西南交通大学：卫星定位技术与方法（中英文）：200510301159

1 GPS技术与应用 第一讲 袁林果 西南交通大学测量工程系 Email: lgyuan@home.swjtu.edu.cn 2005-9-8 GPS技术与应用2 课程概述 z目标：介绍GPS卫星测量基本原理及其应用 z课件：PPT课件 z在学习指定教材的基础上，依据学生的兴趣和个 人能力，学习内容和形式多样 z重点强调基本原理的理解和掌握 z其它要求：网上查阅中英文GPS专业资料的能 力；独立完成作业、严禁拷贝 z成绩评定：平时成绩30%；期末考试70% 2 2005-9-8 GPS技术与应用3 课程大纲 1.历史、发展和当前状况 2.坐标系统与时间系统 3.卫星轨道运动及GPS卫星的坐标计算 4. GPS卫星信号与传播 5. GPS观测量、观测方程及误差分析 6.绝对（单点）定位原理 7.相对（差分）定位原理 8. GPS测量实施及软件操作（实习） 9. GPS应用 2005-9-8 GPS技术与应用4 教材和参考文献 ?教材 ?黄丁发, 熊永良, 袁林果. 全球定位系统（GPS）—理论与实践. ?周忠谟, 易杰军, 周琪. GPS卫星测量原理与应用（修订本）. 北京: 测绘出版社, 1997 ? References ?刘大杰. 全球定位系统(GPS)的原理与数据处理. 上海:同济大学出 版社, 1999 ?刘基余. GPS卫星导航定位原理与方法. 北京: 科学出版社, 2003 ? B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, and J. Collins, GPS Theory and Practice, Fifth edition. Springer-Verlag, Wein, New York, 2001. ? Alfred Leick. GPS Satellite Surveying, 3rd Edition. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003. 3 2005-9-8 GPS技术与应用5 网络资源 ? Global Positioning System Overview by Peter H. Dana. http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f. html ? THE INTERAGENCY GPS EXECUTIVE BOARD (IGEB). http://www.igeb.gov/ ? GPS Applications Exchange. http://gpshome.ssc.nasa.gov/ ? The International GPS Service (IGS). http://igscb.jpl.nasa.gov/ ? U.S. Naval Observatory (USNO) GPS Operations http://tycho.usno.navy.mil/gps.html ? U.S. Coast Guard Navigation Center http://www.navcen.uscg.gov/ 2005-9-8 GPS技术与应用6 第一章导航与定位概论 ?导航（navigation）定义 ?通过实时地测定运载体在途中行进时的位置和速度，引导运 载体沿一定航线经济而安全地到达目的地的技术。 ?导航定位技术的发展 推算定位天文导航惯性导航无线电导航 4 2005-9-8 GPS技术与应用7 导航系统分类 ?推算定位系统（Dead Reckoning Systems） ?通过航行的方向和距离来推算其所在位置。 ?引导系统（Guidance Systems） ?提供给用户到达目的地的引导信息，不需要知道用户的具体 位置。灯塔、无线电信标、仪表着陆系统（Instrument Landing system, ILS）、微波着陆系统（Microwave Landing system, MLS）等 ?定位系统（Positioning Finding Systems） ?在一个定义的参考框架内，准确确定用户所在的位置。罗兰 （Loran）、奥米加（Omega）、子午卫星（Transit）、 GPS、GLONASS等 2005-9-8 GPS技术与应用8 惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System） ?基本原理 ?根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺、加速 度计等惯性元件感受运动载体在运动过程中的加速度。然后 通过计算机进行积分运算，从而得到运动载体的位置和速度 等信息。 ?优点 ?不依赖于外界导航台和电磁波的传播，因此应用不受环境限 制，包括海陆空及水下。隐蔽性好，不可能被干扰，无法反 利用，生存能力强；另外还可产生多种信息，包括载体的三 维位置、三维速度与航向姿态。当然它的垂直定位信息不 好，误差是发散的，不能单独使用。 5 2005-9-8 GPS技术与应用9 无线电导航系统 ?基本原理 ?根据电磁波在理想均匀媒质中按直线传播，且速度为常数， 并在任两种媒质介面上一定产生反射，入射波和反射波同在 一铅垂面内的特性，进行导航定位。 ?优点 ?因为电磁波的传播基本上不受昼夜与气候的限制，也无论距 离的远近，以及在恶劣气候与能见度不良的条件下，随时都 可借助各种频率的无线电信号有效地对空中、海上与地面的 各种运动载体乃至人进行精确定位，并将它（他）们安全、 准确、经济地由出发点，沿预定的航行路线驶达目的地；而 且测量快、精确度高，可靠性也高。不足之处在于电磁波难 免受外界干扰。 2005-9-8 GPS技术与应用10 无线电导航定位方法 ?测边交会法 ?双曲线定位 ?多普勒定位 6 2005-9-8 GPS技术与应用11 测边交会法 S 1 S 2 S 3 P 利用测量待测点到 已知点之间的距 离，来求得待测点 坐标的方法就称为 测边交会法，也称 为Time Of Arrival (TOA)的方式。 2005-9-8 GPS技术与应用12 双曲线定位 用户站 TDOA 31 =t 3 -t 1 TDOA 21 =t 2 -t 1 基站3 基站1 基站2 采用Time Difference Of Arrival (TDOA)的方式， 其原理是通过检测无线电 波到达两个基站的时间 差，而不是由到达的绝对 时间来确定待测点的位 置。待测点必定位于以两 个基站为焦点的双曲线方 程上，确定待测点的二维 位置坐标需要建立两个以 上双曲线方程，两双曲线 的交点即为待测点的二维 位置坐标。 7 2005-9-8 GPS技术与应用13 多普勒定位 t1 t2 t3 t4 θ P（X, Y, Z） 通过测定同一信号发射 源不同间隔时段其信号 的多普勒效应，从而确 定发射源在各时段相对 观察者的视向速度和视 向位移，再利用发射源 所给定的t1、t2、t3、 t4…时刻的空间坐标， 结合对应的视向位移则 可解算出测站空间坐标 P（X，Y，Z）。 2005-9-8 GPS技术与应用14 卫星无线电导航系统 一．子午卫星导航系统（TRANSIT） 二．全球定位系统（GPS） 三．全球导航定位系统（GLONASS） 四．双星导航定位系统（北斗一号） 五．伽俐略系统（GAILILEO） 1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星由前苏联成功发 射，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学 技术的发展，迅速地跨入了一个崭新的时代。 8 2005-9-8 GPS技术与应用15 一、子午卫星导航系统（TRANSIT） 子午卫星导航系统，又称多普勒 卫星定位系统，它是58年底由美 国海军武器实验室开始研制，于 64年建成的“海军导航卫星系统” （Navy Navigation Satellite System）。这是人类历史上诞生 的第一代卫星导航系统。1967年7 月该系统由军方解密供民间使 用。此后用户数量迅速增长，最 多达9.5万户，而军方用户最多时 只有650个，不足总数的1%，可 见因生产的需要民间用户远远大 于军方。 2005-9-8 GPS技术与应用16 系统组成 ?卫星星座 ?由六颗独立轨道的极轨卫星组成，轨道倾角i =90°；卫星运行周期为T=107m；卫星高度约为 H=1075km。 ?地面系统 ?地面设有4个卫星跟踪站；1个计算中心；1个控制 中心；2个注入站；1个天文台（海军天文台）。 9 2005-9-8 GPS技术与应用17 技术特点 ?定轨精度 ?广播星历所预报的卫星位置的切向误差±17m；径向误差±26m； 法向误差±8m。 ?精密星历所预报的卫星位置精度为±2m。 ?卫星性能 ?星体直径约为50公分，卫星重量为45~73公斤。 ?卫星信号 ? 4.9996MHz基准钟频信号，倍频30和80倍后，形成149.988MHz和 399.968MHz的标准信号。 ?定位精度 ?利用广播星历的单点定位精度约为10m，观测100次卫星通过后的 测量数据平差解算后，可获得精度为3~5m；利用精密星历观测40 次卫星通过的测量数据平差解算后，可获得精度为0.5~1m；为了 消除公共误差提高定位精度，相对定位的精度为0.5m 。 2005-9-8 GPS技术与应用18 不足之处 ?一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要 ?一次定位一般需要连续观测一颗卫星通过的时间约为15～18 分钟 ?卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要。 ?没有采用频分、码分、时分等多路接收技术，确定了该系统 不能成为连续导航系统。 ?子午卫星导航系统的定位精度偏低 ?卫星轨道低，信号频率较低受电离层影响大，卫星钟频不够 稳定 10 2005-9-8 GPS技术与应用19 二、全球导航定位系统 （GLONASS） 该系统是82年底由前苏 联开始承建，期间因苏 联解体，几经周折最后 由俄罗斯于96年建成全 球导航定位系统 （Global Navigation Satellite System, GLONASS）。该系统 与美国的全球定位系统 同属于第二代卫星定位 系统。 2005-9-8 GPS技术与应用20 系统组成 ?卫星星座 ?三个独立椭圆轨道，的24颗卫星组成（另加1颗备用卫 星），每个轨道分布8颗卫星，各轨道升交点赤经相差 120°；轨道偏心率e=0.01；卫星轨道倾角i =64.8°；卫星 运行周期T=11h15m；卫星高度H=19100km；卫星设计使用 寿命4.5年，直至1995年卫星星座布成，经过数据加载、调 整和检验，已于1996年1月18日整个系统正式运转。 ?地面系统 ? 1个系统控制中心（在莫斯科区的Golitsyno-2），1个指令跟 踪站（CTS），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内。 11 2005-9-8 GPS技术与应用21 技术特点 ?卫星信号 ?两种载波信号，L1载波信号1602~1616MHz ，民 用；L2载波信号1246~1256MHz ，军用。卫星之 间的识别方法采用频分多址（FDMA），L1频道间 隔为0.5625 MHz，L2频道间隔为0.4375 MHz 。测 距粗码（C/A码）的码频0.511MHz 码长为511比 特，重复周期为1ms ；精码P码，尽管前苏联严格 保密，英国立茨大学G..R.Lennen博士成功破译。 ?定位精度 ?水平精度：±50~70m；垂直精度：±75m； ?测速精度：±15cm/s；授时精度：±1μs。 2005-9-8 GPS技术与应用22 三、双星导航定位系统（北斗一号） 我国已于2000年底（10月31日、12月21日）发射 了两颗同步静止定位卫星，并完成了大量的测试工 作。该系统的第三颗同步静止定位卫星，在2003年 5月25日发射，于6月3日5时顺利定点，系统大功告 成。 12 2005-9-8 GPS技术与应用23 系统组成 ?卫星星座 ?由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）；轨 道倾角i =0°；公转周期T=24h恒星时；轨道高度 H=36000km 。 ?地面系统 ?一个中心站、定轨观测网、校准站、测高站 2005-9-8 GPS技术与应用24 技术特点 ?服务区域： ? 70°~145°E；5°~55°N ?用户设备： ?定位收发机的瞬间发射功率较大 ?定位精度： ?平面精度±20m；垂直精度±10m 13 2005-9-8 GPS技术与应用25 定位原理 卫星1 ☆星下点1 ☆星下点2 定位圆1 定位圆2 地面中心站 卫星2 地面中心站通过2颗卫星传送 测距问询信号，用户回复应 答信号。地面中心站可根据 用户的应答信号的时差计算 出卫地距离，这样以两颗定 位卫星为中心以两个卫地距 离为半径可作出两个定位 球。而两个定位球又和地面 交出两个定位圆，用户必定 位于两个定位圆相交的两个 点上（这两个交点一定是以 赤道为对称轴南北对称 的）。地面中心站求出用户 坐标后，再根据坐标在地面 数字高程模型中读出用户高 程，进而让卫星转告用户。 2005-9-8 GPS技术与应用26 四、伽俐略系统（GAILILEO） 从1994年欧盟开始对伽利略 （GAILILEO）系统方案实施论 证以来，2000年欧盟已向世界 无线电委员会申请并获准建立 伽利略（GAILILEO）系统的L 频段的频率资源。2002年3月 欧盟15国交通部长一致同意伽 利略（GAILILEO）系统的建 设。该系统由欧盟各政府和私 营企业共同投资（36亿欧 元），是将来精度最高的全开 放的新一代卫星定位系统。 14 2005-9-8 GPS技术与应用27 系统组成 ?卫星星座 ? 3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星（27颗工作 卫星，3颗备用卫星）；轨道倾角i =56°；公转周 期T=14h23m14s；轨道高度H=23616km。 ?地面系统 ?在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。 ?定位精度 ?导航定位精度比目前任何系统都高 2005-9-8 GPS技术与应用28 计划实施 ? 1994年开始进入方案论证阶段； ? 2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段； ? 2008年整个伽利略（GNSS）系统建成并投入 使用。 15 2005-9-8 GPS技术与应用29 服务方式 按不同用户层次分为免费服务和有偿服务两种级别。免费服务包 括：提供L1频率基本公共服务，与现有的GPS民用基本公共服务 信号相似，预计定位精度为10m。有偿服务包括：提供附加的L2 或L5信号，可为民航等用户提供高可靠性、完好性和高精度的信 号服务。系统定义了三种类型的业务： 1. 开放接入业务（OAS）：向民用用户开放的免费业务 2. 一类控制接入业务（CAS 1）：为商业应用提供有偿服务。 3. 二类控制接入业务（CAS 2）：为安全和军事提供有偿服务。 所有这三类服务的精度都优于10m。CAS 2可实现水平4m、垂直 16m的定位精度。 2005-9-8 GPS技术与应用30 五、全球定位系统（GPS） 全球定位系统的全称是：导航卫星测时测距/全球定位系 统（Navigation Satellite Timing and Ranging / Global Positioning System），简称GPS。1973年12月，美国国防 部批准陆、海、空三军联合研制第二代的卫星导航系统—— 全球定位系统（GPS）。该系统是以卫星为基础的无线电导 航系统，具有全能性（陆地、海洋、航空、航天）、全球 性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和定时等多种功 能。能为各类静止或高速运动的用户迅速提供精密的瞬间三 维空间坐标、速度矢量和精确授时等多种服务。 GPS计划经历了方案论证（1974～1978年），系统论 证（1979～1987年），试验生产（1988～1993年）三个阶 段，总投资300亿美元。 16 2005-9-8 GPS技术与应用31 GPS系统组成 2005-9-8 GPS技术与应用32 空间部分 24颗卫星（21颗 工作卫星+3颗备用 卫星），6个近圆 形轨道面，高度约 20200km，轨道倾 斜55°，轨道平面 升交点赤经相差60 °，周期约11小时 58分 17 2005-9-8 GPS技术与应用33 卫星轨道位置分布图 2005-9-8 GPS技术与应用34 ftp://tycho.usno.navy. mil/pub/gps/gpsb2.txt GPS卫星状况 LAUNCH LAUNCH FREQ ORDER PRN SVN DATE STD PLANE --------------------------------------------------------------- ^II-1 14 14 FEB 89 Cs E1 II-2 02 13 10 JUN 89 Cs B3 ^ II-3 16 16 18 AUG 89 Cs E5 ^ II-4 19 19 21 OCT 89 Cs A4 II-5 17 17 11 DEC 89 Cs D3 ^II-6 18 24 JAN 90 Cs F3 *II-7 20 26 MAR 90 II-8 21 21 02 AUG 90 Cs E2 II-9 15 15 01 OCT 90 Cs D2 IIA-10 23 23 26 NOV 90 Cs E4 IIA-11 24 24 04 JUL 91 Rb D1 IIA-12 25 25 23 FEB 92 Cs A2 *IIA-13 28 10 APR 92 IIA-14 26 26 07 JUL 92 Rb F2 IIA-15 27 27 09 SEP 92 Cs A3 IIA-16 01 32 22 NOV 92 Cs F1 IIA-17 29 29 18 DEC 92 Rb F4 IIA-18 22 22 03 FEB 93 Rb B1 LAUNCH LAUNCH FREQ ORDER PRN SVN DATE STD PLANE --------------------------------------------------------------- IIA-19 31 31 30 MAR 93 Cs C3 IIA-20 07 37 13 MAY 93 Rb C4 IIA-21 09 39 26 JUN 93 Cs A1 IIA-22 05 35 30 AUG 93 Cs B4 IIA-23 04 34 26 OCT 93 Rb D4 IIA-24 06 36 10 MAR 94 Cs C1 IIA-25 03 33 28 MAR 96 Cs C2 IIA-26 10 40 16 JUL 96 Cs E3 IIA-27 30 30 12 SEP 96 Cs B2 IIA-28 08 38 06 NOV 97 Rb A5 **IIR-1 42 17 JAN 97 IIR-2 13 43 23 JUL 97 Rb F5 IIR-3 11 46 07 OCT 99 Rb D2 IIR-4 20 51 11 MAY 00 Rb E1 IIR-5 28 44 10 JUL 00 Rb B5 IIR-6 14 41 10 NOV 00 Rb F1 IIR-7 18 54 30 JAN 01 Rb E4 IIR-8 16 56 29 JAN 03 Rb B1 IIR-9 21 45 31 MAR 03 Rb D3 IIR-10 22 47 21 DEC 03 Rb E2 IIR-11 19 59 20 MAR 04 Rb C3 IIR-12 23 60 23 JUN 04 Rb F4 IIR-13 02 61 06 NOV 04 Rb D7 * Satellite is no longer in service. ** Unsuccessful launch. TOTAL: 28 as of January 6, 2003 18 2005-9-8 GPS技术与应用35 GPS卫星发展历程 ?第一代：实验卫星(Block I) ? 1978-1985共发射11颗，设计寿命5年，停止工作 ?第二代：Block II 、Block IIA、Block IIR、 Block IIF ? 1988-1994年共发射28颗Block II 、Block IIA ?第三代：Block I Ⅲ ?下一代工作卫星 2005-9-8 GPS技术与应用36 BLOCK I BLOCK II/IIA 19 2005-9-8 GPS技术与应用37 BLOCK IIF BLOCK IIR 2005-9-8 GPS技术与应用38 控制部分 1个主控站、5个监测站、3个注入站 20 2005-9-8 GPS技术与应用39 用户设备部分 用户设备主要是GPS接收机，它由天线前置放大器、 信号处理、控制与显示、记录和供电单元组成。 2005-9-8 GPS技术与应用40 GPS系统的特点 一．定位精度高 二．观测时间短 三．测站间无需通视 四．可提供三维坐标 五．操作简便 六．全天候作业 七．功能多，应用广 21 2005-9-8 GPS技术与应用41 美国对GPS用户的限制性政策 1.标准定位服务（SPS）和精密定位服务 （PPS） 2.选择性可用（SA）政策——对（SPS）服务 实施干扰 3.反电子欺骗技术(A-S)——对P码实施加密 2005-9-8 GPS技术与应用42 1.标准定位服务和精密定位服务 ? Precise Positioning Service - PPS(P-code) ? Standard Positioning Service - SPS(C/A code) 340 nanoseconds200 nanosecondstime transfer 156 meters27.7 metersvertical plane 100 meters22 metershorizontal plane SPS (95%)PPS (95%)Accuracy in: 22 2005-9-8 GPS技术与应用43 2.选择性可用政策（Selective Availability ，SA） ?δ技术 ?将钟频信号加入高频抖动使C/A码波长不稳定 ?ε技术 ?将广播星历的卫星轨道参数加入人为误差，降低定 位精度 ? SA政策1991年7月1日实施，因影响美国商业 利益，于2000年5月2日取消SA政策 2005-9-8 GPS技术与应用44 GPS Fluctuations Over Time on May 2, 2000 This is a plot of GPS navigational errors through the SA transition prepared by Rob Conley of Overlook Systems for the GPS Support Center in Colorado Springs, Colorado. The GPS errors can be seen diminishing significantly around 0405 UTC (shortly after midnight EDT). The data indicates a circular error of only 2.8 meters and a spherical error of 4.6 meters during the first few hours of SA-free operation. The data was measured using a Trimble SV6 receiver. 23 2005-9-8 GPS技术与应用45 GPS Accuracy Before and After SA Removal The images compare the accuracy of GPS with and without selective availability (SA). Each plot shows the positional scatter of 24 hours of data (0000 to 2359 UTC) taken at one of the Continuously Operating Reference Stations (CORS) operated by the NCAD Corp. at Erlanger, Kentucky. On May 2, 2000, SA was set to zero. The plots show that SA causes 95% of the points to fall within a radius of 45.0 meters. Without SA, 95% of the points fall within a radius of 6.3 meters. May 1, 2000 May 3, 2000 2005-9-8 GPS技术与应用46 3.反电子欺骗技术(Anti-spoofing ， A-S) 尽管P码的码长是一个非常惊人的天文数字（码长为 2.35×1014比特）至今无法破译，但是美国军方还是担心 一旦P码被破译，在战时敌方会利用P码调制一个错误的导 航信息，诱骗特许用户的GPS接收机错锁信号——导致错 误导航。为了防止这种电子欺骗，美国军方将在必要时引入 机密码（W码），并通过P码与W码的模二相加转换为Y 码，即对P码实施加密保护： PWY⊕= 24 2005-9-8 GPS技术与应用47 作业 1.阅读材料卫星定位系统原理与发展应用前 景.PDF，简述GPS、GLONASS、 GAILILEO、北斗双星四大无线卫星定位系统 （系统组成、技术特点、定位原理） 2. GPS系统的组成？ 3. GPS系统特点？ 4.美国对GPS用户的主要限制性政策？