GPS第四章 GPS系统的组成原理
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Global Positioning System
单频接收机：单频接收机只能接收L1载波信号，
GPS用户接收机有几种分类方法： 1、 按频率分为单频接收机和双频接收 机；
测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消 除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线 （<15km）的精密定位。对于车辆、船舶导航等对 精度要求不高的用户，使用单频接收机就可以满 足要求。
Global Positioning System
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
主控站的主要功能为： 监测站是一种无人值守的数据采集中心，它的 主要作用是为主控站编算导航电文提供观测数 据。
收集数据； 编算导航电文； 诊断状态，控制和协调各个监测站 和注入站的工作； 调度卫星。
第四章
GPS系统的组成
第二章 GPS系统的组成 第四章 GPS系统的组成
广播星历无法满足一些高精度应用需要，于是国内 精密星历的精度，径向误差约为1m，切向误差约为 7m，法向误差约为3m左右。 外很多部门建立自己的GPS卫星跟踪站（也称为参 考站），提供一种精度较高的，用于测后数据处理 的“精密星历”（用户只能事后得到，不能用于实时 定位）。
Global Positioning System
2、按接收机通道数分类：GPS接收机能同时接收多 颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的 信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测， 具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接 收机所具有的通道种类可分为： 多通道接收机； 序贯通道接收机；多路多用通道接收机。
Global Positioning System
工程测量。定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。
3）授时型接收机：这类接收机主要利用GPS卫星提 供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无 线电通讯中时间同步。
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
Global Positioning System
Global Positioning System
GPS参考站系统运行流程
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
参考站的任务
跟踪GPS卫星，采集轨道数据；
第四章
GPS系统的组成
美国国防制图局、国家大地测量局和美国航空航天 局的跟踪站位于高精度的甚长基线射电干涉测量 （VLBI）控制点上，这种控制点的精度都在厘米级。 这些跟踪站计算出的官方精密星历其精度可以达到 1m以内。但这种星历是控制使用的，只有特许的国 外用户才能获得官方精密星历。
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS用户接收机的作用： 自动跟踪用户视界内的GPS卫星的运行，捕 获GPS信号； 变换、放大和处理接收到的GPS信号； 测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时 间，解译出GPS卫星发送的导航电文； 实时计算出测站的三维位置，甚至三维速度 和时间。
Global Positioning System
3、 按接收机工作原理分类： 1）码相关型接收机：码相关型接收机是利用码相 关技术得到伪距观测值。 2）平方型接收机：它利用载波信号的平方技术去 掉调制信号,来恢复完整的载波信号，通过相位计 测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信 号之间的相位差，测定伪距观测值。
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS卫星的轨道基本上是圆形的，偏心率为e＝ 0.01，偏心率的计算公式为：
第三节
GPS卫星定轨
轨道平均高度大约为 20200 km； 轨道曲线的形状几乎为圆形； 轨道周期为 12 小时； 每天提前 4 分钟可以看到相同的星座分布。
e=
a2 − b2 a
其中，a为轨道长半轴的长度，b为短半轴的长度。
Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
开普勒六参数
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
卫星轨道长半轴的平方根； 采用圆形高轨道的目的在于： 卫星轨道的偏心率e； 轨道倾角； 增大可见地面面积。 增强均匀覆盖。 升交点赤经； 近地点角距； 参考时刻 t 的平近点角。
GPS跟踪站不仅是数据的采集、处理中心，同时它 也是GPS信息服务中心 。
Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
GPS卫星轨道的特点
分布在 6 个轨道平面上； 轨道平面的倾角为55 °；
第四章
GPS系统的组成
导航型接收机按应用场合还可以分为： 手持式——适合于个人使用； 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，要求接收机能适 应高速运动； 星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的速 度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。
Global Positioning System Global Positioning System
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四节
GPS卫星
Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System
卫星钟
第四章
GPS系统的组成
Global Positioning System
2）测地型接收机：主要用于精密大地测量和精密 1）导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载 体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这 类接收机 一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位 精度较低，一般为±30m。 这类接收机价格便宜， 应用广泛。但大部分导航型接收机只具备伪距定位 功能，不能进行载波相位测量。
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS 接 收 天 线
Global Positioning System
GPS 接 收 机 GPS接收机
Global Positioning System Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System
地面监控系统
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS地面监测站
第四章
GPS系统的组成
GPS地面监测站分布
地面监控系统的站点包括一个主控站，三个注 入站和五个监控站。
Global Positioning System
第二章 GPS系统的组成 第四章 GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS 接 收 机
GPS接收机
GPS接收机 内部结构 示意图
Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System
生产GPS接收机的公司很多，全世界有几百家，最 出名的品牌有Trimble, Leica, Topcon, Sokkia等。
GPS接收机的价格。导航型、授时型和测地型接收 机的价格相差很大。
Trimble5700 GPS接收机 Positioning System Global
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
wenku.baidu.com
GPS系统的组成
对于GPS用户而言，GPS卫星是一种动态已知点，是
第二节 GPS地面监控系统
根据卫星发送的卫星星历算出来的。所谓“卫星星 历”，是一系列描述卫星运动及其轨道的参数，这 些参数都是由地面监控系统提供的。
九十年代初的GPS天线 Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
双频接收机：双频接收机可以同时接收L1，L2载 波信号。GPS信号有两个载波频率：L1=1575.42和 L2＝1227.60，双频可以消除电离层折射的影响 （在后面的章节将详细介绍）。因此双频接收机 可用于长达几千公里的精密定位。但双频接收机 的价格要高很多。
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS接收机的大小：
Sokkia
Leica500 GPS接收机 傻瓜型接收机 （天线和接收机 集成在一起）
随着电子元件制造工艺的进步，GPS接收机越来 越小巧，功能逐渐增多。特别是测量型接收机，现 在体积和重量只有十年前的十分之一，但功能比以 前更多。
Global Positioning System Global Positioning System Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第一节 GPS用户接收机
GPS用户接收机是能够接收、跟踪、变换、 测量和存储GPS信号的卫星接收设备。 它分为天线部分和接收单元两部分。
GPS 接 收 天 线
Global Positioning System
Global Positioning System
我国在“八五”期间建成上海、拉萨、乌鲁木齐、北 京、武汉五个GPS高精度GPS永久性跟踪站，并已投 入正式运行。
实时或定期处理这些跟踪数据，计算GPS卫星轨道、 卫星钟偏差、电离层改正等参数； 建立和国内外GPS追踪网（如IGS）的通讯联系，收 集国外GPS精密星历； 向社会提供GPS精密星历、国内外追踪站坐标、追 踪资料等有关信息； 提供GPS的硬件、软件、外业、内业服务。
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
按用途分为：导航型、测地型和授时型。 3）混合型接收机 这种仪器是综合上述两种接 收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得 到载波相位观测值。 4）干涉型接收机 这种接收机是将GPS卫星作 为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间 距离。
GPS地面监测原理
Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
广播星历
第四章
GPS系统的组成
主控站的星历编算分成两步：
注入站的作用是把导航电文注入GPS卫星。
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
空间部分
第四章
华中科技大学水电学院仿真中心 主讲：付必涛
Global Positioning System
GPS系统的组成
用户部分
控制部分
Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System Global Positioning System
注入到卫星，再由GPS卫星发送给广大用户。这 些外推的数据被称为广播星历。它的实际精度 一般为20～40m左右，有时只有60～80m。
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
主控站根据监测站对每颗可见GPS卫星的轨道监 测数据，编算参考星历。然后依照参考星历， 外推出26小时轨道弧段的全部数据，由注入站
第一步：编算参考星历 ； 第二步：编算注入星历 。
每天注入三次，每次注入14天的星历。因此，即 使地面监控站停止注入，卫星仍能继续发送导航电 文14天，但是时间越长，精度越差。
Global Positioning System Global Positioning System
开 普 勒 六 参 数
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
GPS卫星的轨道摄动 地球引力 大气阻力 日月引力 太阳光压 地球固体潮 (可以引发很 多自然现象）
第四章
单频接收机：单频接收机只能接收L1载波信号，
GPS用户接收机有几种分类方法： 1、 按频率分为单频接收机和双频接收 机；
测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消 除电离层延迟影响，单频接收机只适用于短基线 （<15km）的精密定位。对于车辆、船舶导航等对 精度要求不高的用户，使用单频接收机就可以满 足要求。
Global Positioning System
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
主控站的主要功能为： 监测站是一种无人值守的数据采集中心，它的 主要作用是为主控站编算导航电文提供观测数 据。
收集数据； 编算导航电文； 诊断状态，控制和协调各个监测站 和注入站的工作； 调度卫星。
第四章
GPS系统的组成
第二章 GPS系统的组成 第四章 GPS系统的组成
广播星历无法满足一些高精度应用需要，于是国内 精密星历的精度，径向误差约为1m，切向误差约为 7m，法向误差约为3m左右。 外很多部门建立自己的GPS卫星跟踪站（也称为参 考站），提供一种精度较高的，用于测后数据处理 的“精密星历”（用户只能事后得到，不能用于实时 定位）。
Global Positioning System
2、按接收机通道数分类：GPS接收机能同时接收多 颗GPS卫星的信号，为了分离接收到的不同卫星的 信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测， 具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接 收机所具有的通道种类可分为： 多通道接收机； 序贯通道接收机；多路多用通道接收机。
Global Positioning System
工程测量。定位精度高。仪器结构复杂，价格较贵。
3）授时型接收机：这类接收机主要利用GPS卫星提 供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台及无 线电通讯中时间同步。
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
Global Positioning System
Global Positioning System
GPS参考站系统运行流程
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
参考站的任务
跟踪GPS卫星，采集轨道数据；
第四章
GPS系统的组成
美国国防制图局、国家大地测量局和美国航空航天 局的跟踪站位于高精度的甚长基线射电干涉测量 （VLBI）控制点上，这种控制点的精度都在厘米级。 这些跟踪站计算出的官方精密星历其精度可以达到 1m以内。但这种星历是控制使用的，只有特许的国 外用户才能获得官方精密星历。
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS用户接收机的作用： 自动跟踪用户视界内的GPS卫星的运行，捕 获GPS信号； 变换、放大和处理接收到的GPS信号； 测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时 间，解译出GPS卫星发送的导航电文； 实时计算出测站的三维位置，甚至三维速度 和时间。
Global Positioning System
3、 按接收机工作原理分类： 1）码相关型接收机：码相关型接收机是利用码相 关技术得到伪距观测值。 2）平方型接收机：它利用载波信号的平方技术去 掉调制信号,来恢复完整的载波信号，通过相位计 测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信 号之间的相位差，测定伪距观测值。
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS卫星的轨道基本上是圆形的，偏心率为e＝ 0.01，偏心率的计算公式为：
第三节
GPS卫星定轨
轨道平均高度大约为 20200 km； 轨道曲线的形状几乎为圆形； 轨道周期为 12 小时； 每天提前 4 分钟可以看到相同的星座分布。
e=
a2 − b2 a
其中，a为轨道长半轴的长度，b为短半轴的长度。
Global Positioning System
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第四章
GPS系统的组成
开普勒六参数
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
卫星轨道长半轴的平方根； 采用圆形高轨道的目的在于： 卫星轨道的偏心率e； 轨道倾角； 增大可见地面面积。 增强均匀覆盖。 升交点赤经； 近地点角距； 参考时刻 t 的平近点角。
GPS跟踪站不仅是数据的采集、处理中心，同时它 也是GPS信息服务中心 。
Global Positioning System
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第四章
GPS系统的组成
GPS卫星轨道的特点
分布在 6 个轨道平面上； 轨道平面的倾角为55 °；
第四章
GPS系统的组成
导航型接收机按应用场合还可以分为： 手持式——适合于个人使用； 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，要求接收机能适 应高速运动； 星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的速 度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。
Global Positioning System Global Positioning System
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四节
GPS卫星
Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System
卫星钟
第四章
GPS系统的组成
Global Positioning System
2）测地型接收机：主要用于精密大地测量和精密 1）导航型接收机 此类型接收机主要用于运动载 体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这 类接收机 一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位 精度较低，一般为±30m。 这类接收机价格便宜， 应用广泛。但大部分导航型接收机只具备伪距定位 功能，不能进行载波相位测量。
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS 接 收 天 线
Global Positioning System
GPS 接 收 机 GPS接收机
Global Positioning System Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System
地面监控系统
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS地面监测站
第四章
GPS系统的组成
GPS地面监测站分布
地面监控系统的站点包括一个主控站，三个注 入站和五个监控站。
Global Positioning System
第二章 GPS系统的组成 第四章 GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS 接 收 机
GPS接收机
GPS接收机 内部结构 示意图
Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System
生产GPS接收机的公司很多，全世界有几百家，最 出名的品牌有Trimble, Leica, Topcon, Sokkia等。
GPS接收机的价格。导航型、授时型和测地型接收 机的价格相差很大。
Trimble5700 GPS接收机 Positioning System Global
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
wenku.baidu.com
GPS系统的组成
对于GPS用户而言，GPS卫星是一种动态已知点，是
第二节 GPS地面监控系统
根据卫星发送的卫星星历算出来的。所谓“卫星星 历”，是一系列描述卫星运动及其轨道的参数，这 些参数都是由地面监控系统提供的。
九十年代初的GPS天线 Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
双频接收机：双频接收机可以同时接收L1，L2载 波信号。GPS信号有两个载波频率：L1=1575.42和 L2＝1227.60，双频可以消除电离层折射的影响 （在后面的章节将详细介绍）。因此双频接收机 可用于长达几千公里的精密定位。但双频接收机 的价格要高很多。
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
GPS接收机的大小：
Sokkia
Leica500 GPS接收机 傻瓜型接收机 （天线和接收机 集成在一起）
随着电子元件制造工艺的进步，GPS接收机越来 越小巧，功能逐渐增多。特别是测量型接收机，现 在体积和重量只有十年前的十分之一，但功能比以 前更多。
Global Positioning System Global Positioning System Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第一节 GPS用户接收机
GPS用户接收机是能够接收、跟踪、变换、 测量和存储GPS信号的卫星接收设备。 它分为天线部分和接收单元两部分。
GPS 接 收 天 线
Global Positioning System
Global Positioning System
我国在“八五”期间建成上海、拉萨、乌鲁木齐、北 京、武汉五个GPS高精度GPS永久性跟踪站，并已投 入正式运行。
实时或定期处理这些跟踪数据，计算GPS卫星轨道、 卫星钟偏差、电离层改正等参数； 建立和国内外GPS追踪网（如IGS）的通讯联系，收 集国外GPS精密星历； 向社会提供GPS精密星历、国内外追踪站坐标、追 踪资料等有关信息； 提供GPS的硬件、软件、外业、内业服务。
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
按用途分为：导航型、测地型和授时型。 3）混合型接收机 这种仪器是综合上述两种接 收机的优点，既可以得到码相位伪距，也可以得 到载波相位观测值。 4）干涉型接收机 这种接收机是将GPS卫星作 为射电源，采用干涉测量方法，测定两个测站间 距离。
GPS地面监测原理
Global Positioning System
Global Positioning System
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第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
广播星历
第四章
GPS系统的组成
主控站的星历编算分成两步：
注入站的作用是把导航电文注入GPS卫星。
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
第四章
GPS系统的组成
空间部分
第四章
华中科技大学水电学院仿真中心 主讲：付必涛
Global Positioning System
GPS系统的组成
用户部分
控制部分
Global Positioning System
Global Positioning System
Global Positioning System Global Positioning System
注入到卫星，再由GPS卫星发送给广大用户。这 些外推的数据被称为广播星历。它的实际精度 一般为20～40m左右，有时只有60～80m。
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
主控站根据监测站对每颗可见GPS卫星的轨道监 测数据，编算参考星历。然后依照参考星历， 外推出26小时轨道弧段的全部数据，由注入站
第一步：编算参考星历 ； 第二步：编算注入星历 。
每天注入三次，每次注入14天的星历。因此，即 使地面监控站停止注入，卫星仍能继续发送导航电 文14天，但是时间越长，精度越差。
Global Positioning System Global Positioning System
开 普 勒 六 参 数
Global Positioning System
第四章
GPS系统的组成
GPS卫星的轨道摄动 地球引力 大气阻力 日月引力 太阳光压 地球固体潮 (可以引发很 多自然现象）
第四章