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1、GPSGPS全球定位系统全球定位系统全球定位系统全球定位系统原理与应用原理与应用原理与应用原理与应用华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室二00五年课程主要内容课程主要内容u了解了解GPS技术的发展与现状技术的发展与现状 GPS技术的发展、技术的发展、GPS系统的建立、系统的建立、GPS系统的系统的 组成组成u熟悉熟悉GPS的基础概念的基础概念 坐标系统、时间系统、坐标系统、时间系统、GPS卫星星历、导航电文和卫星星历、导航电文和卫星信号、卫星信号、GPS接收机的类型与工作原理接收机的类型与工作原理u掌握掌握GPS导航与定位的原理导航与定位的原理 伪距测量、载波相位测量、绝对定位和相对定位、
2、伪距测量、载波相位测量、绝对定位和相对定位、SA和和AS政策、导航原理与方法政策、导航原理与方法u熟悉熟悉GPS技术的作用和应用领域技术的作用和应用领域 GPS在日常生活、生产应用、科学研究中的作用和在日常生活、生产应用、科学研究中的作用和应用领域应用领域2授课方式与时间安排授课方式与时间安排u以课堂讲解为主，课后自学为辅以课堂讲解为主，课后自学为辅u主要讲解原理，不注重公式推导主要讲解原理，不注重公式推导u下一次课程时间下一次课程时间 9月月22日下午日下午1：30 3：30u考核形式：平时作业（两次）、课后考考核形式：平时作业（两次）、课后考试试3主要参考资料主要参考资料uGPS测量原理与
3、应用测量原理与应用 徐绍诠徐绍诠 武汉大学出版社武汉大学出版社u全球定位系统原理及其应用全球定位系统原理及其应用 刘基余刘基余 测绘出版社测绘出版社uGPS卫星测量原理与应用卫星测量原理与应用 周忠谟周忠谟 测绘出版社测绘出版社4第一部分第一部分 GPSGPS技术及其发展技术及其发展uGPSGlobal Positioning Systemu定义：定义：GPS是美国研制的新一代卫星导航是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可向全球用户提供连续、实时、定位系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。高精度的三维位置，三维速度和时间信息。5卫星定位技术发展的回顾卫星定位技
4、术发展的回顾19571957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，4040年来，人造地球卫星技术在通信、气象、资源勘年来，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。学和军事科学等众多领域，得到了极广泛应用。6卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术发展的回顾人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的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。高度重视。19581958年底，美国海军武器实验室，开始年底，美国海军武器实验室，开始着手建立为
5、美国海军舰艇导航的卫星系统，即着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海海军导航卫星系统军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite Navy Navigation Satellite SystemSystemNNSSNNSS）。）。由于该系统卫星都通过地极，由于该系统卫星都通过地极，也称也称“子午子午(Transit)Transit)卫星系统卫星系统”。19641964年该系统建成，并在美国军方启用。年该系统建成，并在美国军方启用。19671967年美年美国政府批准该系统解密，提供民用。该系统不受气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
6、高，具有良好的定位精象条件的限制，自动化程度高，具有良好的定位精度。度。7卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术发展的回顾尽管尽管NNSSNNSS在导航技术的发展中具有划时代的意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（义，但由于该系统卫星数目少（5-65-6颗），运行颗），运行轨道低（轨道低（10001000km km）,观测时间长（观测时间长（1.51.5小时），小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得一次导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。而从大动态目标
7、（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地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观测测1-21-2天；精度低，单点定位精度天；精度低，单点定位精度3-53-5m m，相对定相对定位精度位精度1 1m m，使得在大地测量和地球动力学研究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。方面的应用，也受到很大限制。8卫星定位技术发展的回顾卫星定位技术发展的回顾为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，切要求，19731973年美国国防部开始组织陆海空三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
8、计划，军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的这就是目前所称的“导航卫星授时测距导航卫星授时测距/全球定全球定位系统位系统”（Navigation Satellite Timing and Navigation Satellite Timing and ranging/Global Positioning Systemranging/Global Positioning System）简称简称全球定位系统（全球定位系统（GPSGPS）。）。为使为使GPSGPS具有高精度连续实时三维导航和定位能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，在设计上采取了力，以及良
9、好的抗干扰性能，在设计上采取了若干改善措施。若干改善措施。9GPSGPS系统的特点系统的特点u全球性连续覆盖，全天候工作全球性连续覆盖，全天候工作u定位精度高定位精度高u观测时间短观测时间短u测站间无需通视测站间无需通视u可提供三维坐标可提供三维坐标u操作简便操作简便u功能多，用途广功能多，用途广10GPSGPS定位系统的组成定位系统的组成GPSGPS定位技术是利用高空中的定位技术是利用高空中的GPSGPS卫星，向地面卫星，向地面发射发射L L波段的载频无线电测距信号，由地面上波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线
10、所在的位置。因此，天线所在的位置。因此，GPSGPS定位系统是由以定位系统是由以下三个部分组成：下三个部分组成：（1 1）GPSGPS卫星星座（空间部分）卫星星座（空间部分）（2 2）地面监控系统（地面控制部分）地面监控系统（地面控制部分）（3 3）GPSGPS信号接收机（用户设备部分）。信号接收机（用户设备部分）。11这三部分有各自这三部分有各自独立的功能和作独立的功能和作用，对于整个全用，对于整个全球定位系统来说，球定位系统来说，它们都是不可缺它们都是不可缺少的。少的。12GPSGPS卫星星座组成卫星星座组成共共2424颗卫星，其中颗卫星，其中3 3颗备用，分布在颗备用，分布在6 6个轨道
11、面上。个轨道面上。轨道面相对地球赤道面的倾角为轨道面相对地球赤道面的倾角为550550，各轨道平，各轨道平面升交点赤经相差面升交点赤经相差600600，相邻轨道上卫星的升交，相邻轨道上卫星的升交距角相差距角相差300300。轨道平均高度约。轨道平均高度约2020020200kmkm，运行周运行周期期1111h58mh58m。因此，同一测站上每天出现卫星分布图形相同，因此，同一测站上每天出现卫星分布图形相同，只是每天提前约只是每天提前约4 4分钟。每颗卫星每天约有分钟。每颗卫星每天约有5 5小时小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，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
12、而异，最少随时间地点而异，最少4 4颗，最多达颗，最多达1111颗。颗。13uGPS系统的空间系统的空间部分由部分由GPS卫星组卫星组成，称为卫星星座。成，称为卫星星座。u卫星星座的分布卫星星座的分布设置要保证地球上设置要保证地球上任何地点，任何时任何地点，任何时刻至少可以同时观刻至少可以同时观测到四颗卫星。测到四颗卫星。GPSGPS卫星星座组成卫星星座组成14u铯原子钟铯原子钟u计算机计算机u2 2块块7 7m m2 2的太阳能翼板的太阳能翼板u无线电收发两用机无线电收发两用机u导航荷载（接收数据，导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据）发射测距和导航数据）u姿态控制和太阳能板指姿态控制和太
13、阳能板指向系统向系统GPSGPS卫星卫星15GPSGPS卫星结构卫星结构双叶对日定向太阳能双叶对日定向太阳能电池帆板，全长电池帆板，全长5.33m，接受日光面接受日光面积积7.2m2。多波束定向天线，这是一种由多波束定向天线，这是一种由12个单元构成个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和和L2波段波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上在星体两端面上装有全向遥测遥装有全向遥测遥控天线，用于与控天线，用于与地面监控网通信。地面监控网通信。16GPSGPS卫星迄今已设计了三代。卫星迄今已设计了三代。第一代第一代
14、Block1Block1型用于系统实验，型用于系统实验，称实验卫星，共研制和发射了称实验卫星，共研制和发射了1111颗，设计寿命颗，设计寿命5 5年，现已停年，现已停止工作。第二代止工作。第二代Block2Block2和和2 2A A型型卫星称为工作卫星，共研制了卫星称为工作卫星，共研制了2828颗，设计寿命颗，设计寿命7.57.5年，从年，从19891989年初到年初到19941994年上半年发射年上半年发射完毕。第三代完毕。第三代Block3Block3和和2 2R R型卫型卫星尚在设计中，预计星尚在设计中，预计2020颗，以颗，以取代第二代卫星，改善全球定取代第二代卫星，改善全球定位系统
15、。位系统。GPSGPS卫星星座组成卫星星座组成17GPSGPS星座参数星座参数卫星卫星：24 颗颗轨道轨道：面：面6个个长长 半半 轴：轴：26609km偏偏 心心 率：率：0.01轨道面相对赤道面的倾角：轨道面相对赤道面的倾角：55各轨道面升交点赤经相差：各轨道面升交点赤经相差：60相邻轨道卫星升交距角相差：相邻轨道卫星升交距角相差：30卫星高度：卫星高度：20200km卫星运行周期：卫星运行周期：11小时小时58分钟分钟181 1 接收和存储由地面监控站发来的导航信息，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。接收并执行监控站的控制指令。2 2 利用卫星上的微处理机
16、，对部分必要的数据利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。进行处理。3 3 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4 4 向用户发送定位信息。向用户发送定位信息。5 5 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫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。星姿态和启用备用卫星。GPSGPS卫星的基本功能卫星的基本功能19GPSGPS地面监控部分地面监控部分GPSGPS的地面监控部分由分布在全球的的地面监控部分由分布在全球的5 5个地面站个地面站组成，其中包括卫星监测站（组成，其中包括卫星监测站（5 5个）、主控站个）、主控站（1 1个）和注
17、入站（个）和注入站（3 3个）个）1 1、监测站：是主控站直接控制下的数据自动监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频采集中心。站内设有双频GPSGPS接收机、高精度接收机、高精度原子钟、计算机原子钟、计算机1 1台和若干台环境数据传感器。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。卫星。到主控站，以确定卫星轨道。卫星。20主控站主控站监控站监控站监控站监控站注入站注入站/监控站监控站注入站注入站/监控站监控站注入站注入站/监控站监控站控制站的分布控制站的分布夏威夷夏威夷卡瓦加兰卡瓦加兰狄
18、哥狄哥伽西亚伽西亚阿松森岛阿松森岛科罗拉多科罗拉多21GPSGPS地面监控部分地面监控部分2 2、主控站主控站除协调和管理地面监控系统外，主要任务：除协调和管理地面监控系统外，主要任务：1 1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各）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、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。送到注入站。2 2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPSGPS卫卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将
19、钟差信息编入导航电文，送入注入站。的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。3 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4 4）启用备用卫星代替失效工作卫星）启用备用卫星代替失效工作卫星。22GPSGPS地面监控部分地面监控部分3 3、注入站：、注入站：主要设备为主要设备为1 1台直径台直径3.63.6m m的天线、的天线、1 1台台c c波段波段发射机和发射机和1 1台计算机。主要任务是在主控站台计算机。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，历、钟差、导航电
20、文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。信息的正确性。整个整个GPSGPS系统的地面监控部分，除主控站外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驱动和控制下，系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。实现高度的自动化标准化。23接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数 据处理机L1 L2S波段波段GPS卫星卫星GPS卫星
21、卫星地面监控系统流程图地面监控系统流程图24GPS地面控制部分的作用地面控制部分的作用负责监控全球定位系统的工作：负责监控全球定位系统的工作：u监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行道运行u跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户由卫星通过导航电文发送给用户u保持各颗卫星的时间同步保持各颗卫星的时间同步u必要时对卫星进行调度必要时对卫星进行调度25GPS用户设备部分用户设备部分u用户部分组成用户部分组成GPS信号接收机及相关设备信号接收机及相关设备uGPS接收机接收机接收、跟踪、变换和测量接收、
22、跟踪、变换和测量GPSGPS信号的无线电设备信号的无线电设备uGPS接收机的组成接收机的组成 天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源uGPS接收机的作用接收机的作用 接收接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作26GPS接收机接收机uDSNPDSNPuLEICALEICAuGARMINGARMIN uTRIMBLE TRIMBLE uASHTECHASHTECHuJAVADJAVAD27GPS接收机接收机28SPSSPS与与
23、PPSPPSSPS SPS 标准定位服务，使用标准定位服务，使用C/AC/A码，民用码，民用PPS PPS 精密定位服务，可使用精密定位服务，可使用P P码，军用码，军用SASA（已于已于20002000年年5 5月月1 1日取消）日取消）Selective Availability Selective Availability 选择可用性：人为降选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。低普通用户的测量精度。方法方法技术：轨道加绕（长周期，慢变化）技术：轨道加绕（长周期，慢变化）技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）化）AS AS Anti-Spoof
24、ing Anti-Spoofing反电子欺骗反电子欺骗 P P码加密，码加密，P+W-YP+W-Y美国政府的美国政府的GPS政策政策29实施政策实施政策SPSPPSSAASC/APC/AP关关关关40104010开开关关100954010开开开开1004010关关开开404010实时单点定位的平面精度（实时单点定位的平面精度（m）30非特许用户对美国限制性政策的措施非特许用户对美国限制性政策的措施uGLONASS 全球导全球导航卫星系统航卫星系统uGalileo系统系统u北斗系统：我国的北斗系统：我国的第一代卫星导航系统第一代卫星导航系统311 1、GLONASSGLONASSu类似于类似于G
25、PS，是俄罗斯以空间为基础的无线是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统；电导航系统；u其前身其前身CICADA与子午系统同期，于与子午系统同期，于19651965年年设计，有设计，有1212颗卫星；颗卫星；u2020世纪世纪7070年代中期开始启动年代中期开始启动GLONASS计划计划u19821982年年1010月月1212日发射第一颗日发射第一颗GLONASS卫星卫星u19961996年年1 1月月1818日，完成日，完成2424颗卫星的布局，卫星颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力具备完全工作能力u由于经济原因，现在天空上的由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星卫星仅为仅为8 8颗。颗
26、。32GLONASSGLONASS33GPS/GLONASS系统参数比较系统参数比较GPSGLONASS卫星星座21+321+3轨道平面6个轨道面3个轨道面轨道倾角55。64.8。轨道高度20,200km19,123km运行周期11小时58分钟11小时15分钟星历数据轨道开普勒根数地心直角坐标卫星寻址CDMA（码分多址）不同的卫星采用不同的PRN码加以区分FDMA（频分多址）（L1）1602+k?/16MHz（L2）1246+k?/16MHz载波频率L1：1575.42MHzL2：1227.6MHz1602.5625MHz1615.5MHz1246.4375MHz1256.5MHz基准坐标系W
27、GS-84PZ-90测距码伪随机噪声码伪随机噪声码码元数1023 bit511 bit码周期1 ms1 ms码频率1.023 MHz0.511 MHz时间基准GPS时统，与UTC保持一定的差值，无跳秒GLONASS时统，经常调整与UTC保持一致，有跳秒导航电文37500 bits，持续750秒7500 bits，持续150秒342 2、GalileoGalileou背景背景：GLONASS在轨卫星缺失，在轨卫星缺失，GPS独霸市场独霸市场 GLONASS、GPS均由军方控制均由军方控制u欧盟欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统u特点特
28、点：共享的独立于：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的的无增强条件下的适于海陆空的 系统。参股共建，收费。系统。参股共建，收费。u阶段阶段：（一）（一）2000年前，可行性评估或定义年前，可行性评估或定义（二）（二）20012005，开发和检测，开发和检测（三）（三）20062007，部署，部署（四）（四）2008，商业运行，商业运行35欧盟为何重视伽利略计划欧盟为何重视伽利略计划首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额份额。权威部门预计：伽利略计划将为欧盟创造万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有亿欧元之多；
29、仅出售航空和航海终端设备一项就可在年至年将获得亿欧元收入第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务防御政策服务。第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中就没有主导权。务中就没有主导权。36GalileoGalileo计划的历程计划的历程u历程历程：阿基米德：阿基米德-GEO-HEO-MEO-LEO-Galileo主要面临的困难主要面临的困难：投资巨大：“伽利略系统”高达36亿欧元的造价 美国政府的极力反对：美国的干扰在一定程度上推迟了“伽利略”计
30、划的通过各国的态度各国的态度:美国：美国说“伽利略”是个很坏的计划 法国：对美国的垄断感到不满 德国、荷兰、英国：经济37Galileo计划概况伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元系统由30颗高轨道卫星组成，分布在轨道高度为2.4万千米、倾角为56度的3个轨道面上。基础设施包括天基和地基两部分。卫星将为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务，与美国GPS和俄罗斯的GLONASS争夺市场。383 3、北斗系统北斗系统目的：快速定位、目的：快速定位、实时导航，简短通讯，实时导航，简短通讯，精密授时精密授时 由两颗地球同步轨由两颗地球同步轨道卫星组成星座，卫道卫星组成星座，卫星结构
31、简单星结构简单39 定位工作主要在中心站完成，属于主动式导航定位系统二维导航和定位，高程结果需要由其他途径获得主要的优势在于军用：通讯、集团用户的调度和派遣北斗系统定位的特点地面中心站用户S1S2DS1DS2D1D240集团用户解决方案 地面数据处理中心可以：地面数据处理中心可以：利用北斗用户的实时运行轨迹和相关地图对动态用户进行导航和交通管制遥测北斗用户接收机的工作状态，报警用户收发机的故障，识别用户身份，控制用户使用响应并回复集团用户对下属用户的定位审查41第二部分第二部分 GPSGPS基础概念基础概念u坐标系统坐标系统u时间系统时间系统uGPS卫星星历卫星星历u导航电文和卫星信号导航电文
32、和卫星信号uGPS接收机的类型与工作原理接收机的类型与工作原理42GPSGPS坐标系统坐标系统在在GPS定位中，通常采用两类坐标系统：定位中，通常采用两类坐标系统：一类是在空间固定的坐标系，该坐标系与地球一类是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自转无关，对描述卫星的运行位置和状态极其方便。方便。另一类是与地球体相固联的坐标系统，该系统另一类是与地球体相固联的坐标系统，该系统对表达地面观测站的位置和处理对表达地面观测站的位置和处理GPS观测数据观测数据尤为方便。尤为方便。43坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺坐标系统是由坐标原点位置、坐标轴指向和尺度
33、所定义的。度所定义的。在在GPS定位中，坐标系原点一般取地球质心，定位中，坐标系原点一般取地球质心，而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用而坐标轴的指向具有一定的选择性，为了使用上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球上的方便，国际上都通过协议来确定某些全球性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐性坐标系统的坐标轴指向，这种共同确认的坐标系称为标系称为协议坐标系协议坐标系。GPSGPS坐标系统坐标系统44地球坐标系还有其它表示形式：地球坐标系还有其它表示形式：（1）地球参心坐标系）地球参心坐标系（2）天文坐标系）天文坐标系（3）站心坐标系）站心坐标系（4）高斯平面直角坐标系等）高斯平面直角坐
34、标系等GPSGPS坐标系统坐标系统45GPSGPS坐标系统坐标系统在全球定位系统中，为了确定用户接收机的位在全球定位系统中，为了确定用户接收机的位置，置，GPS卫星的瞬时位置通常应化算到统一的卫星的瞬时位置通常应化算到统一的地球坐标系统。地球坐标系统。在在GPS试验阶段，卫星瞬间位置的计算采用了试验阶段，卫星瞬间位置的计算采用了1972年世界大地坐标系（年世界大地坐标系（World Geodetic System WGS-72），），1987年年1月月10日开日开始采用改进的大地坐标系统始采用改进的大地坐标系统WGS-84。世界大世界大地坐标系地坐标系WGS属于协议地球坐标系属于协议地球坐标系
35、CTS，WGS可看成可看成CTS的近似系统。的近似系统。46基本大地参数基本大地参数WGS-72WGS-84a(m)63781356378137f1/298.261/298.257(rad/s)7.292115 10-57.292115 10-5GM(km3/s2)398600.8398600.5WGS-72与与WGS-84的基本大地参数的基本大地参数GPSGPS坐标系统坐标系统47第二部分第二部分 GPSGPS基础概念基础概念u坐标系统坐标系统u时间系统时间系统uGPS卫星星历卫星星历u导航电文和卫星信号导航电文和卫星信号uGPS接收机的类型与工作原理接收机的类型与工作原理48GPSGPS时
36、间系统时间系统在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描在天文学和空间科学技术中，时间系统是精确描述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，述天体和卫星运行位置及其相互关系的重要基准，也是利用卫星进行定位的重要基准。也是利用卫星进行定位的重要基准。为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专为精密导航和测量需要，全球定位系统建立了专用的时间系统，由用的时间系统，由GPS主控站的原子钟控制。主控站的原子钟控制。GPS时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但时属于原子时系统，秒长与原子时相同，但与国际原子时的原点不同，即与国际原子时的原点不同，即GPST与与IAT在任在任一瞬间均有一常量偏差。一瞬间
37、均有一常量偏差。IAT-GPST=19s，GPS时与协调时的时刻，规定在时与协调时的时刻，规定在1980年年1月月6日日0时一致，随着时间的积累，两者的差异将表现时一致，随着时间的积累，两者的差异将表现为秒的整数倍为秒的整数倍49GPSGPS时间系统时间系统在在GPS卫星定位中，时间系统的重要性表现在：卫星定位中，时间系统的重要性表现在：GPS卫星作为高空观测目标，位置不断变化，卫星作为高空观测目标，位置不断变化，在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间在给出卫星运行位置同时，必须给出相应的瞬间时刻。例如当要求时刻。例如当要求GPS卫星的位置误差小于卫星的位置误差小于1cm，则相应的时刻误差
38、应小于则相应的时刻误差应小于2.6 10-6s。准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地准确地测定观测站至卫星的距离，必须精密地测定信号的传播时间。若要距离误差小于测定信号的传播时间。若要距离误差小于1cm，则信号传播时间的测定误差应小于则信号传播时间的测定误差应小于3 10-11s50第二部分第二部分 GPSGPS基础概念基础概念u坐标系统坐标系统u时间系统时间系统uGPS卫星星历卫星星历u导航电文和卫星信号导航电文和卫星信号uGPS接收机的类型与工作原理接收机的类型与工作原理51GPSGPS卫星轨道卫星轨道卫星轨道在卫星轨道在GPS定位中的意义定位中的意义 卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描
39、述卫星轨卫星在空间运行的轨迹称为轨道，描述卫星轨道位置和状态的参数称为轨道参数。道位置和状态的参数称为轨道参数。由于利用由于利用GPS进行导航和测量时，卫星作为位置进行导航和测量时，卫星作为位置已知的高空观测目标，在进行绝对定位时，卫星已知的高空观测目标，在进行绝对定位时，卫星轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；而轨道误差将直接影响用户接收机位置的精度；而在相对定位时，尽管卫星轨道误差的影响将会减在相对定位时，尽管卫星轨道误差的影响将会减弱，但当基线较长或精度要求较高时，轨道误差弱，但当基线较长或精度要求较高时，轨道误差影响不可忽略。此外，为了制订影响不可忽略。此外，为了制订GPS测量的观
40、测测量的观测计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫计划和便于捕获卫星发射的信号，也需要知道卫星的轨道参数。星的轨道参数。52GPSGPS卫星星历卫星星历卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对卫星星历是描述卫星运动轨道的信息，是一组对应某一时刻的轨道根数及其变率。应某一时刻的轨道根数及其变率。根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及根据卫星星历可以计算出任一时刻的卫星位置及其速度，其速度，GPS卫星星历分为卫星星历分为预报星历和后处理预报星历和后处理星历星历。53卫星的预报星历是用跟踪站以往时间的观测资料卫星的预报星历是用跟踪站以往时间的观测资料推求的参考轨道参数为基础，并加入轨道摄动
41、项推求的参考轨道参数为基础，并加入轨道摄动项改正而外推的星历。用户在观测时可以通过导航改正而外推的星历。用户在观测时可以通过导航电文实时得到，对导航和实时定位十分重要。但电文实时得到，对导航和实时定位十分重要。但对精密定位服务则难以满足精度要求。对精密定位服务则难以满足精度要求。后处理星历是一些国家的某些部门根据各自建立后处理星历是一些国家的某些部门根据各自建立的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预的跟踪站所获得的精密观测资料，应用与确定预报星历相似的方法，计算的卫星星历。这种星历报星历相似的方法，计算的卫星星历。这种星历通常是在事后向用户提供的在用户观测时的卫星通常是在事后向用户提供的在
42、用户观测时的卫星精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。精密轨道信息，因此称后处理星历或精密星历。该星历的精度目前可达分米。该星历的精度目前可达分米。GPSGPS卫星星历卫星星历54预报星历是通过卫星发射的含有轨道信息的导航预报星历是通过卫星发射的含有轨道信息的导航电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历，电文传递给用户，经解码获得所需的卫星星历，也称广播星历也称广播星历，包括相对某一参考历元的开普勒，包括相对某一参考历元的开普勒轨道参数和必要的轨道摄动项改正参数。轨道参数和必要的轨道摄动项改正参数。由于预报星历每小时更新一次，在数据更新前后，由于预报星历每小时更新一次，在数据更新前后，各表
43、达式之间将会产生小的跳跃，其值可达数分各表达式之间将会产生小的跳跃，其值可达数分米，一般可利用适当的拟合技术（如切比雪夫多米，一般可利用适当的拟合技术（如切比雪夫多项式）予以平滑。项式）予以平滑。GPS用户通过卫星广播星历可以获得的有关卫星用户通过卫星广播星历可以获得的有关卫星星历参数共星历参数共16个。个。GPSGPS卫星星历卫星星历55后处理星历一般不通过卫星的无线电信号向用后处理星历一般不通过卫星的无线电信号向用户传递，而是通过磁盘、电视、电传、卫星通户传递，而是通过磁盘、电视、电传、卫星通讯等方式有偿地为所需要的用户服务。讯等方式有偿地为所需要的用户服务。建立和维持一个独立的跟踪系统来
44、精密测定建立和维持一个独立的跟踪系统来精密测定GPS卫星的轨道，技术复杂，投资大，因此，卫星的轨道，技术复杂，投资大，因此，利用利用GPS预报星历进行精密定位工作仍是目前预报星历进行精密定位工作仍是目前一个重要的研究和开发领域。一个重要的研究和开发领域。GPSGPS卫星星历卫星星历56第二部分第二部分 GPSGPS基础概念基础概念u坐标系统坐标系统u时间系统时间系统uGPS卫星星历卫星星历u导航电文和卫星信号导航电文和卫星信号uGPS接收机的类型与工作原理接收机的类型与工作原理57关于关于GPS卫星信号卫星信号GPS卫星所发射的信号包括载波信号、卫星所发射的信号包括载波信号、P码码（或（或Y码
45、）、码）、C/A码和数据码（或码和数据码（或D码）等多码）等多种信号分量，而其中种信号分量，而其中P码和码和C/A码统称为测距码统称为测距码。码。GPS卫星信号的产生、构成和复制等，都涉及卫星信号的产生、构成和复制等，都涉及到现代数字通信理论和技术方面的复杂问题，到现代数字通信理论和技术方面的复杂问题，GPS的用户，一般可以不去深入研究，但了解的用户，一般可以不去深入研究，但了解其基本概念，对理解其基本概念，对理解GPS定位的原理仍是有必定位的原理仍是有必要的。要的。GPSGPS卫星信号卫星信号58GPS卫星信号的产生与构成主要考虑了如下卫星信号的产生与构成主要考虑了如下因素；因素；（1）适应
46、多用户系统要求。）适应多用户系统要求。（2）满足实时定位要求。）满足实时定位要求。（3）满足高精度定位需要。）满足高精度定位需要。（4）满足军事保密要求。）满足军事保密要求。GPSGPS卫星信号卫星信号59码的概念码的概念在现代数字通信中，广泛使用二进制数（在现代数字通信中，广泛使用二进制数（0和和1）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息）及其组合，来表示各种信息。表达不同信息的二进制数及其组合，称为码。一位二进制数的二进制数及其组合，称为码。一位二进制数叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度叫一个码元或一比特。比特为码和信息量的度量单位。量单位。如果将各种信息例如声音、图象和文字等通过如
47、果将各种信息例如声音、图象和文字等通过量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的量化，并按某种预定规则，表示成二进制数的组合形式，则这一过程称为编码。组合形式，则这一过程称为编码。在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比在二进制数字化信息的传输中，每秒传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为单位为bit/s。GPSGPS卫星信号的测距码卫星信号的测距码60随机噪声码随机噪声码既然码是用以表达各种信息的二进制数的组合，既然码是用以表达各种信息的二进制数的组合，是一组二进制的数码序列，则这一序列就可以表是一组二进制的数码序列，则这一序列就可以
48、表达成以达成以0和和1为幅度的时间函数。为幅度的时间函数。假设一组码序列假设一组码序列u(t)，对某一时刻来说，码元是对某一时刻来说，码元是0或或1完全是随机的，但出现的概率均为完全是随机的，但出现的概率均为1/2。这。这种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为种码元幅度的取值完全无规律的码序列，称为随随机码序列（或随机噪声码序列）机码序列（或随机噪声码序列）。它是一种非周。它是一种非周期性序列，无法复制，但其自相关性好。而相关期性序列，无法复制，但其自相关性好。而相关性的好坏，对提高利用性的好坏，对提高利用GPS卫星码信号测距精度，卫星码信号测距精度，极其重要。极其重要。61伪随机噪声码伪随
49、机噪声码尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种尽管随机码具有良好的自相关性，但却是一种非周期序列，不服从任何编码规则，实际中无非周期序列，不服从任何编码规则，实际中无法复制和利用。法复制和利用。GPS采用了一种伪随机噪声码（采用了一种伪随机噪声码（Pseudo Random NoicePRN）简称伪随机码或伪简称伪随机码或伪码。它的特点是：具有随机码的良好自相关性，码。它的特点是：具有随机码的良好自相关性，又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容又具有某种确定的编码规则，是周期性的，容易复制。易复制。62GPS卫星所采用的两种测距码，即卫星所采用的两种测距码，即C/A码和码和P码（或码（或Y
50、码），均属于伪随机码。码），均属于伪随机码。测距码测距码63C/A码码C/A码：是用于粗测距和捕获码：是用于粗测距和捕获GPS卫星信号的伪卫星信号的伪随机码。它是由两个随机码。它是由两个10级反馈移位寄存器组合级反馈移位寄存器组合而产生。而产生。C/A码的码长短，共码的码长短，共1023个码元，若以每秒个码元，若以每秒50码元的速度搜索，只需码元的速度搜索，只需20.5s，易于捕获，所以易于捕获，所以C/A码通常也称码通常也称捕获码捕获码。C/A码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误码的码元宽度大，假设两序列的码元对齐误差为为码元宽度的差为为码元宽度的1/101/100，则相应的测，则相应的测