卫星导航与定位原理卫星导航与定位原理哈尔滨师范大学哈尔滨师范大学张玉红张玉红2008.052008.05参考文献和相关网站参考文献和相关网站: n李天文编著，李天文编著，GPSGPS原理与应用原理与应用，科，科学出版社，学出版社，20042004n刘基余编著，刘基余编著，GPSGPS卫星导航定位原理卫星导航定位原理与方法与方法，科学出版社，科学出版社，20032003n郭英起编著郭英起编著, ,GPSGPS测量定位原理和数测量定位原理和数据处理据处理，哈尔滨地图出版社，哈尔滨地图出版社，20052005n魏子卿魏子卿 葛茂荣葛茂荣 ,GPSGPS相对定位的数学模型相对定位的数学模型，测绘出版社，测绘出版社，19981998n张勤、李家权编著，张勤、李家权编著，全球定位系统（全球定位系统（ GPS GPS ）测量原理及其数据处理基础）测量原理及其数据处理基础，西，西安地图出版社，安地图出版社， 2001 2001 n周忠谟、易杰军、周琪编著，周忠谟、易杰军、周琪编著， GPS GPS 卫星卫星测量原理与测量原理与 应用应用，测绘出版社，测绘出版社， 19921992nhttp:/http:/gpsinformation.netgpsinformation.net/ /nhttp:/http:/www.gpsworld.comwww.gpsworld.com/ /nhttp:/http:/www.gischina.comwww.gischina.com考试方法:n期末闭卷笔试，占70%n平时考核（出勤、作业）占30%第一章第一章 概论概论n卫星定位技术的发展卫星定位技术的发展nGPSGPS概述概述第一节 SPS发展简史重要概念重要概念:n导航导航(navigation)，是，是实时地实时地测定运测定运动载体在途行进时动载体在途行进时的的位置位置和和速度速度，引，引导运动载体沿一定导运动载体沿一定航线经济而安全地航线经济而安全地到达目的地。到达目的地。GPSGPS发展简史发展简史n卫星导航卫星导航，是接收导航，是接收导航卫星发送的导航定位信卫星发送的导航定位信号，并以导航卫星作为号，并以导航卫星作为动态已知点动态已知点，实时地测，实时地测定运动载体的在航位置定运动载体的在航位置和速度，进而完成导航。和速度，进而完成导航。n卫星定位卫星定位：人类利用人：人类利用人造地球卫星确定测站点造地球卫星确定测站点位置位置(P1)。GPSGPS发展简史发展简史20世纪世纪 20年代：无线电信标出现；年代：无线电信标出现； 30年代：使用雷达手段和仪表着陆系统；年代：使用雷达手段和仪表着陆系统； 40年代：伏尔导航系统研制成功；年代：伏尔导航系统研制成功； 50年代：出现塔康导航系统、多普勒导航年代：出现塔康导航系统、多普勒导航雷达和罗兰雷达和罗兰C导航系统等；导航系统等；GPSGPS发展简史发展简史 1. 陆基导航系统的发展陆基导航系统的发展 60年代年代：出现了超远程奥米加导航系统；：出现了超远程奥米加导航系统； 70年代：微波着陆系统；年代：微波着陆系统； 80年代：建成奥米加地面系统年代：建成奥米加地面系统 ； 90年代：长河二号南海无线电导航系统。年代：长河二号南海无线电导航系统。GPSGPS发展简史发展简史n陆基无线导航系统的不足陆基无线导航系统的不足： 信号覆盖区域有限，技术落后，设信号覆盖区域有限，技术落后，设备陈旧，定位精度低（如奥米伽的定备陈旧，定位精度低（如奥米伽的定位精度为位精度为3.77.4千米千米），难以适应现），难以适应现代航海航空和陆地车辆的导航定位需代航海航空和陆地车辆的导航定位需要。要。GPSGPS发展简史发展简史2. 星基导航系统的出现 1957.10，第一颗人造卫星发射。，第一颗人造卫星发射。 1958.12，美国研制海军卫星导航系，美国研制海军卫星导航系统（统（NNSS, P1 ）。）。 1960. 4，第一颗试验卫星入轨运行。，第一颗试验卫星入轨运行。 1961.11，共发射，共发射9颗试验子午卫星。颗试验子午卫星。 1963.12，发射第一颗子午工作卫星，发射第一颗子午工作卫星（共（共6颗）。颗）。GPSGPS发展简史发展简史 在子午卫星星座覆盖下，地球在子午卫星星座覆盖下，地球表面上任何一个观测者，至多间表面上任何一个观测者，至多间隔隔2小时便可观测到该星座中的一小时便可观测到该星座中的一颗卫星。轨道参数如下颗卫星。轨道参数如下:GPSGPS发展简史发展简史子午卫星轨道参数子午卫星轨道参数卫星轨道卫星轨道高度高度1070km卫星数卫星数6颗颗轨道数轨道数6个个运行周期运行周期107min载波频率载波频率400,150（MHz）GPSGPS发展简史发展简史1）空间部分：）空间部分： 6颗卫星分布于颗卫星分布于6个轨道上，卫星高度个轨道上，卫星高度为为900至至1200Km。周期为周期为107分钟，运分钟，运行轨迹与子午线重合行轨迹与子午线重合,故称：故称：子午卫星导航子午卫星导航系统系统。（。（NNSS）GPSGPS发展简史发展简史2）、地面跟踪网：）、地面跟踪网：n（1）跟踪站 n（2）计算中心n（3）海军天文台 n（4）注入站n（5）控制中心GPSGPS发展简史发展简史3）、用户设备：）、用户设备：n单频接收机（用于导航）n双频接收机（测量定位）n多频接收机（跟踪站上）GPSGPS发展简史发展简史NNSS的特点的特点:n1）时间短；）时间短；n2）精度高而且均匀；）精度高而且均匀；n3）不受气候和时间的限制；）不受气候和时间的限制；n4）可获得全球统一的地心坐标系）可获得全球统一的地心坐标系统的坐标。统的坐标。GPSGPS发展简史发展简史衡量卫星导航定位系统的性能优劣指标：n可用性availabilityn精度accuracyn完好性integrityn连续性continuityGPSGPS发展简史发展简史NNSS的不足：n卫星少，不能实行连续导航定位。（测站平均观测测站平均观测12天）天）n轨道低，难以精密定轨。（单点定位（单点定位精度精度35m，相对定位精度约为，相对定位精度约为1m）n频率低，难以补偿电离层效应的影响。GPSGPS发展简史发展简史3.GPS的研制开发的研制开发 为了满足军事及民用部门对连续为了满足军事及民用部门对连续实时三维导航的需求，实时三维导航的需求，1973年美国国年美国国防部开始研究建立新一代卫星导航系防部开始研究建立新一代卫星导航系统，即：授时与测距导航系统统，即：授时与测距导航系统/全球定全球定位系统（位系统（navigation system timing and ranging/global positioning systemNAVSTAR/GPS），通常），通常称之为称之为全球定位系统（全球定位系统（GPS）。(P2)GPSGPS发展简史发展简史n全球定位系统（全球定位系统（GPS）：）：是美国国防是美国国防部的第二代卫星导航系统，部的第二代卫星导航系统，1973年年12月由海陆空三军联合研制的一种新的月由海陆空三军联合研制的一种新的军用卫星导航系统，简称为军用卫星导航系统，简称为GPS系统。系统。GPSGPS概述概述第二节第二节 GPS概述概述GPS的目的的目的： 初期：初期：nGPS系统的主要目的是能够在海陆空系统的主要目的是能够在海陆空三个领域内提供实时、全天候和全球三个领域内提供实时、全天候和全球性的导航定位服务，并用于情报搜集、性的导航定位服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通信等一些核爆监测和应急通信等一些军事军事目的目的。GPSGPS概述概述后期：后期： 民用民用:利用利用GPS卫星发送的导航定卫星发送的导航定位信号进行厘米级至毫米级精度的静位信号进行厘米级至毫米级精度的静态定位，米级至亚米级精度的动态定态定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级的速度测量核豪位，亚米级至厘米级的速度测量核豪微秒级精度的时间测量。微秒级精度的时间测量。GPSGPS概述概述1.GPS的组成：空间部分空间部分GPS卫星星座卫星星座用户部分用户部分GPS信号接收机信号接收机控制部分控制部分地面监控系统地面监控系统GPSGPS概述概述卫星轨道高度20200km卫星数24颗颗轨道数6个个运行周期720min载波频率1575,1227 （MHz）GPSGPS概述概述GPS轨道参数：GPS卫星及其功能卫星及其功能(P6)(1)接收导航信息，执行接收导航信息，执行控制指令；控制指令；(2) 数据处理；数据处理；(3) 提供时间标准；提供时间标准；(4)向用户发送定位信息；向用户发送定位信息；(5) 调整卫星的姿态，启调整卫星的姿态，启用备用卫星。用备用卫星。GPSGPS概述概述卡瓦加兰卡瓦加兰（注入站）（注入站）夏威夷夏威夷科罗拉多科罗拉多（主控站）（主控站）狄哥伽西亚狄哥伽西亚（注入站）（注入站）阿森松岛阿森松岛（注入站）（注入站）GPSGPS概述概述地面监控系统地面监控系统1 1、监测站、监测站: : 对GPS卫星进行跟踪监测并收集有关气象数据,将收集到的信息传给主控站。地面监控系统地面监控系统(P7) ：GPSGPS概述概述2、主控站、主控站: 1)收集数据.n 2)编算导航电文.n 3)诊断状态 .n 4)调度卫星.n3、注入站、注入站:将导航电文和主控站发布的命令发送给GPS卫星。GPSGPS概述概述用户设备部分 （1）GPS接收机硬件接收机硬件 （2）数据处理软件）数据处理软件 （3）微处理机及其终端设备）微处理机及其终端设备GPSGPS概述概述 夏威夷夏威夷 阿松森岛阿松森岛 科罗拉多科罗拉多 狄哥加西亚狄哥加西亚 卡瓦加兰卡瓦加兰 前方交会前方交会 后方交会后方交会 地面监控站地面监控站GPS接收机接收机GPSGPS概述概述2.系统的特点系统的特点(P2)n定位精度高 n观测时间短 n测站间无须通视 n可提供三维坐标 n操作简便 n全天候作业 n功能多、应用广 GPSGPS概述概述3.GPS的功能的功能（1）GPS系统能够实施全球性全天候系统能够实施全球性全天候全天时的连续不断的三维导航定位测全天时的连续不断的三维导航定位测量；量；（2）GPS信号能够用于运动载体的七信号能够用于运动载体的七维状态参数和三维姿态参数的测量；维状态参数和三维姿态参数的测量；GPSGPS概述概述（3）GPS卫星能够为陆地、海洋和空卫星能够为陆地、海洋和空间广大用户提供高精度多用途的导航间广大用户提供高精度多用途的导航定位服务；定位服务；（4）GPS技术能够达到毫米级的静态技术能够达到毫米级的静态定位精度和厘米级的动态测量精度。定位精度和厘米级的动态测量精度。GPSGPS概述概述4.GPS的应用的应用(自学自学)（一）（一） 利用利用GPS进行导航进行导航（二）利用（二）利用GPS系统进行授时系统进行授时（三）利用利用GPS系统进行测量定位系统进行测量定位GPSGPS概述概述（一）（一） 利用利用GPS进行导航进行导航为海、陆、空导航(走最短弧，可节省燃料和时间) ；确定冰山的位置和轨迹，避免海上事故发生；利用智能浮标为水下机器人和潜艇定位；对导弹进行制导，大大提高命中率；为汽车进行导航。GPSGPS概述概述（二）利用（二）利用GPS系统进行授时系统进行授时授时精度可达授时精度可达: 相对于相对于GPS时为时为10纳秒级（纳秒级（10-8秒）秒） 相对于相对于UTC时为微秒级（时为微秒级（10-6秒）秒） 将来可能成为最方便、最准确的一种授时将来可能成为最方便、最准确的一种授时方法，会得到非常广泛的应用。方法，会得到非常广泛的应用。GPSGPS概述概述(三) 利用利用GPS系统进行测量定系统进行测量定位位 1、已经成为高精度、高效率的测量方法(与其它测量方法在费用、时间和精度等方面进行比较) 。 2、在大地测量中得到了广泛的应用(可以直接测定各等级的大地点) 。 3、在工程测量、城市测量和地籍测量中的应用。GPSGPS概述概述4、在地球动力学、地球物理学和天体力学等方面的应用。在其它方面的应用: 天气预报、气象监测、确定飞机的高度等。GPSGPS概述概述第三节第三节 我国我国GPS的应用与的应用与发展发展1.GPS技术国内应用现状n在我国，GPS有三大领域应用的比较广泛、有效，这就是大地测量（测绘、勘探）、海上渔用以及车辆定位监控。n我国重视GPS产业并可以快速实现产业化。 （1）重视卫星导航系统的发展和）重视卫星导航系统的发展和应用应用1）北斗卫星导航系统的建立；2）与俄罗斯和欧盟的合作；3）着力研究开发第二代中国导航卫星系（CNSS）；4）卫星导航用户设备市场已日趋成熟，批量化用户群体正在逐步形成 。 （2）以车辆应用系统为代表的产品将成为市场热点1）紧急救援报警（含防盗报警与特种车辆）市场；2）车辆调度管理型应用产品 ；3）自主导航系统 ；4）与通讯机结合的产品 ；5）与智能交通系统的紧密结合 。 （3）GPS行业已引起了一批中大型企业的重视 （4）许多公司和厂商从创业中获得的经验教训是一笔宝贵的财富（5）产品价格不断下调有助于应用层面和市场的迅速扩大 2.我国GPS技术的发展n大地测量 ；n工程测量 ；n航空摄影测量 ；n地球动力学 ； 此外，在军事部门、交通部门、邮电部门、地矿、煤矿、石油、建筑以及农业、气象、土地管理、金融、公安等部门和行业，在航空航天、测时授时、物理探矿、姿态测定等领域，也都开展了GPS技术的研究和应用。 其他卫星导航和定位系统-GLONASS-GNSS-北斗导航系统GLONASS系统组成：系统组成：n空间卫星部分；空间卫星部分；n地面监控系统；地面监控系统；n用户设备。用户设备。n空间部分空间部分：24+1颗卫星分部于3个轨道上，高度为19100Km，周期为11小时15分，每颗卫星发射两个载波（其中L1为民用，L1和L2为军用），卫星使用的信号是伪随机噪声扩频信号。n地面控制系统地面控制系统：由一个系统控制中心和一个指令跟踪站组成。负责跟踪遥测所有卫星并发布各项指令。n用户设备用户设备：专用接收机（单频和双频）。双系统接收机（可提高定位精度、双系统接收机（可提高定位精度、削弱美国限制、扩大了应用范围）。削弱美国限制、扩大了应用范围）。伽俐略系统（伽俐略系统（GNSS） 由30（27+3）颗卫星组成，其分布于3个轨道上，轨道高度为23616Km。于2008年投入使用。GNSS主要任务： 1）主要用于民用。 2）对GPS和GLONASS两系统的卫星进行监测。北斗导航系统北斗导航系统 于2000年10月31日和12月21日先后发射了两颗卫星,进行了大量的测试工作。并于2003年5月25日发射了第三颗卫星,于6月3日5时顺利定点，系统完成。 系统由3（2+1）颗地球同步静止轨道卫星组成。参数：服务区域：70 145 E； 5 55 N。卫星飞行高度：36000 Km；周期：24恒星时。优点：系统简单、投资少。缺点：1）只能局部定位。 2）易暴露目标。定位精度：平面20m、高程 10m。定位原理:采用空间球面交会测量原理。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2 2 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 思思 考考 题题1子午卫星系统的组成及其特点?2简述GPS的功能。3GLONASS全球导航卫星系统的组成?4全球导航定位系统有几种?各由哪些组织承建?5GPS系统有哪些特点?6GPS系统由哪些部分组成?7地面监控系统的作用是什么?8举例说明GPS系统的广泛应用。