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1、GPS原理及其应用,徐晓华,地理信息系统专业 20011130103土地资源管理专业 20019450102,课程的要求基本概念的掌握知识面的拓展课程成绩闭卷考试70，平时成绩（作业和提问）30主要考核基本概念和基本知识考核包括简单的计算，无公式推导考试范围为课程的讲授范围13周上复习课，14周考试,参考文献1.徐绍铨等，GPS测量原理及应用，武汉大学出版 社，20032.周忠谟等，GPS卫星测量原理与应用，测绘出版 社，19973.刘基余，GPS卫星导航定位原理与方法，科学出版社，20034.李征航，空间定位技术及应用，武汉大学出版社，2003,一、绪论（1）二、坐标系统和时间系统（2）三、
2、卫星运动基础及GPS卫星星历（3）四、GPS卫星的导航电文和卫星信号（4）五、GPS卫星定位基本原理（5，6，7）六、GPS卫星导航（8）七、GPS测量的误差来源及其影响（9，10）八、GPS测量的设计与实施（11）九、GPS测量数据处理（12）十、GPS应用（13）,内容提要,1.1 GPS卫星定位技术的发展,一、绪论,常规定位方法古人的定位方法利用自然天体定向：日、月、特别的星体利用自然景观、自然现象定向：树木的生长态势，植物的生长态势（如苔藓、年轮）利用人造器械定向：司南，指南针,常规定位方法近、现代的常规定位方法采用的仪器设备尺：铟钢尺光学仪器：经纬仪，水准仪电磁波或激光仪器：测距仪综
3、合多种技术的仪器：全站仪观测值角度或方向观测距离观测天文观测方法,常规定位方法的局限性需要事先布设大量的地面控制点观测点之间需要保证通视需要修建觇标边长受到限制作业难度大效率低：无用的中间过渡点无法同时精确确定点的三维坐标观测受气候、环境条件限制受系统误差影响大难以确定地心坐标,卫星定位技术产生的必然性提供精确的地心坐标的需要提供全球统一的坐标的需要长距离高精度定位的需要全天候、快速、精确、简便定位方式的需要,早期的卫星定位技术卫星作为光学观测目标子午卫星导航系统（美国）CICADA卫星导航系统（苏联）,子午卫星系统子午卫星系统（NNSS Navy Navigation Satellite S
4、ystem）也称为Transit卫星沿着地球子午圈轨道运行，即轨道绕过地球南北极上空，故又成子午卫星系统系统组成空间部分卫星及卫星星座控制部分跟踪站计算中心注入站控制中心海军天文台用户部分接收机,卫星星历广播星历精密星历定位方法单点定位联测定位短弧定位,TRANSIT系统卫星：6颗极地轨道轨道高度：1100km信号频率：400MHz、150MHz卫星通过时间间隔：100min，有时达到10h绝对定位精度：1m相对定位精度：0.1m0.5m定位原理：多普勒定位,多普勒定位原理多普勒频移与多普勒计数单点定位,多普勒定位对观测时间的要求多普勒计数的时间间隔一般取4.6s，通常合成57个4.6s（约0
5、.5min）的长计数为多普勒观测值一颗子午卫星一次通过用户上空时间约1018min，一次通过可采集2040次有效观测值以5颗子午卫星计算，低纬度地区每天15次左右的卫星通过，高纬度地区约30次两次卫星通过时间间隔0.81.6h，同一颗卫星间隔更长些一台接收机需观测15次合格的卫星通过，单点定位精度10m左右；各测站观测公共的17次合格卫星通过，联测定位精度0.5m左右,问题：子午卫星导航系统存在什么问题？,存在的主要问题：一次定位所需时间过长；卫星少，无法实现连续导航定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。,全球定位系统概述美国为军事目的而建立通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供
6、导航定位服务定位原理：被动式电磁波测距、距离交会,1.2 GPS系统组成,什么是全球定位系统全球定位系统 GPS 的英文全称是 NAVigation Satellite Timing And Ranging/Global Positioning System（授时与测距导航系统/全球定位系统），简称 GPS 有时也被称作NAVSTAR GPS。根据Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。,GPS的系统组成由空间部分、地面部分和用户部分
7、等组成,空间部分（Space Segment）GPS卫星星座设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h 58min（地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至12颗卫星当前星座：28颗,GPS卫星 作用：接收、存储导航电文生成用于导航定位的信号（测距码、载波）发送用于导航定位的信号（采用双向调制法调制在载波上的测距码和导航电文）接受地面指令，进行相应操作其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟）信号生成与发射装置卫星重量
8、：890kg(Block),GPS卫星类型试验卫星：Block(19781985)工作卫星：Block(1989)Block：存储星历能力为14天，具有SA和AS功能Block A（Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜Block R（Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯Block F（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率GPS卫星编号：PRN（Pseudorandom Noise code）编号SVN(Space Vehicle Number)编号,Block IIR,B
9、lock IIA,Block IIR,Block IIF,Block IIR,地面监控部分（Ground Segment）主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统,GPS的地面监控部分,主控站管理、协调地面监控系统各部分的工作编算广播星历 轨道参数、卫星钟改正数等调整卫星状态调度卫星监测站对卫星进行跟踪观测记录气象数据将数据传送到主控站注入站向卫星注入导航电文和指令等,用户部分（User Segment）组成用户接收设备接收设备GPS信号接收机,GPS信号接收机组成天线单元天线前置放大器接收天线接收单元信号通道（channel）存储器微处理器输入输出设备电源,任务 按一定高度截止角捕
10、获卫星，跟踪卫星运行 对接收到的GPS信号，具有变换、放大、处理功能 测量信号传播时间，解译导航电文；实时计算用户位置、速度与时间,美国政府的GPS政策：限制非特许用户利用GPS进行导航定位的能力测距码：P码与C/A码；载波：L1与L2SPS与PPSSPS 标准定位服务（Standard Positioning Service）只提供L1载波上的C/A码和导航电文单点实时定位精度：2040mPPS 精密定位服务（Precise Positioning System）提供L1、L2载波上的P码，L1载波上的C/A码，导航电文和消除SA的密匙单点实时定位精度：510m,SA Selective A
11、vailability（选择可用性）技术 在广播星历中加入长周期的干扰技术 在卫星的基准频率（原子钟信号）中加入快速的抖动AS Anti-Spoofing（反电子欺骗）P+WY自2000年5月1日起，停止实施SA技术,GLONASS系统(GLObal Navigation Satellite System,俄罗斯),星座组成24颗卫星（213）三个轨道平面每个轨道面上卫星均匀分布轨道高度：19100km轨道倾角：64.8卫星运行周期：11h15min1995年底建成,GLONASS信号每颗卫星载波频率不同计划调整载波频率，使同轨道上相对的卫星载波频率相同。2005年后L1:1598.06251
12、604.2500MHzL2:1242.93751247.7500MHz各颗卫星也有C/A码与P码，且不同卫星间相同无SA与AS技术，但不向民用用户提供P码GLONASS单点定位精度平面 20m左右；高程 40m左右（95%）,GALILEO系统(欧洲),星座组成30颗卫星（273）三个轨道平面轨道高度：23616km轨道倾角：56Galileo信号根据公开、安全、商业、政府四种服务模式采用不同信号载波频率：L波段（E1,E2,E5a,E5b和E6）,星座建立计划2004，发射GSTB(Galileo System Test Bed)试验卫星20052006，发射4颗工作卫星，在轨作业试验200
13、8，建立Galileo工作星座,北斗卫星导航系统(中国),系统组成导航卫星：2颗地球同步卫星（Sat-31/32静地卫星），东经80度与140度上空地面中心站：地面控制中心地面数据处理中心定轨观测网：3个以上地面定轨观测站校准站测高站用户发收机 系统建成时间：2000年底,定位原理主动式：用户设备既接收也发送信号，地面中心站解算用户位置并告知用户；需要高程约束解算用户位置，且用户不能自己解算坐标。定位精度：平面 20m,1.3 GPS在国民经济建设中的应用,将在第十章中详细介绍陆地应用海洋应用航空应用航天应用,思考题1：子午卫星系统与GPS定位原理有何区别？思考题2：为什么在卫星原子钟基准频率
14、中加入干扰可以降低定位精度？,二、坐标系统和时间系统,天球坐标系与地球坐标系与地球体固连在一起且与地球同步运动的坐标系，其中以地心为原点的坐标系则称为地心地固坐标系另一类是空间固定的坐标系，与地球自转无关，称为惯性坐标系或天球坐标系，主要用于描述卫星和地球的运行位置和状态。,地球坐标系大地坐标系空间直角坐标系天球坐标系天球空间直角坐标系天球球面坐标系,地心空间直角坐标系坐标原点在地球质心，Z轴与地球平均自转轴重合，即指向某一时刻的平均北极点；X轴指向格林尼治平均子午面与赤道面的交点Ge，Y轴与此平面垂直，指向东为正构成右手系。,地球坐标系,地心大地坐标系大地经度B大地纬度L大地高H,设P点的大
15、地经度为L，在过P点的子午面上，以子午圈椭圆中心为原点，建立x,y平面直角坐标系。在该坐标系中，P点的位置用L,x,y表示。,子午面直角坐标系,大地站心地平坐标系是以测站法线和子午线方向为依据的坐标系。原点位于测站，z轴与该点的法线重合，x轴垂直于z轴指向椭球短轴，y轴垂直于xoz平面，构成左手坐标系。点的坐标可用(x,y,z)或(S,A,Z)表示。,站心地平坐标系,地球椭球基本参数及其互相关系 地球椭球是经过适当选择的旋转椭球,旋转椭球的形状和大小常用子午椭圆的五个基本几何参数(或称元素):椭圆的长半轴椭圆的短半轴椭圆的扁率椭圆的第一偏心率椭圆的第二偏心率,各种地球坐标系间的关系,空间直角坐
16、标同子午面直角坐标系的关系,空间直角坐标系同大地坐标系的关系 已知大地坐标计算相应空间直角坐标在椭球面上的点：不在椭球面上的点：,已知空间直角坐标计算相应大地坐标,不同空间直角坐标系之间的转换原点相同的两坐标系O-X1Y1Z1和O-X2Y2Z2，通过三次旋转，可实现O-X1Y1Z1到O-X2Y2Z2的变换,原点不同的两坐标系：三参数、七参数等,不同大地坐标系的转换,站心地平直角坐标系与地心直角坐标系转换,卫星测量常用坐标系,天球坐标系基本概念：天球：地球质心为中心，半径任意的假想球体天轴与天极：地球自转轴的延伸为天轴，与天球的交点为天极天球赤道面：过地球质心与天轴垂直的平面天球子午面：包含天轴
17、与天球上任一点的平面黄道：地球公转轨道面与天球相交的大圆黄极：通过天球中心垂直于黄道面的直线与天球的交点春分点：太阳在黄道上从南到北运行时，黄道与天球赤道的交点,天球空间直角坐标系原点o位于地球质心，z轴指向天球北极，x轴指向春分点，y轴垂直于xoz平面与x和z轴构成右手系天球球面坐标系原点o位于地球质心，赤经 为含天轴和春分点的天球子午面与过天体s的天球子午面的夹角；赤纬 为原点至s连线与天球赤道面的夹角，向径长度r为原点至s的距离,瞬时极天球坐标系z轴指向瞬时地球自转轴；x轴指向瞬时春分点也称真天球（赤道）坐标系平天球坐标系选某一时刻 为标准历元，将此刻地球的瞬时自转轴和地心至瞬时春分点的
18、方向经岁差和章动改正后分别作z轴和x轴的指向，称为标准历元 的平天球坐标系 也称协议天球坐标系（协议惯性系CIS）J2000.0(TDB时2000年1月1.5日)为标准历元,瞬时极天球坐标系与平天球坐标系的关系岁差：由于地球的实际形状，日月和其它天体引力的影响下，地球自转轴具有周期约25800年绕黄极一周的长周期运动，该运动使得春分点每年约产生50.2“的向西运动章动：地球自转轴所产生的一系列短周期变化被统称为章动,地球坐标系瞬时极地球坐标系Z轴指向瞬时地球自转轴；X轴指向瞬时赤道面和格林尼治平子午面的交点协议地球坐标系(CTS)以协议地极（CIO）为基准点不同的机构组织用不同的方法得到不同的
19、CIO瞬时极地球坐标系与协议地球坐标系的关系极移：地球自转轴相对于地球体位置随时间而变化的现象,瞬时极地球坐标系与协议地球坐标系的关系极移：地球自转轴相对于地球体位置随时间而变化的现象极移运动规律：地极坐标系,WGS-84世界大地坐标系WGS-84是一个协议地球参考系CTS原点是地球质心，Z 轴指向BIH1984.0定义的协议地极CTP方向，X轴指向BIH1984.0零度子午面和CTP赤道的交点，Y轴和Z、X 轴构成右手坐标系,WGS-84坐标系统采用的4个基本参数：a=6 378 137mGM=3 986 005108m3s-2C2,0=-484.166 8510-6=7 292 11510
20、-11rad/s,国际地球自转服务(IERS)的任务：维持国际天球参考系统(ICRS)和框架(ICRF)；维持国际地球参考系统(ITRS)和框架(ITRF)；为当前应用和长期研究提供及时准确的地球自转参数(EOP)。,ITRS与ITRF,国际地球参考系统(ITRS),一种协议地球参考系统：原点为地心，并且是指包括海洋和大气在内的整个地球的质心；长度单位为米(m)，并且是在广义相对论框架下的定义；Z 轴从地心指向BIH1984.0定义的协议地球极(CTP)；X 轴从地心指向格林尼治平均子午面与CTP赤道的交点；Y轴与XOZ 平面垂直而构成右手坐标系,国际地球参考框架(ITRF)ITRF是ITRS
21、的具体实现，是通过IERS分布于全球的跟踪站的坐标和速度场来维持并提供用户使用的。IERS每年将全球站的观测数据进行综合处理和分析，得到一个ITRF框架，并以IERS年报和IERS技术备忘录的形式发布。考虑了框架的随时间变化，是一个准四维的坐标系统 IGS精密星历是基于一特定历元的ITRF框架目前最新、精度最ITRF框架是ITRF2000,1954年北京坐标系,地球参心坐标系它的原点不在北京，而在前苏联的普尔科沃。相应的椭球为克拉索夫斯基椭球。缺点：椭球参数有较大误差。参考椭球面与我国大地水准面存在着自西向东明显的系统性的倾斜，在东部地区大地水准面差距最大达+68m。定向不明确,1980年国家
22、大地坐标系,地球参心坐标系特点：采用1975年国际大地测量与地球物理联合会(IUGG)第16届大会上推荐的4个椭球基本参数。地球椭球长半径 a=6 378 140 m，地心引力常数 GM=3.986 0051014m3/s2,地球重力场二阶带球谐系数J2=1.082 6310-8,地球自转角速度=7.292 11510-5 rad/s。,参心大地坐标系是在1954年北京坐标系基础上建立起来的。椭球面同似大地水准面在我国境内最为密合，是多点定位。定向明确。椭球短轴平行于地球质心指向地极原点 的方向 大地原点地处我国中部，位于西安市以北60 km 处的泾阳县永乐镇，简称西安原点。大地高程基准采用1
23、956年黄海高程系,不同坐标系统的控制点坐标可以通过一定的数学模型，在一定的精度范围内进行互相转换，使用时必须注意所用成果相应的坐标系统。,高斯平面坐标系、地方独立坐标系,恒星时ST(Sidereal Time)平太阳时MT(Mean Solar Time)世界时UT(Universal Time)原子时TAI(International Atomic Time)协调世界时UTC(Coordinated Universal Time)GPS时GPST(GPS Time),时间系统,世界时系统恒星时（Sidereal Time-ST）参考点：春分点定义：春分点连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一
24、恒星日，并由此派生出“时”、“分”、“秒”等单位是一种地方时*有真恒星时（LAST Local Apparent Sidereal Time）与平恒星时（LMST Local Mean Sidereal Time）之分,平太阳时（Mean Solar Time）参考点：平太阳定义：假设一个参考点的视运动速度等于真太阳周年运动平均速度，且其在天球赤道上作周年视运动，这个参考点称为平太阳。平太阳连续两次经过本地子午圈的时间间隔为一平太阳日是一种地方时民用时使用平太阳时的不便之处平太阳时从正午起算，同一白天日期不同民用时（mc）的定义,世界时（Universal Time UT）格林尼治零子午线处的
25、民用时称为世界时*UT0、UT1与UT2问题的引出：极移和地球自转的不均匀（长期趋势变缓，且存在短周期变化和季节性变化）UT0：未经改正的世界时UT1：引入极移改正（）的世界时UT2：引入极移改正（）和地球自转速度的季节改正（Ts）的世界时,原子时（Atomic Time AT）定义尺度：1967年10月，第十三届国际度量衡大会通过：位于海平面上的铯133（Cs133）原子基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁辐射振荡9192631770周所持续的时间为1原子时秒。原点：原本规定AT与UT2在1958年1月1日0h时相同，但实际相差0.0039秒，即：(AT-UT2)1958.0=-0.0039秒
26、国际原子时（International Atomic Time TAI）1977年建立通过100台原子钟比对求得TT=TAI+32.184s,协调世界时（Universal Time Coordinated UTC）与AT秒长相同通过跳秒，与UT的差值保持在0.9秒内通常在6月30日24h或12月31日24h进行跳秒,具体时间由IERS决定并通告UTC+跳秒TAI各国时号的发播均以UTC为基准GPS时（GPS Time GPST）原子时，1986年1月6日0h与UTC重合TAI GPST=19s,力学时系统（Dynamic Time DT）定义：根据行星在太阳系中的运动所得到的时间，称为力学时*历书时（Ephemeris Time ET）*地球动力学时（Terrestrial Dynamic Time TDT）*太阳质心力学时（Barycentric Dynamic Time-TDB）,思考题1：赤纬与大地纬度B有何区别；赤经与大地经度L有何区别？思考题2：瞬时天球坐标系与平天球坐标系的关系；瞬时地球坐标系与协议地球坐标系的关系；瞬时天球坐标系与瞬时地球坐标系的关系？思考题3：世界时（UT）与协调世界时(UTC)的区别与联系？,
