；轨道间距：
60度；
同一轨道平面内各卫星的升交角距：
90度；
为解算测站的三维坐标，至少同时观测4颗卫星——定位卫星，而4颗卫星在观测过程中的位置分布——卫星的几何结构的优劣对定位精度有较大的影响，有时甚至无法达到定位精度。
第一代卫星（BLOCKⅠ型），第7颗发射失败，未能入轨；第1、2、5颗虽入轨运行，但不能服务于导航，仅7颗GPS试验卫星能够正常飞行。
截止1992年11月1日，只有4颗试验卫星仍能正常工作，3颗（PRN6、8、9）不能发射正常GPS信号。
第二代卫星，发射了10颗，寿命为7.5年。
发射信号：
（1）L1载波：
频率为1575.42MHz，其上调制测距码信号（C/A码，CoarseandAccess，粗捕获码；P码，Precision，精码，捕获不到，可以保密）；
（2）L2载波：
频率为1227.60MHz，其上调制P码。
2、GPS卫星：
（1）
（1）BlockⅠ——试验卫星；
（2）
（2）BlockⅡ、BlockⅡA——工作卫星；
电源——两块四叶太阳能电池叶板（每块面积7.2平方米）；
重量——在轨重量843.68公斤；
时钟——配备两台鉫原子钟和两台铯原子钟（稳定度达
s与
s）。
3、GPS卫星的作用：
（1）向广大用户连续不断地发送导航定位信号（GPS信号）；并用导航电文报告自己的位置及其他卫星的概略位置。
（2）飞越注入站上空时，接收并存储地面注入站发射的导航电文和其他信息并把这些信息转换成GPS信号，再发送给用户；
（3）接收主控站的调度命令；接收并执行监控站的控制指令，纠正飞行偏差，应用备用钟；
（4）提供高精度的时间标准。
二、地面控制部分——地面监控系统
主控站：
设在ColoradoSprings联合空间执行中心（SOC）；
注入站：
分别设在南大西洋的Ascension，印度洋的DiegGercia，南太平洋的Kwajalein。
监测站：
以上四个站同时是监测站，再加上Howaii。
GPS卫星是一种动态已知点，依据卫星发送的星历算得的。
卫星星历——一系列描述卫星运动及其轨道的参数。
地面监控系统的作用：
（1）
（1）主控站——协调管理所有地面监控系统
主要任务：
①数据处理并将结果传输给注入站：
A、计算卫星星历（广播星历和精密星历）；
B、计算卫星钟差改正数；
C、计算大气层改正数（对流层和电离层）。
②提供时间基准：
各个监测站和卫星上的原子钟，均应和主控站原子钟保持同步；测定各个原子钟的钟差，并将钟差信息编写入导航电文（D码），送到注入站。
③调整偏离轨道的卫星，使其沿指定的轨道运行。
④启用备用卫星来代替失效的卫星。
（2）注入站——将主控站推算的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令注入相应卫星的存储系统，并监测注入信号的正确性。
（3）监测站——主控站控制下的数据采集中心，连续接收卫星信号。
双频GPS接收机连续接收、记录GPS卫星信号；
高精度的原子钟；
环境传感器收集当地气象信息；
计算机进行数据处理并传输到主控站。
监测站——主控站——注入站（每天3次，每次14天，但越往后精度越差）。
国际GPS服务网。
三、用户设备部分——GPS接收机
1、GPS接收机的组成：
（1）天线——接收GPS卫星信号，滤波、放大；
（2）主机——对GPS信号进行“解码”，计算卫星位置，计算站星间的“伪距”（包含钟差改正数），解算出测站坐标（WGS-84坐标系）。
（3）输入/输出系统——操作键盘，显示器，通讯接口，记录器。
2、GPS接收机的分类：
（1）静态定位接收机：
导航型、测地型、授时型；
袖珍式、背负式、车载式、船用式、机载式、弹载式、星载式。
（2）动态定位接收机：
天线部分、接收部分；单频、双频。
3、被动式卫星导航系统：
发送和接收测距信号分别居于两个不同地方的测距原理——被动测距原理。
发射设备所发射的测距信号经过反射器的反射或转发，又返回到发送点，为其接收设备所接收，进而测得测距信号所经历的距离。
发送和接收测距信号位居于同一个地方的测距原理——主动测距原理。
四、GPS卫星定位原理
卫星位置作为动态已知点，其坐标为：
Xs、Ys、Zs；
求地面点的位置：
Xg、Yg、Zg；
卫星与地面点的距离S：
卫星：
接收机：
。
每次观测时，至少同时观测4颗卫星，得四个观测方程，则可解出四个未知数，即可求出测站点位。
第三节GPS在国民经济建设中的应用
一、特点
GPS的特点和优点：
（1）全球地面连续覆盖，卫星数目多且分布合理，在地球上任何地方可连续同步观测到至少4颗卫星。
保障了全球、全天候连续实时导航与定位。
（2）功能多、精度高，连续提供动态目标的三维位置信息、三维速度和时间信息。
单点实时定位精度：
5-10米（精码）；
静态定位精度：
10的负6次方至10的负7次方；
测速：
0.7m/s；测时：
10纳秒。
（3）实时定位速度快，1秒即可完成定位。
（4）抗干扰性能好，保密性强。
对于大地测量的优越性：
（1）作业灵活，操作简便。
体现于：
无需站间通视；与地面点的几何图形无关（传统的测量均需要考虑，造成困难），选点、作业时间灵活、方便；仪器自动化程度高，大大减少了野外作业时间和劳动强度。
（2）定位精度高。
第三代卫星，采集数据时间为几毫秒，定位精度为1mm；几百公里的边长，可达到厘米级的精度。
（3）观测时间短，经济效益高。
传统的方法建立控制点，造标、埋石占到70%以上的费用。
GPS则不必造标，作业时间短，1-3小时，节省了大量的外业作业费用。
（4）全天候作业，可以在任何地点、任何时间、任何天气下连续作业。
二、GPS系统的应用前景
1、GPS系统用途广泛
2、多元化空间资源环境的出现
3、发展GPS产业
4、GPS的应用将进入人们的日常生活
三、我国的GPS定位技术应用和发展情况
第二章坐标系统与时间系统
第一节天球坐标系与地球坐标系
天球坐标系：
在空间固定的坐标系，该坐标系与地球自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便
地球坐标系：
与地球体相固联的坐标系，考虑到地球自转影响的坐标系
一、天球坐标系
1、与天球有关的基本概念
天球：
指以地球质心为中心，半径r为任意长度的一个假想球体。
天轴与天极：
地球自转轴的延伸直线为天轴，天轴与天球的交点Pn（北天极）Ps（南天极）称为天极。
天球赤道面与天球赤道：
通过地球质心与天轴垂直的平面为天球赤道面，该面与天球相交的大圆为天球赤道。
天球子午面与天球子午圈：
包含天轴并经过地球上任一点的平面为天球子午面，该面与天球相交的大圆为天球子午圈
时圈：
通过天轴的平面与天球相交的半个大圆。
黄道：
地球公转的轨道面与天球相交的大圆，即当地球绕太阳公转时，地球上的观测者所见到的太阳在天球上的运动轨迹。
黄道面与赤道面的夹角称为黄赤交角，约23.50。
黄极；通过天球中心，垂直于黄道面的直线与天球的交点。
靠近北天极的交点n称北黄极，靠近南天极的交点s称南黄极。
春分点：
当太阳在黄道上从天球南半球向北半球运行时，黄道与天球赤道的交点。
岁差：
在日月和其它天体引力对地球隆起部分的作用下，地球在绕太阳运行时，自转轴方向不再保持不变，从而使春分点在黄道上产生缓慢西移，此现象在天文学上称为岁差。
章动：
在日月引力等因素的影响下，瞬时北天极将绕瞬时平北天极产生旋转，轨迹大致为椭圆。
这种现象称为章动。
2、天球坐标系
天球空间直角坐标系的定义：
原点位于地球的质心，z轴指向天球的北极Pn，x轴指向春分点，y轴与x、z轴构成右手坐标系。
天球球面坐标系的定义：
原点位于地球的质心，赤经为含天轴和春分点的天球子午面与经过天体s的天球子午面之间的交角，赤纬为原点至天体的连线与天球赤道面的夹角，向径r为原点至天体的距离。
两者的相互转换
在太阳和其它行星引力的影响下，月球的运行轨道以及月地之间的距离在不断变化，北天极绕北黄极顺时针旋转的轨迹十分复杂。
如果观测时的北天极称为瞬时北天极（或真北天极），相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球赤道和瞬时春分点（或真天球赤道和真春分点）。
而在天球上，围绕着北黄极作顺时针规律运动的北天极称为瞬时平北天极（简称平北天极），相应的天球赤道和春分点称为瞬时天球平赤道和瞬时平春分点。
3、协议天球坐标系的定义
由于岁差和章动的影响，瞬时天球坐标系的坐标轴指向不断变化，在这种非惯性坐标系统中，不能直接根据牛顿力学定律研究卫星的运动规律。
为建立一个与惯性坐标系相接近的坐标系，通常选择某一时刻t0作为标准历元，并将此刻地球的瞬时自转轴（指向北极）和地心至瞬时春分点的方向，经过该瞬时岁差和章动改正后，作为z轴和x轴，由此构成的空固坐标系称为所取标准历元的平天球坐标系，或协议天球坐标系，也称协议惯性坐标系（ConventionalInertialSystem—CIS）
二、地球坐标系统
1、极移：
地球自转轴相对于地球体的位置不是固定的，地极点在地球表面上的位置随时间而变化的现象称为极移。
2、地球坐标系
地心空间直角坐标系的定义:
原点与地球质心重合，z轴指向地球北极，x轴指向格林尼治平子午面与赤道的交点E，y轴垂直于xoz平面构成右手坐标系。
地心大地坐标系的定义：
地球椭球的中心与地球质心重合，椭球短轴与地球自转轴重合，大地纬度B为过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角，大地经度L为过地面点的椭球子午面与格林尼治平大地子午面之间的夹角，大地高H为地面点沿椭球法线至椭球面的距离。
任一地面点在地球坐标系中可表示为（X，Y，Z）和（B，L，H），两者可进行互换。
三、天球坐标系与地球坐标系的转换
第二节WGS-84坐标系和我国的大地坐标系
一、WGS-84大地坐标系
在全球定位系统中，为了确定用户接收机的位置，GPS卫星的瞬时位置通常应化算到统一的地球坐标系统。
在GPS试验阶段，卫星瞬间位置的计算采用了1972年世界大地坐标系（WorldGeodeticSystem——WGS-72），1987年1月10日开始采用改进的大地坐标系统WGS-84。
世界大地坐标系WGS属于协议地球坐标系CTS，WGS可看成CTS的近似系统。
二、国家大地坐标系
1、旋转椭球与参心坐标系
水准面：
在地球重力场中，当水处于静止时的表面必定与重力方向（即铅垂线方向）处处正交。
我们称这个与铅垂线正交的静止水平面为水准面。
大地水准面：
假设海水面处于静止平衡状况，并将它一直沿伸到地球陆地内部形成一个闭合的水准面，用来表示地球的形状，我们将这个水准面称为大地水准面。
大地水准面是对地球的物理逼近，它可以较真实地反映地球的形状，但是地壳内部物质密度分布的不均匀，造成地面各点重力大小和方向不同，因此，与铅垂线处处正交的大地水准面是起伏不平的，因而它也很难以用简单的数学模型描述。
要用它作为各种地面测量数据的计算基准面比较困难，必须寻找一个简单的适合测量计算的基准面。
大地水准面相当接近于一个规则的具有微小扁率的数学曲面——旋转椭球。
旋转椭球可用两个几何参数确定，即为椭球的长半径a和扁率f。
这两个参数解决了椭球的形状和大小。
为了将地面测量数据归算到椭球面上，仅仅知道它的形状和大小是不够的，还必须确定它与大地水准面的相关位置，也就是所谓的椭球定位和定向。
另外，为了从几何特性和物理特性两个方面来研究全球的形状，则还要使椭球与全球大地水准面结合最为密切。
现代大地测量中，采用四个参数来描述椭球的几何和物理特性。
这四个参数是：
（1）椭球的长半径α（解方程，用弧度测量的传统方法求出）。
（2）地球重力场二阶带谐系数J2（J2与扁率存在一定解析
关系）（卫星大地测量与卫星激光测距求出）。
（3）地心引力常数与地球质量的乘积GM（卫星大地测量解算）。
（4）地球自转角速度ω（天文观测求出）。
地心坐标系，就是一个将椭球中心与地球质心重合，且与全球大地水准面最为密合的旋转椭球。
为了研究局部球面的形状，且使地面测量数据归算至椭球的各项改正数最小，各个国家和地区分别选择和某一局部区域的大地水准面最为密合的椭球建立坐标系。
这样选定和建立的椭球称为参考椭球，对应的坐标系称为参心坐标系。
显然，该坐标系的中心一般和地球质心不一致，所以参心坐标系又称为非地心坐标系、局部坐标系或相对坐标系，由于参心坐标系处理局部区域数据带来的变形较小，所以，参心坐标系至今对大地测量仍有重要作用。
同样，参心坐标系可分为参心空间直角坐标系和参心大地坐标系。
参心空间直角坐标系参心空间直角坐标系是：
（1）以参心O为坐标原点；
（2）Z轴与参考椭球的短轴（旋转轴）相重合；
（3）X轴与起始子午面和赤道的交线重合；
（4）Y轴在赤道面上与X轴垂直，构成右手直角坐标系O-XYZ。
地面点P的点位用（X，Y，Z）表示。
参心大地坐标系
参心大地坐标系是以参考椭球的中心为坐标原点，椭球的短轴与参考椭球旋转轴重合。
大地纬度B—以过地面点的椭球法线与椭球赤道面的夹角为大地纬度B；
大地经度L—以过地面点的椭球子午面与起始子午面之间的夹角为大地经度L；
大地高H—地面点沿椭球法线至椭球面的距离为大地高H（如图）。
地面点的点位用（B，L，H）表示。
确定参考椭球是建立参心坐标系的主要依据。
通常包括确定参考椭球的形状和大小，确定它的空间位置（参考椭球的定位与定向），以及确定大地原点T的大地纬度BT、大地经度LT及它至一相邻点的大地方位角AT。
参考椭球的定位和定向是通过确定大地原点的大地经纬度、大地高和大地方位角来实现的，参考椭球一般采用“双平行”定向条件，即要求椭球的短轴与地球某一历元的自转轴平行，起始大地子午面与起始天文子午面平行。
2、P54北京和C80西安国家坐标系
（1）1954年北京坐标系
1954北京坐系采用了前苏联的克拉索夫斯基椭球体，其椭球参数是：
长半轴a为6378245m，扁率f为1/298.3，其原点为原苏联的普尔科沃。
1954年北京坐标系虽然是苏联1942年坐标系的延伸，但也还不能说它们完全相同。
因为该椭球的高程异常是以苏联1955年大地水准面重新平差结果为起算数据，按我国天文水准路线推算而得。
而高程又是以1956年青岛验潮站的黄海平均海水面为基准。
1954年北京坐标系建立之后，在这个系统上，３０多年来，我国用该坐标系统完成了大量的测绘工作，获得了许多的测绘成果，在国家经济建设和国防建设的各个领域中发挥了巨大作用。
但是，随着科学技术的发展，这个坐标系的先天弱点也显得越来越突出，难以适应现代科学研究、经济建设和国防尖端技术的需要，它的缺点主要表现在：
①克拉索夫斯基椭球参数同现代精确的椭球参数相比，误差较大，长半径约大105～109m，这不仅对研究地球几何形状有影响，特别是该椭球参数只有两个几何参数，不包含表示物理特性的参数，不能满足现今理论研究和实际工作的需要，对
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