GPS测量原理与应用第一章优质PPT课件.ppt

GPSGPS测量原理测量原理与应用第一章与应用第一章课程简介课程简介学时：学时：56 其中实践课：其中实践课：14学时学时课程性质：必修考试课程性质：必修考试 总学分：总学分：3.5主要学习内容：主要学习内容：重点：重点：难点：难点：考试：笔试考试：笔试70%+实验实验20%+平时成绩平时成绩10%教材：教材：GPS测量原理及应用测量原理及应用，武汉大学出，武汉大学出版社，徐绍铨、张华海等编著（第三版）版社，徐绍铨、张华海等编著（第三版）参考资料：参考资料：全球导航卫星系统原理与应用全球导航卫星系统原理与应用，测绘出版社，党亚民等编著。测绘出版社，党亚民等编著。1967年美国政府批准该系统解密，提年美国政府批准该系统解密，提供民用。供民用。1973年美国国防部开始组织海陆空三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，这就是目前所称的计划，这就是目前所称的“授时与测距导授时与测距导航系统航系统/全球定位系统全球定位系统”（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning SystemNAVSTAR/GPS），），通常简称为通常简称为“全球定位系统（全球定位系统（GPS）”。二、二、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，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。三、三、GLONASS系统简介系统简介 前苏联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。GLONASSGLONASS系统的卫星星座由系统的卫星星座由2424颗卫星组颗卫星组成，均匀分布在成，均匀分布在3 3个近圆形的轨道平面上，个近圆形的轨道平面上，每个轨道面每个轨道面8 8颗卫星，轨道高度颗卫星，轨道高度1910019100公里，公里，运行周期运行周期1111小时小时1515分，轨道倾角分，轨道倾角64.864.8。由于由于GLONASSGLONASS的卫星轨道倾角大于的卫星轨道倾角大于GPSGPS卫星卫星的轨道倾角，所以在高纬度地区（的轨道倾角，所以在高纬度地区（5050度以度以上）可视性更好。上）可视性更好。2011年年12月月10日起，俄罗斯日起，俄罗斯GLONASS卫星导航系统共有卫星导航系统共有31颗卫星在轨，颗卫星在轨，其中其中24颗卫星正在运行，颗卫星正在运行，3颗卫星即将投入颗卫星即将投入运行，运行，2颗卫星处于维护中，颗卫星处于维护中，1颗卫星正在颗卫星正在试验，试验，1颗卫星备用。至此，俄罗斯颗卫星备用。至此，俄罗斯GLONASS卫星导航系统研发正式完成。卫星导航系统研发正式完成。四、伽利略系统简介四、伽利略系统简介 GARLILEO系统计划是欧洲委员会于系统计划是欧洲委员会于1999年年2月公布筹建的全球定位导航服务系月公布筹建的全球定位导航服务系统，统，GALILEO系统设计为支持各种领域广系统设计为支持各种领域广泛应用，包括泛应用，包括实时导航、位置基准、安全与实时导航、位置基准、安全与应急跟踪、体育、休闲服务和支持政府公共应急跟踪、体育、休闲服务和支持政府公共事业的需要事业的需要。GALILEO系统在技术结构上系统在技术结构上将以将以30颗颗MEO轨道卫星为核心星座，其空轨道卫星为核心星座，其空间信号等效于间信号等效于GPS卫星上的信号，具有在卫星上的信号，具有在L频段和频段和GPS兼容的多频体制。在经济上除一兼容的多频体制。在经济上除一般的免费入网用户外，加设有控收费入网的般的免费入网用户外，加设有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。高完善性安全导航用户及其他增值收费服务。“伽利略伽利略”卫星定位系统将由卫星定位系统将由30颗轨道卫星颗轨道卫星组成，卫星的轨道高度为组成，卫星的轨道高度为2.4万公里，倾角万公里，倾角为为56度，分布在度，分布在3个轨道面上，每个轨道面个轨道面上，每个轨道面部署部署9颗工作星和颗工作星和1颗在轨备份星。颗在轨备份星。“伽利略伽利略”将为用户提供误差不超过将为用户提供误差不超过1米、时间精确米、时间精确的定位服务。的定位服务。中国是第一个参与中国是第一个参与“伽利略伽利略”计划的非计划的非欧盟国家，承诺提供欧盟国家，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，中欧已经成功启合执行体的共同努力下，中欧已经成功启动了动了“伽利略伽利略”计划合作计划合作1111个项目的技术个项目的技术谈判，项目涵盖谈判，项目涵盖“伽利略伽利略”系统的空间段、系统的空间段、地面段和应用段等各领域。已经签署合作地面段和应用段等各领域。已经签署合作协议的协议的7 7个项目合同总金额超过个项目合同总金额超过30003000万欧元。万欧元。这些项目包括：渔业应用项目、基于位置这些项目包括：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。伽利略测试认证环境等。五、北斗导航系统简介五、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UTCUTC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，成功发射第五颗北斗发射第五颗北斗导航卫星。导航卫星。2010年年11月月1日日零时零时26分，中国在西分，中国在西昌卫星发射中心用昌卫星发射中心用“长长征三号丙征三号丙”运载火箭，运载火箭，将第六颗北斗导航卫将第六颗北斗导航卫星成功送入太空，这星成功送入太空，这是中国今年连续发射是中国今年连续发射的第的第4颗北斗导航系统颗北斗导航系统组网卫星。组网卫星。2010年年12月月18日日4时时20分，我国在西昌卫星发射中心使用分，我国在西昌卫星发射中心使用“长长征三号甲征三号甲”运载火箭，成功将第七颗北斗导航卫星送入太空预定转运载火箭，成功将第七颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。至此，今年我国共进行了移轨道。至此，今年我国共进行了15次航天发射，全部获得成功。次航天发射，全部获得成功。2011年年4月月10日日4时时47分，我国在西昌卫星发射中心用分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲长征三号甲”运载火箭，成功将第八颗北斗导航卫星送入太运载火箭，成功将第八颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。这是一颗倾斜地球同步轨道卫星。这次发空预定转移轨道。这是一颗倾斜地球同步轨道卫星。这次发射是今年北斗导航系统组网卫星的第一次发射，也是我国射是今年北斗导航系统组网卫星的第一次发射，也是我国“十二五十二五”期间的首次航天发射。期间的首次航天发射。2011年年7月月27日清晨，中国西昌卫星发射中心发射场周边日清晨，中国西昌卫星发射中心发射场周边雷电交加、暴雨如注，就在两次雷电间隙，雷电交加、暴雨如注，就在两次雷电间隙，“长征三号甲长征三号甲”点火点火腾空，宛如一条火龙在暴雨雷电中直刺苍穹，将第九颗北斗导腾空，宛如一条火龙在暴雨雷电中直刺苍穹，将第九颗北斗导航卫星成功送入太空预定转移轨道。航卫星成功送入太空预定转移轨道。第第九九颗颗卫卫星星发发射射现现场场北京时间北京时间12月月2日日清晨清晨5时时07分，中分，中国在西昌卫星发射国在西昌卫星发射中心用中心用“长征三号长征三号甲甲”运载火箭，将运载火箭，将中国第十颗北斗导中国第十颗北斗导航卫星成功送入太航卫星成功送入太空预定转移轨道。空预定转移轨道。2012年年2月月25日日0时时12分，我国在西昌卫分，我国在西昌卫星发射中心用星发射中心用“长征三号长征三号丙丙”运载火箭，成功将第运载火箭，成功将第十一颗北斗导航卫星送十一颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。入太空预定转移轨道。这是一颗地球静止轨道这是一颗地球静止轨道卫星，是我国今年发射卫星，是我国今年发射的首颗北斗导航系统组的首颗北斗导航系统组网卫星。网卫星。国产北斗导航定位卫星模型国产北斗导航定位卫星模型1-2 GPS系统的组成系统的组成 GPS全球定位系统全球定位系统主要由三大组成部分，主要由三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。部分。一、一、GPSGPS卫星星座部分卫星星座部分 （一）、（一）、GPS卫星星座的构成卫星星座的构成 全球定位系统的空间全球定位系统的空间卫星星座卫星星座，由，由24颗卫星组成，其中包括颗卫星组成，其中包括3颗备用卫星。卫星分颗备用卫星。卫星分布在布在6个轨道面内，每个轨道面上分布有个轨道面内，每个轨道面上分布有4颗颗卫星。卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为卫星轨道面相对地球赤道面的倾角约为55，各轨道平面升交点的赤经相差，各轨道平面升交点的赤经相差60，在，在相邻轨道上，卫星的升交距角相差相邻轨道上，卫星的升交距角相差30。轨道。轨道平均高度约为平均高度约为20200km，卫星运行周期为，卫星运行周期为11小时小时58分。因此，同一观测站上，每天出现分。因此，同一观测站上，每天出现的卫星分布图形相同，只是每天提前约的卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。分钟。每颗卫星每天约有每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地时位于地平线以上的卫星数目，随时间和地点而异，最少为点而异，最少为4颗，最多可达颗，最多可达11颗。颗。卫卫星星星星座座（二）、（二）、GPSGPS卫星及其功能卫星及其功能 GPS GPS卫星的主体呈圆柱形，直径约为卫星的主体呈圆柱形，直径约为1.5m1.5m，重约，重约774kg(774kg(包括包括310kg310kg燃料燃料)两侧设有两侧设有两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保两块双叶太阳能板，能自动对日定向，以保证卫星正常工作用电。每颗卫星装有证卫星正常工作用电。每颗卫星装有4 4台高台高精度原子钟精度原子钟(2(2台铷钟和台铷钟和2 2台铯钟台铯钟)，这是卫星，这是卫星的核心设备。它将发射标准频率信号，为的核心设备。它将发射标准频率信号，为GPSGPS定位提供高精度的时间标准。定位提供高精度的时间标准。GPSGPS卫星卫星 GPS GPS卫星的基本功能（作用）是接收和储卫星的基本功能（作用）是接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执存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；卫星上设有微处理机，行监控站的控制指令；卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；通过星载的进行部分必要的数据处理工作；通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准；向高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准；向用户发送定位信息；在地面监控站的指令下，用户发送定位信息；在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。二、地面监控部分二、地面监控部分 GPSGPS地面监控部分，目前主要由分布在全球的地面监控部分，目前主要由分布在全球的5 5个地个地面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注面站所组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。入站。（一）监测站（一）监测站 现有现有5 5个地面站均具有监测站功能。个地面站均具有监测站功能。（二）主控站（二）主控站 主控站有一个，设在科罗拉多（主控站有一个，设在科罗拉多（Colorado Colorado SpringsSprings）。）。（三）注入站（三）注入站 注入站现有注入站现有3 3个，分别设在印度洋的迭哥加西亚个，分别设在印度洋的迭哥加西亚（Diego GarciaDiego Garcia）、南大西洋的阿松森岛）、南大西洋的阿松森岛（AscencionAscencion）和南太平洋的卡瓦加兰（）和南太平洋的卡瓦加兰（KwajaleinKwajalein）。）。地面监控部分地面监控部分三、用户设备部分三、用户设备部分 全球定位系统的空间部分和地面监控部全球定位系统的空间部分和地面监控部分，是用户应用该系统进行定位的基础，分，是用户应用该系统进行定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实现应用而用户只有通过用户设备，才能实现应用GPSGPS定位的目的。定位的目的。用户设备一用户设备一用户设备二用户设备二用户设备三用户设备三用户设备（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接收机接收机同学们正在实习同学们正在实习同学们正在实习同学们正在实习1-3 GPS技术特点及对技术特点及对GPS 用户限制性政策用户限制性政策一、一、GPSGPS相对于其它导航系统的特点相对于其它导航系统的特点 GPSGPS同其它导航系统相比，其主要特点如下：同其它导航系统相比，其主要特点如下：1 1、全球地面连续覆盖。、全球地面连续覆盖。2、功能多，精度高。、功能多，精度高。3、实时定位。、实时定位。4、应用广泛。、应用广泛。1 1、观测站之间无需通视。、观测站之间无需通视。2 2、定位精度高。、定位精度高。3 3、观测时间短。、观测时间短。4 4、提供三维坐标。、提供三维坐标。5 5、操作简便。、操作简便。6 6、全天候作业。、全天候作业。二、二、GPSGPS定位定位技术技术相对于经典测量的特点相对于经典测量的特点三、美国政府对三、美国政府对GPSGPS用户的限制性政策用户的限制性政策 由于由于GPSGPS定位技术与美国的国防现代化定位技术与美国的国防现代化发展密切相关，为了保障美国的利益与安发展密切相关，为了保障美国的利益与安全，美国政府采取了限制非经美国特许的全，美国政府采取了限制非经美国特许的用户利用用户利用GPSGPS定位的精度措施。该系统除了定位的精度措施。该系统除了在设计方面采取了许多保密性措施外，在在设计方面采取了许多保密性措施外，在系统运行中还采取了可能采取的措施，来系统运行中还采取了可能采取的措施，来限制用户获取限制用户获取GPSGPS观测量的精度，其措施主观测量的精度，其措施主要有三种。要有三种。1、对不同的、对不同的GPS用户提供不同的服务方式用户提供不同的服务方式 GPS卫星发射的无线电信号，含有两种精度不同的测距码，即所谓的P P码（也称精码（也称精测码）和测码）和C/AC/A码（也称粗测码）。码（也称粗测码）。相应两种测距码GPS提供两种定位服务方式，即精密精密定位服务和标准定位服务定位服务和标准定位服务。精密定位服务（精密定位服务（PPS）可提供L1和L2载波上的P码，L1载波上的C/A码，导航电文和消除SA影响的密匙。PPS的主要用户对象主要用户对象是美国军事部门和其他经美国特许的用户。P码是不公开的保密码，未经美国政府特许的用户是难以利用的。其单点定位精度约为5m10m。标准定位服务（标准定位服务（SPSSPS）仅提供L1载波上的C/A码和导航电文，其主要服务对象是非经美国政府特许的广大用户。其单点定位精度约为20m40m。2 2、实施选择可用性（、实施选择可用性（SASA）政策）政策 为了进一步降低标准定位服务（为了进一步降低标准定位服务（SPSSPS）的）的定位精度，对定位精度，对GPSGPS工作卫星发射的信号，实工作卫星发射的信号，实行了行了SASA政策，以进行人为干扰，其干扰是通政策，以进行人为干扰，其干扰是通过所谓的过所谓的和和技术实现的。前者是干扰卫技术实现的。前者是干扰卫星星历数据，通过降低星星历数据，通过降低GPSGPS卫星播发的轨道卫星播发的轨道参数的精度来降低利用参数的精度来降低利用C/AC/A码进行单点定位码进行单点定位的精度。后者是对的精度。后者是对GPSGPS基准信号人为的引入基准信号人为的引入一个高频抖动信号，降低一个高频抖动信号，降低C/AC/A码伪距观测两码伪距观测两的精度。的精度。3 3、精密测距码加密（、精密测距码加密（A-SA-S）措施）措施 P P码的加密措施也叫码的加密措施也叫“反电子欺骗反电子欺骗”（A-A-S S）措施。当）措施。当P P码已被解密，或在战时，对方码已被解密，或在战时，对方如果知道了特许用户接收机所接收卫星信号如果知道了特许用户接收机所接收卫星信号的频率和相位，便可以发射适当频率的干扰的频率和相位，便可以发射适当频率的干扰信号，诱使特许用户的接收机错锁信号，产信号，诱使特许用户的接收机错锁信号，产生错误的导航信息。为了防止这种电子欺骗，生错误的导航信息。为了防止这种电子欺骗，进一步加密进一步加密P P码，美国将在必要时引入机密码，美国将在必要时引入机密码码W W，并通过，并通过P P码与码与W W码相加，构成码相加，构成Y Y码。对于码。对于一般用户是无法解释一般用户是无法解释Y Y码来实现精密定位的。码来实现精密定位的。四、非特许四、非特许GPSGPS用户对美国限制性政策的措施用户对美国限制性政策的措施主要措施：主要措施：1、建立独立的、建立独立的GPS卫星测轨系统卫星测轨系统2、建立独立的卫星定位系统（如、建立独立的卫星定位系统（如GLONASS全球导航卫星系统全球导航卫星系统、北斗、北斗导航定导航定位系统位系统、GARLILEO 系统系统 等）等）3、开发、开发GPS与与GLONASS兼容接收机兼容接收机4、研究开发差分、研究开发差分GPS定位技术定位技术GPS系统构成图系统构成图综合练习综合练习1、若不受卫星高度角限制，在进行GPS观测时，最多可观测到的卫星和最少可观测到的卫星分别为（）。A、9颗、4颗 B、11颗、4颗 C、11颗、1颗 D、9颗、1颗2、美国政府对GPS用户采取了哪些限制性政策？这些非特许用户针对美国的加密政策采取了哪些对策？3、GPS卫星定位系统由三大部分组成，即 部分、部分和 部分。4、GPS、GARLILEO、GLONASSGLONASS、北斗导航定位系统等、北斗导航定位系统等基本概念。基本概念。