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1、专专业：测绘工程业：测绘工程总总学学时：时：48学时学时GNSS原理及应用原理及应用第一第一章章 绪绪 论论 1.1 1.1 卫星导航定位系统的发展卫星导航定位系统的发展卫星导航定位系统的发展卫星导航定位系统的发展1.2 GNSS1.2 GNSS的系统的系统的系统的系统1.3 GNSS1.3 GNSS在国民经济建设中的应用在国民经济建设中的应用在国民经济建设中的应用在国民经济建设中的应用 1.人类最初的导航，只能通过石头，树，山脉等作为参照物，渐渐发展到天文观测法，即通过天上的太阳，月亮和星星来判断位置。而中国四大发明之一的指南针是人类导航领域的一个里程碑。2.20世纪20年代，第一个无线电导
2、航系统-无线电信标的问世，开创了海洋船舶和航空飞行器导航的新篇章；3.1957年10月4日，原苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星，开创了空间技术造福人类的新时代。在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统。导航系统。无线电导航技术的基本要素是测角和测距，因此可以组成测角-测角、测距-测距、测角-测距、测距差（双曲线）等多种形式的系统。第一章第一章绪论绪论第一章第一章绪论绪论卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。位测量的技术。1-1 卫星导航定位系统的发展一、卫星定位技术的发展过程
3、1957年10月，世界第一颗人造地球卫星的发射成功，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，迅速跨入一个崭新的时代。“斯普特尼克斯普特尼克”1号号（C-1，Sputnik-1）重83kg，直径58cm第一章第一章 绪绪 论论 1-1卫星导航定位的卫星导航定位的发展过程发展过程一、卫星定位技术的发展过程一、卫星定位技术的发展过程 随后随后3个月，即个月，即1958年年1月月31日，美国发射了日，美国发射了“探索者探索者1号号“（重13.89，直径13cm）。从此，美苏的太空竞争就拉开了序幕。从此，美苏的太空竞争就拉开了序幕。1958 1958年底，美国海军武器实验室，着手建立
4、为年底，美国海军武器实验室，着手建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军海军导航卫星系统导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite Navy Navigation Satellite System-NNSSSystem-NNSS），），19641964年建成，并在美国军方启年建成，并在美国军方启用。用。1967年美国政府批准该系统解密，提供民年美国政府批准该系统解密，提供民用。用。1-11-1卫星导航定位的卫星导航定位的发展过程发展过程二、早期的卫星定位技术二、早期的卫星定位技术 早期的卫星定位技术主要有两种方法：早期的卫星定位技
5、术主要有两种方法：（）卫星三角网：（）卫星三角网：（）卫星测距网：（）卫星测距网：第一章第一章绪论绪论三、子午卫星导航系统的应用及其缺陷三、子午卫星导航系统的应用及其缺陷 第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实验室委托霍普金斯大第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统（学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System NNSS）。在该系统中卫星的轨道都通过地极，故）。在该系统中卫星的轨道都通过地极，故也称也称“子午仪（子午仪（Transit）卫星系统）卫星系统”。1964年
6、该系统建成后年该系统建成后即被美国军方使用，即被美国军方使用，1967年将星历解密而提供民用服务。实践表明，子午年将星历解密而提供民用服务。实践表明，子午仪卫星系统具有精度均匀、不受时间和天气限制等优点，只要系统的卫星在仪卫星系统具有精度均匀、不受时间和天气限制等优点，只要系统的卫星在视界内，就可在地球表面任何地方进行单点定位或联测定位，从而获得观测视界内，就可在地球表面任何地方进行单点定位或联测定位，从而获得观测点的三维地心坐标。点的三维地心坐标。1-1卫星导航定位的发展过程1-1卫星导航定位的卫星导航定位的发展过程发展过程 尽管子午仪卫星系统具有以往导航系统所无法比拟的尽管子午仪卫星系统具
7、有以往导航系统所无法比拟的优越性，但也存在一些严重的缺陷，这主要是由于该系统优越性，但也存在一些严重的缺陷，这主要是由于该系统卫星数目较少（卫星数目较少（5 56 6颗），运行高度较低（平均约为颗），运行高度较低（平均约为1000Km1000Km），从地面观测到卫星的时间间隔较长（平均），从地面观测到卫星的时间间隔较长（平均1.51.5小时），因而无法连续地提供实时三维定位信息，难以充小时），因而无法连续地提供实时三维定位信息，难以充分满足军事用户和某些民事用户的定位要求。分满足军事用户和某些民事用户的定位要求。第一章第一章绪论绪论1-1卫星导航定位的卫星导航定位的发展过程发展过程四、四、GP
8、SGPS全球定位系统的建立全球定位系统的建立19731973年美国国防部开始组织海陆空三军，共同研究建年美国国防部开始组织海陆空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的立新一代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的“授时授时与测距导航系统与测距导航系统/全球定位系统全球定位系统”（Navigation System Timing Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning Systemand Ranging/Global Positioning SystemNAVSTAR/GPSNAVSTAR/GPS），），
9、通常简称为通常简称为“全球定位系统（全球定位系统（GPSGPS）”。1-1卫星导航定位的卫星导航定位的发展过程发展过程四、四、GPSGPS全球定位系统的建立全球定位系统的建立GPS实施计划共分三个阶段：实施计划共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到年到1979年，共发射了年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。立地面跟踪网。第二阶段为全面研制和试验阶段。从第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到年到1984年，又陆续发射了年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。颗试验
10、卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。定位精度远远超过设计标准。1-1卫星导航定位的卫星导航定位的发展过程发展过程四、四、GPSGPS全球定位系统的建立全球定位系统的建立第三阶段为实用组网阶段。第三阶段为实用组网阶段。1989年年2月月4日，第一日，第一颗颗GPS工作卫星发射成功，宣告了工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入了工程建系统进入了工程建设阶段，这种工作卫星称为设阶段，这种工作卫星称为Block 和和BlockA型卫星。型卫星。这两组卫星差别是：这两组卫星差别是：Block 只能存储只能存储14天用的导航电文天用的导航电文（每天更新三次）；而
11、（每天更新三次）；而BlockA卫星能存储卫星能存储180天用的天用的导航电文，确保在特殊情况下使用导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的卫星。实用的GPS网即网即(21+3)GPS星座已建立，今后将根据计划更换失效星座已建立，今后将根据计划更换失效的卫星。的卫星。第一章第一章绪论绪论四、四、GPS全球定位系统的建立全球定位系统的建立 GPS系统构成：总共有24颗卫星，其中3颗备用卫星，卫星轨道个数6个，卫星高度为20200公里，轨道倾角为55，卫星运行周期为11小时58分，载波频率为1575.42MHZ和1227.60MHZ，在地球表面上，高度角15以上，平均可同时观测到6颗卫星，
12、最多可观测到9颗卫星，不受高度角限制时，最少能观测到4颗卫星，最多11颗卫星。截止2016年GPS在轨卫星共32颗。第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展五、五、GLONASS系统简介系统简介 本世纪本世纪70年代，作为对美国宣布建立和发展年代，作为对美国宣布建立和发展GPS的反应，的反应，前苏联国防部构想了前苏联国防部构想了GLONASS。该系统是。该系统是82年底由前苏联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年建年建成全球导航定位系统。成全球导航定位系统。在在1993年，俄罗斯政府正式将年，俄罗斯
13、政府正式将GLONASS交由俄空军（交由俄空军（VKS）负责。）负责。VKS负责负责GLONASS的航天器部署及在轨维护，并通过科学信息中心将的航天器部署及在轨维护，并通过科学信息中心将GLONASS的信息传播给公众。的信息传播给公众。第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展在在80年代，年代，GLONASS的信息鲜为人知，除了卫星轨道的一般的信息鲜为人知，除了卫星轨道的一般特征和传送导航信息的频率之外，前苏联国防部未披露任何其它信特征和传送导航信息的频率之外，前苏联国防部未披露任何其它信息。然而，息。然而，Leeds大学的大学的PeterDaly教授和它的研究生们经过努力，
14、教授和它的研究生们经过努力，侦察出了侦察出了GLONASS卫星信号结构的一些细节。随着前苏联的解体，卫星信号结构的一些细节。随着前苏联的解体，俄罗斯解密了界面控制文件（俄罗斯解密了界面控制文件（theInterfaceControlDocument：ICD）。）。ICD描述了系统及其组成，信号结构以及供民用的导航信息。描述了系统及其组成，信号结构以及供民用的导航信息。1995年年11月月4日在加拿大蒙特利尔国际民用航空组织第二次会议上，日在加拿大蒙特利尔国际民用航空组织第二次会议上，俄罗斯将其最新版本的俄罗斯将其最新版本的ICD交给大会的导航卫星系统讨论组。自此，交给大会的导航卫星系统讨论组。
15、自此，有关有关GLONASS的信息越来越明朗。的信息越来越明朗。五、五、GLONASS系统简介系统简介 1982年10月12日开始到1996年建成，1995年初有16颗卫星，1996年1月18日整个系统正常运行。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8。由于GLONASS的卫星轨道倾角大于GPS卫星的轨道倾角，所以在高纬度地区（50度以上）可视性更好。至2016年GLONASS在轨卫星29颗。第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 GLONASS卫星系
16、统的组成：与GPS一样，GLONASS也由三部分组成：空间部分；控制部分；用户部分。第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 1.卫星星座（空间部分）由分布在三个独立椭圆轨道的24颗（GLONASS）卫星组成（另加1颗备用卫星），平均每个轨道上分布8颗卫星，各轨道升交点的赤经相差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（恒星时11.28小时）；卫星高度H=19100km；卫星设计的使用寿命为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。GLONASS卫星星座卫星星座第一节
17、：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展2.地面系统：地面系统：地面控制站组（地面控制站组（GCS）设有）设有1个系统控制中心（在莫个系统控制中心（在莫斯科区的斯科区的Golitsyno-2），），1个指令跟踪站（个指令跟踪站（CTS），整个），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内；跟踪网络分布于俄罗斯境内；CTS跟踪遥测着所有跟踪遥测着所有GLONASS可视卫星，对其进行测距数据的采集和处理，可视卫星，对其进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。并向各卫星发送控制指令和导航信息。第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展3.用户设备用户设备接收接收GL
18、ONASS卫星信号并测量其伪距和速度，同卫星信号并测量其伪距和速度，同时从卫星信号中选出并处理导航电文。接收机中计算时从卫星信号中选出并处理导航电文。接收机中计算机对所有输入数据处理并量算出位置坐标的三个分量、机对所有输入数据处理并量算出位置坐标的三个分量、速度矢量的三个分量和时间。速度矢量的三个分量和时间。GPS测量原理及应用测量原理及应用第一章第一章绪论绪论项目项目 GPS系统系统GLONASS系统系统星座卫星数星座卫星数2424轨道面个数轨道面个数33轨道高度轨道高度2020019100运行周期运行周期11小时58分11小时15分轨道倾角轨道倾角5565载波频率载波频率L1:1575.4
19、2MHz L2:1227.60MHzL1:1602.56-1615.50MHzL2:1246.44-1256.50MHz 传输方式传输方式码分多址频分多址调制码调制码C/A-码和P-码S码和P码时间系统时间系统UTCUTC坐标系统坐标系统WGS-84SGS-E90SASA（选择可用性选择可用性）有（2000年5月1日取消）无ASAS（精密测距码精密测距码加密加密）有无第一节：第一节：GPSGPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 GPS+GLONASS GPS+GLONASS系统：系统：1.1.可见卫星数增加一倍：可见卫星数增加一倍：GLONASSGLONASS卫星星座组网完成后，卫星星座组
20、网完成后，可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。在地平线以上的可可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。在地平线以上的可见卫星数纯见卫星数纯GPSGPS系统时，一般为系统时，一般为7-117-11颗；颗；GPS+GLONASSGPS+GLONASS系统则系统则可达到可达到14-2014-20颗。颗。2.2.提高观测结果的可靠性：用卫星系统进行测量定位的提高观测结果的可靠性：用卫星系统进行测量定位的观测结果的可靠性主要决定于用于定位计算的卫星颗数。观测结果的可靠性主要决定于用于定位计算的卫星颗数。第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 3.3.提高生产效率：观测时间越长或可观测到的
21、卫星提高生产效率：观测时间越长或可观测到的卫星数越多，则用于求解载波相位整周模糊度的数据也就越数越多，则用于求解载波相位整周模糊度的数据也就越多，求解结果的可靠性越好。多，求解结果的可靠性越好。4.4.提高观测结果的精度：观测卫星相对于测站的几提高观测结果的精度：观测卫星相对于测站的几何分布何分布(DOP(DOP值值)直接影响观测结果的精度。直接影响观测结果的精度。GPS测量原理及应用测量原理及应用第一章第一章绪论绪论第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展六、伽利略（六、伽利略（GalileoGalileo）GNSSGNSS系统系统 欧盟在欧盟在19991999年年2 2月
22、首次提出月首次提出“伽利略伽利略”计划。计划。计划分成四个阶段：计划分成四个阶段：论证阶段，时间为论证阶段，时间为20002000年；年；系统研制和在轨确认阶段，包括研制卫星及地面设施，系统研制和在轨确认阶段，包括研制卫星及地面设施，系统在轨确认，时间为系统在轨确认，时间为20012001年至年至20052005年；年；GPS测量原理及应用测量原理及应用第一章第一章绪论绪论第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 20062006年至年至20112011年年在轨验证阶段，成功研制、实施和验证在轨验证阶段，成功研制、实施和验证 2011 2011年至年至20142014年全面部
23、署阶段，包括制造和发射卫星，年全面部署阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用；地面设施建设并投入使用；20142014年以后为开发利用阶段。年以后为开发利用阶段。20002000年度的论证工作为年度的论证工作为“伽利略伽利略”计划勾画出一个轮廓。计划勾画出一个轮廓。论证报告指出，计划投入论证报告指出，计划投入32.532.5亿欧元的资金，服务范围覆亿欧元的资金，服务范围覆盖全球，可以提供导航、定位、时间、通信等项服务。盖全球，可以提供导航、定位、时间、通信等项服务。其服务方式包括开放服务、商业服务与官方服务三个其服务方式包括开放服务、商业服务与官方服务三个方面。方面。第一节：第一节：
24、GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 系统组成：系统组成：卫星星座：由卫星星座：由3 3个独立的圆形轨道，个独立的圆形轨道，3030颗颗GNSSGNSS卫星组卫星组 成成（2727颗工作卫星，颗工作卫星，3 3颗备用卫星）颗备用卫星）。卫星的轨道倾角。卫星的轨道倾角i=56i=56；卫星的公转周期；卫星的公转周期T=14h23m14ST=14h23m14S；恒星时；轨；恒星时；轨 道高度道高度H=23616km H=23616km。地面系统：在欧洲建立地面系统：在欧洲建立2 2个控制中心；在全球构建监控网。个控制中心；在全球构建监控网。定位原理：与定位原理：与GPSGPS相同。相同。定位
25、精度：导航定位精度比目前任何系统都高。定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 提供服务提供服务 免费信号使用服务：免费信号使用服务：OSA(OSA(开放服务开放服务)收费信号使用服务：收费信号使用服务：CAS(CAS(管制服务管制服务)-CAS 1:-CAS 1:商业性服务商业性服务-CAS 2-SAS:-CAS 2-SAS:高精密服务高精密服务 CAS2-GAS:CAS2-GAS:用于非民用领域的政府服务用于非民用领域的政府服务(使用密使用密码的信号码的信号)六、伽利略系统简介六、伽利略系统简介 GALILEOGALILEO系统设
26、计为支持各种领域广泛应用，包括系统设计为支持各种领域广泛应用，包括实实时导航、位置基准、安全与应急跟踪、体育、休闲服务和时导航、位置基准、安全与应急跟踪、体育、休闲服务和支持政府公共事业的需要支持政府公共事业的需要。增加救援服务。增加救援服务。GALILEOGALILEO系统系统在技术结构上将以在技术结构上将以3030颗颗MEOMEO轨道卫星为核心星座，其空间轨道卫星为核心星座，其空间信号等效于信号等效于GPSGPS卫星上的信号，具有在卫星上的信号，具有在L L频段和频段和GPSGPS兼容的兼容的多频体制。在经济上除一般的免费入网用户外，加设有控多频体制。在经济上除一般的免费入网用户外，加设有
27、控收费入网的高完善性安全导航用户及其他增值收费服务。收费入网的高完善性安全导航用户及其他增值收费服务。中国是第一个参与中国是第一个参与“伽利略伽利略”计划的非欧盟国家，计划的非欧盟国家，承诺提供承诺提供2 2亿欧元的研发经费。亿欧元的研发经费。在中国国家遥感中心和欧洲伽利略联合执行体的共同在中国国家遥感中心和欧洲伽利略联合执行体的共同努力下，中欧已经成功启动了努力下，中欧已经成功启动了“伽利略伽利略”计划合作计划合作1111个项个项目的技术谈判，项目涵盖目的技术谈判，项目涵盖“伽利略伽利略”系统的空间段、地面系统的空间段、地面段和应用段等各领域。已经签署合作协议的段和应用段等各领域。已经签署合
28、作协议的7 7个项目合同个项目合同总金额超过总金额超过30003000万欧元。这些项目包括：渔业应用项目、万欧元。这些项目包括：渔业应用项目、基于位置服务的标准研究、电离层研究、上行站前端、搜基于位置服务的标准研究、电离层研究、上行站前端、搜救转发器、激光后向反射器、中国伽利略测试认证环境等。救转发器、激光后向反射器、中国伽利略测试认证环境等。伽利略跟中国的渊源伽利略跟中国的渊源第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展七、双星导航定位系统（北斗一号）七、双星导航定位系统（北斗一号）2020世纪世纪6060年代末，我国就开展了卫星导航系统的研年代末，我国就开展了卫星导航系统的研
29、制工作。制工作。70 70年代中国开始研究卫星导航系统，但之后被取消。年代中国开始研究卫星导航系统，但之后被取消。后来先后讨论过单星、双星、五星的方案。后来先后讨论过单星、双星、五星的方案。直到直到8080年代提出年代提出“双星快速定位系统双星快速定位系统”。第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 于于20002000年底发射了两颗同步静止定位卫星，并完成了年底发射了两颗同步静止定位卫星，并完成了大量的测试工作。标志着我国已建立起第一代独立自主导大量的测试工作。标志着我国已建立起第一代独立自主导航定位系统。该系统的第三颗同步静止定位卫星，在航定位系统。该系统的第三颗同步静止
30、定位卫星，在20032003年年5 5月月2525日发射，于日发射，于6 6月月3 3日日5 5时顺利定点，系统大功告成。时顺利定点，系统大功告成。第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 1.1.双星导航定位系统的组成双星导航定位系统的组成:（1 1）卫星星座：由）卫星星座：由3 3颗同步静止卫星组成（其中颗同步静止卫星组成（其中1 1颗在颗在轨备用）。轨道倾角轨备用）。轨道倾角i=0i=0；公转周期；公转周期T=24hT=24h恒星时；轨恒星时；轨道高度道高度H=36000km H=36000km。（2 2）地面系统：一个中心站：负责系统测控、定位信）地面系统：一个中心站
31、：负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 2.2.双星导航定位系统的技术特点：双星导航定位系统的技术特点：（1 1）服务区域：）服务区域：7070-145-145E E；5 5-55-55N N （2 2）用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较大。）用户设备：定位收发机的瞬间发射功率较大。（3 3）定位精度：平面精度）定位精度：平面精度20m20m；垂直精度；垂直精度10m 10m 第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 3.3.双星导航
32、定位系统的定位原理双星导航定位系统的定位原理 地面中心站通过地面中心站通过2 2颗同步静止定位卫星传送测距问询颗同步静止定位卫星传送测距问询信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地面中心信号，如果用户需要定位则马上回复应答信号。地面中心站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以站可根据用户的应答信号的时差计算出户星距离，这样以两颗定位卫星为中心以两个户星距离为半径可作出两个定两颗定位卫星为中心以两个户星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位于两个定
33、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，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读出用户高程再根据坐标在地面数字高程模型读出用户高程进而让进而让卫星转告用户卫星转告用户 。卫星卫星1 星下点星下点星下点星下点1 1星下点星下点星下点星下点22 定位圆 1 1定位圆 2 2地面中心站卫星卫星2北斗一号定位原理第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展 双星导航定位系统的最大优点是系统简单投资少，而双星导航定位系统的最大优点是系统简单投资少，而最大缺点是他只能实施局域定位，接收发射机功率大且笨最
34、大缺点是他只能实施局域定位，接收发射机功率大且笨重还会暴露用户目标，在战时这是兵家最忌讳的事情。重还会暴露用户目标，在战时这是兵家最忌讳的事情。北斗北斗 第一节：第一节：GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展八、八、GNSSGNSS系统系统 GNSS的全称是全球导航定位系统全球导航定位系统（Global Navigation Satellite System），它是泛指所有的卫星导航系统。主要包括美国全球定位系统（GPS）、俄罗斯格洛纳斯导航卫星系统（GLONASS）、欧盟伽利略卫星导航系统（Galileo）、中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite S
35、ystem）。以及相关增强系统。还包括在建和以后要建立的其他卫星导航系统。（P12）第一章第一章绪论绪论 GPS利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空全方位实时三维导航与定位的能力。GPS系统由3部分组成：（1）空间星座部分；（2）地面监控部分；（3）用户接收部分。1-2GNSS系统的组成系统的组成 GPS测量原理及应用测量原理及应用第一章第一章绪论绪论1、空间星座部分 空间星座部分由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，分布在20200km高的6个轨道平面上（每个轨道面4颗），轨道倾角为55，运行周期是11h58min。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星。GP
36、SGPS卫星卫星 GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg(包括310kg燃料)两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星装有4台高精度原子钟(2台铷钟和2台铯钟)，这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPS定位提供高精度的时间标准。卫星星座GPSBLOCKIIR卫星卫星第二节第二节GPS系统组成系统组成 GPS GPS卫星的作用卫星的作用 （1 1）用）用L L波段的两个无线载波（波段的两个无线载波（19cm19cm和和24cm24cm）向用户）向用户连续不断地导航定位信号；连续不断地导航定位信号；（2 2）在卫星飞越注入站上空时，接
37、收由地面注入站用）在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S S波段（波段（10cm10cm）发送到卫星的导航电文和其他有关信息，）发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过并通过GPSGPS信号电路，适时地发送给广大用户；信号电路，适时地发送给广大用户；（3 3）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏差或起用备用时钟等。令，适时地改正运行偏差或起用备用时钟等。第二节第二节GPS系统组成系统组成 2 2、地面监控系统、地面监控系统 对于导航定位来说，对于导航定位来说，GPSGPS卫星是一动态已知点。卫星卫星是一动态已知点。卫
38、星的位置是依据卫星发射的星历的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗的的参数算得的。每颗GPSGPS卫星所播发的星历，是由地面卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。监控系统提供的。第二节第二节GPS系统组成系统组成 地面监控系统的作用地面监控系统的作用 （1 1）监控卫星上的各种设备是否正常）监控卫星上的各种设备是否正常 工作，以及卫工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行；星是否一直沿着预定轨道运行；（2 2）保持各颗卫星处于同一时间标准（）保持各颗卫星处于同一时间标准（GPSGPS时间系统）时间系统）。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟
39、差。然。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。设备。第二节第二节GPS系统组成系统组成 GPSGPS地面监控系统组成：地面监控系统组成：GPSGPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。个注入站和五个监测站。1.1.主控站：设在科罗拉多的法尔孔（主控站：设在科罗拉多的法尔孔（FalconFalcon）空军）空军基地。主控站除协调和管理地面监控系统外，其主要任基地。主控站除协调和管理地面监控系统外，其主要任务是：务是：（1
40、1）根据本站和其他监测站的所有资料，推算编制）根据本站和其他监测站的所有资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据送到注入站；这些数据送到注入站；第二节第二节GPS系统组成系统组成 （2 2）提供全球定位系统的时间基准。各测站和）提供全球定位系统的时间基准。各测站和GPSGPS卫卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站；钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站；（3 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道
41、运行；）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；（4 4）启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。）启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。2.2.监测站监测站 监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频站内设有双频GPSGPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对和若干台环境数据传感器。接收机对GPSGPS卫星进行连续观卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有
42、间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料有计算机进行初步处理，并存储和传送到主控观测资料有计算机进行初步处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。站，用以确定卫星的轨道。3.3.注入站注入站 共有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚（共有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚（Diego Diego GarciaGarcia）、南大西洋的阿松森岛（）、南大西洋的阿松森岛（AscensionAscension）和南太平）和南太平洋的卡瓦加兰（洋的卡瓦加兰（KwajaleinKwajalein）。）。设备：包括一台直径设备：包括一台直径3.6m3.6m的天线，一台的天线，一台C C波段
43、发射机波段发射机和一台计算机。和一台计算机。任务：在主控站控制下将主控站推算的编制的卫星任务：在主控站控制下将主控站推算的编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。地面监控系统只有主控站有人值守。地面监控系统只有主控站有人值守。GPS地面监控系统的分布监控站主控站注入站夏威夷科罗拉多科罗拉多科罗拉多科罗拉多阿松森迭哥加西亚卡瓦加兰（3）用户接收部分 GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备所组成。接收机分类（用途）按用途分为：导航型
44、和大地型。大地型接收机又分单频型和双频型。：车载型用于车辆导航定位；航海型用于船舶导航定位；航空型用于飞机导航定位；星载型用于卫星的导航定位。用户设备（用户设备（1）博飞博飞GTS100华测华测X20静态接收机静态接收机单频机单频机双频机双频机用户设备（用户设备（2）中海达中海达中海达中海达8200E8200ERTKRTK作业作业作业作业用户设备（用户设备（3）手持手持手持手持GPSGPS南方灵锐南方灵锐S82RTK接收机接收机导航型导航型GPS机机手持型手持型GPS机机车载型车载型GPS机机GPS测量原理及应用测量原理及应用第一章第一章绪论绪论GPS测量原理及应用测量原理及应用第一章第一章绪
45、论绪论北斗导航系统简介北斗导航系统简介 我国开始建设拥有自主知识产权的全球卫我国开始建设拥有自主知识产权的全球卫星导航系统星导航系统北斗卫星导航系统，这也是我北斗卫星导航系统，这也是我国自主建立的第一代卫星导航定位系统。国自主建立的第一代卫星导航定位系统。北斗卫星导航系统由空间星座、地面控制北斗卫星导航系统由空间星座、地面控制和用户终端三大部分组成。和用户终端三大部分组成。空间星座部分由空间星座部分由5 5颗地球静止轨道（颗地球静止轨道（GEOGEO）卫星和）卫星和3030颗非地球静颗非地球静止轨道（止轨道（Non-GEONon-GEO）卫星组成。）卫星组成。GEOGEO卫星分别定卫星分别定点
46、于东经点于东经58.7558.75度、度、8080度、度、110.5110.5度、度、140140度和度和160160度。度。Non-GEONon-GEO卫星由卫星由2727颗中圆地球轨道颗中圆地球轨道（MEOMEO）卫星和）卫星和3 3颗倾斜地球同步轨道（颗倾斜地球同步轨道（IGSOIGSO）卫星组成。卫星组成。其中，其中，MEOMEO卫星轨道高度卫星轨道高度2150021500千米，轨千米，轨道倾角道倾角5555度，均匀分布在度，均匀分布在3 3个轨道面上；个轨道面上；IGSOIGSO卫星轨道高度卫星轨道高度3600036000千米，均匀分布在千米，均匀分布在3 3个倾斜同步轨道面上，轨道
47、倾角个倾斜同步轨道面上，轨道倾角5555度，度，3 3颗颗IGSOIGSO卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东卫星星下点轨迹重合，交叉点经度为东经经118118度，相位差度，相位差120120度。度。北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统时间基准时间基准采用采用北斗时北斗时（BDTBDT），秒长取为国际单位制，秒长取为国际单位制SISI秒，起算秒，起算历元为历元为20062006年年1 1月月1 1日日0 0时时0 0分分0 0秒协调世界时秒协调世界时（UTCUTC）。）。BDTBDT是连续时间，溯源到中国科学是连续时间，溯源到中国科学院国家授时中心（院国家授时中心（NTSC)NTSC)保持的保持的U
48、TCUTC时间，简时间，简称称UTCUTC（NTSCNTSC），与），与UTCUTC之间的闰秒信息在导之间的闰秒信息在导航电文中播报。航电文中播报。BDTBDT与与UTCUTC的偏差保持在的偏差保持在100100纳秒以内。纳秒以内。北斗卫星导航系统的坐标框架采用中北斗卫星导航系统的坐标框架采用中国国20002000大地坐标系统（大地坐标系统（CGCS2000CGCS2000）。）。北斗卫星导航系统建成后将为全球用北斗卫星导航系统建成后将为全球用户提供户提供卫星定位、导航和授时服务，卫星定位、导航和授时服务，并并为为我国及周边地区用户提供定位精度我国及周边地区用户提供定位精度1 1米的米的广域差
49、分服务和广域差分服务和120120个汉字个汉字/次的短报文通次的短报文通信服务。信服务。定位精度定位精度1010米，测速精度米，测速精度0.20.2米米/秒，授时精度秒，授时精度1010纳秒。纳秒。中国北斗导航卫星发射情况统计中国北斗导航卫星发射情况统计北京时间北京时间2010年年1月月17日零时日零时12分，中国在分，中国在西昌卫星发射中心用西昌卫星发射中心用“长征三号丙长征三号丙”运载火箭，将第运载火箭，将第三颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道。按规划，三颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道。按规划，2012年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖年左右，北斗卫星导航系统将首先提供覆盖亚太地区
50、的导航、授时和短报文通信服务能力；亚太地区的导航、授时和短报文通信服务能力；2020年左右可覆盖全球。年左右可覆盖全球。北京时间北京时间2010年年6月月2日晚日晚23时时53分，中国在西昌卫星发射中心用分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙长征三号丙”运载火箭，将第四颗北斗导航卫星成功送入太空预运载火箭，将第四颗北斗导航卫星成功送入太空预定轨道，这标志着北斗卫星导航系统组网建设又迈出重要一步。定轨道，这标志着北斗卫星导航系统组网建设又迈出重要一步。2010年年8月月1日日5时时30分，我国在分，我国在西昌卫星发射中西昌卫星发射中心用长征三号甲心用长征三号甲运载火箭，成功运载火箭，成功发射第