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1、GPS卫星测量原理,东华理工学院,GSI Japan - 21st of June 1999,GPS卫星测量原理东华理工学院GSI Japan - 21s,第一节 导言,1.1 GPS定位技术的兴起与技术特点 1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，40年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域，得到了极广泛应用。1. GPS的由来 人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satel
2、lite SystemNNSS）。由于该系统卫星都通过地极，也称“子午(Transit)卫星系统”。,第一节 导言1.1 GPS定位技术的兴起与技术特点,1964年该系统建成，并在美国军方启用。1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。该系统不受气象条件的限制，自动化程度高，具有良好的定位精度。 尽管NNSS在导航技术的发展中具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目少（5-6颗），运行轨道低（1000km ）,观测时间长（1.5小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。而从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观
3、测1-2天；精度低，单点定位精度3-5m，相对定位精度1m，使得在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到很大限制。,1964年该系统建成，并在美国军方启用。1967年美,为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部开始组织陆海空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的“导航卫星授时测距/全球定位系统”（Navigation Satellite Timing and ranging / Global Positioning System）简称全球定位系统（GPS）。 为使GPS具有高精度连续实时三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性能，在设计上采取
4、了若干改善措施。,为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，197,GPS卫星测量原理解析课件,GPS与NNSS的主要技术特征,GPS与NNSS的主要技术特征系统特征NNSSGPS载波频率,2. GPS系统的特点GPS定位技术相对于经典测量技术，有如下特点：1 观测站之间无需通视。但应保证观测站上方开阔。2 定位精度高。目前在小于50km的基线上，相对定位精度可达1-210-6，在100km-500km的基线上可达10-6-10-7，随着观测技术和数据处理方法的改善，在大于1000km的基线上，相对定位精度可望达到10-8。3 观测时间短。对于小于20km的短基线快速相对定位只需几分钟。
5、4 提供三维坐标。5 自动化程度高，操作简便。测量员只需安装并开关仪器、量取仪器高、监视仪器工作状态和采集环境气象数据。而卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成。6 全天候作业。任何时间任何地点连续进行，一般不受天气影响。,2. GPS系统的特点,GPS卫星测量原理解析课件, 1.2 GPS的组成概况, 1.2 GPS的组成概况,1. 空间星座部分（1） GPS卫星星座组成 24颗卫星，其中3颗备用，分布在6个轨道面上。轨道面相对地球赤道面的倾角为550，各轨道平面升交点赤经相差600，相邻轨道上卫星的升交距角相差300。轨道平均高度约20200km，运行周期11h58m。因此，同一测站
6、上每天出现卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间地点而异，最少4颗，最多达11颗。,1. 空间星座部分,GPS卫星迄今已设计了三代。第一代Block1型用于系统实验，称实验卫星，共研制和发射了11颗，设计寿命5年，现已停止工作。第二代Block2和2A型卫星称为工作卫星，共研制了28颗，设计寿命7.5年，从1989年初到1994年上半年发射完毕。第三代Block3和2R型卫星尚在设计中，预计20颗，以取代第二代卫星，改善全球定位系统。,GPS卫星迄今已设计了三代。第一代Block1,（2）GPS卫星及其功能 GPS卫星主
7、体呈圆柱形，直径1.5m，重774kg，两侧有两块双叶太阳能电池板，自动对日定向。每颗卫星装有4台高精度原子钟（卫星的核心设备）（2台铷钟和2台铯钟），发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度时间标准。未来卫星将采用更稳定的原子钟。 因为10-9s的时间误差将引起30cm的站星距离误差。,（2）GPS卫星及其功能,GPS卫星,GPS卫星,卫星时钟的稳定性,卫星时钟的稳定性钟型时间频率 Hz每日稳定度f / f钟差,GPS卫星的基本功能1 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令。2 利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。3 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。
8、4 向用户发送定位信息。5 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。,GPS卫星的基本功能,2. 地面监控部分GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（1个）和注入站（3）（1） 监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。,2. 地面监控部分,地面监控站的分布,地面监控站的分布,（2） 主控站除协调和管理地面监控系统外，主要任务：1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫
9、星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4）启用备用卫星代替失效工作卫星。,（2） 主控站,（3 ）注入站：主要设备为1台直径3.6m的天线、1台c波段发射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。 整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的
10、驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。,（3 ）注入站：主要设备为1台直径3.6m的天线、1台c波段,GPS卫星测量原理解析课件,3. 用户设备部分GPS接收机: 接收GPS卫星发射的无线电信号，获得必要的定位信息和观测量，经数据处理完成定位工作。GPS接收机由硬件和数据处理软件、微处理机及终端设备组成。接收机硬件包括主机、天线和电源。,3. 用户设备部分,接收机,接收机, 1.3 美国政府的GPS限制性政策1. 美国对GPS用户的主要限制性政策 为保障美国的利益和安全，该系统在设计时采取了一些措施来限定非特许用户获取GPS观测量的精度。（1） 对不同的用户提供不同的服务方式 GPS卫星发射的
11、无线电信号含有两种不同精度的测距码，即P码（精码）和C/A码（粗码）。相应两种码提供两种定位服务方式，即精密定位服务（Precise Positioning ServicePPS）和标准定位服务（Standard Positioning ServiceSPS）。, 1.3 美国政府的GPS限制性政策,PPS可提供L1、L2载波上的P码（不公开的保密码），L1载波上的C/A码、导航电文和消除SA影响的密匙，服务对象是美国军事部门和其它特许用户。利用P码能获得较高精度的观测量，且通过两种频率测距可消除电离层折射的影响，单点实时定位精度5-10m。 SPS只能利用L1载波上的C/A码和导航电文，获得
12、精度较低的观测量，无法利用双频技术消除电离层的影响，单点实时定位精度20-40m。,PPS可提供L1、L2载波上的P码（不公开的保密码），,（2）实施选择可用性政策（SA） 为进一步降低SPS的定位精度，对工作卫星发射的信号进行人为干扰，通过所谓的（epsilon)和（delta)两种技术来实现。技术是干扰卫星星历数据，通过降低GPS卫星播发的轨道参数精度，来降低利用C/A码进行实时单点定位的精度。技术是在GPS的基准信号中人为地引入一个高频抖动信号，以降低C/A码伪距观测量的精度。 在SA的影响下，SPS实时单点定位精度降为100m（水平）和150m（垂直），且此影响是可变的。,（2）实施选
13、择可用性政策（SA）,（3） 精密测距码的加密措施（AS） P码的加密措施也称反电子欺骗措施。当P码被解密，或在战时，对方如果知道了特许用户接收机所接收的卫星信号的频率和相位，便可以发射适当频率的干扰信号，诱使特许用户的接收机锁错信号，产生错误的导航信息。为防止这种电子欺骗，进一步加密P码，美国将在必要时引入机密码W，通过P码和W码的模2相加，将P码转换成Y码。,（3） 精密测距码的加密措施（AS）,实时单点定位的平面精度 m,实时单点定位的平面精度 m实施政策SPSPPSSAASC/,2. 非特许用户对美国限制性政策的措施 为摆脱和减弱美国限制性政策影响，各国广泛开展研究、开发和实验，取得了
14、有效结果。（1）建立独立的GPS卫星测轨系统：利用GPS卫星，建立独立的跟踪系统，精密的测定卫星轨道，为用户提供服务。 我国已经建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性GPS跟踪站，对GPS进行精密定轨，为高精度的GPS定位测量提供观测数据和精密星历服务。,2. 非特许用户对美国限制性政策的措施,（2）建立独立的卫星定位系统 最具代表性的是前苏联建立的全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite SystemGLONASS）。该系统与GPS相似，21+3颗卫星，均匀分布在三个轨道面上，轨道面倾角64.80，运行周期11h15m，1995年建成。导航精度平
15、面为100m，速度为15cm/s，时间为1s。,（2）建立独立的卫星定位系统定位系统卫星数目平均高度运行周期,GLONASS星座,GLONASS星座,（3）开发GPS与GLONASS兼容接收机 由于GPS和GLONASS在系统的构成、工作卫星的数目、工作频段和定位原理上都相似，开发能同时跟踪观测两系统的兼容接收机，不仅可增加可观测卫星数目，而且可有效地减弱美国限制性政策（SA）的影响，提高导航定位的安全性、可靠性和准确性。,（3）开发GPS与GLONASS兼容接收机,（4）研究与开发差分GPS定位技术 差分GPS（Differential GPSDGPS）通常指用户应用测距码进行实时相对定位技术。由于在相邻观测站上，SA对同一卫星观测值的影响具有强相关性。在一定范围内可明显减弱SA等误差影响，显著提高定位精度。 此外，进一步改善GPS接收机对卫星信号的跟踪技术，研究和完善GPS定位的工作模式和数据处理方法，开发相应软件，对克服美国对用户的限制，提高定位精度均有重要意义。,（4）研究与开发差分GPS定位技术,
