GPS测量原理及应用备课课件(最新)第一章：绪论

全天侯作业。GPS观测工作，可以在任何地点，任何时间 连续地进行，一般也不受天气状况的影响。
用途广，功能多。GPS系统不仅可用于测量定位、导航，还可以 用于测时、测速等，而且精度高。
五.其他卫星导航定位系统简介
1.俄罗斯的GLONASS导航定位系统 2.中国的北斗双星导航定位系统 3.欧盟的伽利略导航定位系统(GNSS)
❖ GPS卫星的作用是：
（1）向广大用户连续不断地 发送导航定位信号，用导 航电文报告自己的现势位 置，以及其它在轨卫星的 概略位置。（2）在飞越注 入站上空时，接受由地面 注入站用S波段发送来的导 航电文和其它有关信息， 供实时转发给地面上广大 用户。（3）接收地面主控 站通过注入站发送到卫星 的调度命令。
❖ 从1994年欧盟已开始对伽利略（GNSS）系统方案实施论证。 2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略 （GNSS）系统的L频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部 长一致同意伽利略（GNSS）系统的建设。该系统由欧盟各政府 和私营企业共同投资（36亿欧元），是将来精度最高的全开放 的新一代定位系统。
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
卫星 1
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，
☆ 星下点1
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
❖ 3.频率低，难以补偿电离层效应的影响。
因为电离层是电磁波的弥散介质，对不同频率（f）的 信号传播速度影响很大。频率越低导致的误差就越大。
（三）第二、三代卫星导航系统：
❖1973年12月美国开始建立新一代的卫星导航系统——GPS 全球定位系统（Global Positioning System)
4
3
2
1
（X、Y、Z）
X、Y 、Z —— 测点点位坐标 Xi、Yi、Zi——卫星星历（坐标） 1、 1、 1 ——观测所得伪距（在 方程中是已知值）。
四. GPS的技术特点
❖ 观测站之间无需通视。既要保持良好的通视条件，又要保障 测量控制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践方面 的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之间相互通视，因而 不再需要建造觇标，这一优点既可大大减少测量工作的经费 和时间，同时也使点位的选择变得甚为灵活。
我国类似GEOSTAR系统的双星导航定位系统（北 斗一号），已于2000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。该系统的第三颗同步静 止定位卫星，在2003年5月25日发射，于6月3日5时顺 利定点，系统大功告成。
双星导航定位系统的组成
❖ 卫星星座：由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备 用）。轨道倾角i =0°；公转周期T=24h恒星时；轨 道高度H=36000km 。
❖ ④定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。（约比GPS 高10倍）
二.GPS系统的组成
GPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地 面发射L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，并计算出接收机天线 所在的位置。因此，GPS定位系统是由以下三个部 分组成：
❖ （1）GPS卫星星座（空间部分）
❖ （2）地面监控系统（地面控制部分）
❖ （3）GPS信号接收机（用户设备部分）。
最新版
《GPS测量原理及应用》
备课课件 第一章：绪论
第一章 绪论
(a)GPS卫星定位技术的发展 (b)GPS系统的组成 (c)GPS的定位原理 (d)GPS的技术特点 (e)其它卫星导航定位系统简介 (f)美国对GPS用户的限制性政策
一、GPS的历史与发展
（一）第一代卫星导航系统的产生与发展
❖1957年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功。 ❖1958年12月美国建立 “子午卫星系统”——Transit ❖1965年前苏联建立了“卫星导航系统”——CICADA ❖1967年美国宣布解密子午卫星系统的部分导航电文供
提供三维坐标。GPS测量，在精确测定观测站平面位置的同 时，可以精确测定观测站的大地高程（精度相当于四等水 准测量）。GPS测量的这一特点，不仅为研究大地水准面的 形状和确定地面点的高程开辟了新途径，同时也为其在航 空物探，航空摄影测量及精度导航中的应用，提供了重要 的高程数据。
操作简便。GPS测量的自动化程度很高，在观测中测量员的主要 任务只是安置并开关仪器，量取仪器高，监视仪器的工作状态 和采集环境的气象数据，而其它观测工作，如卫星的捕获，跟 踪观测和记录等均由仪器自动完成。另外，GPS用户接收机一般 重量较轻，体积较小，因此携带和搬运都很方便。
子午卫星星座
（二）第一代卫星导航系统的局限性
❖ 1.卫星少，不能实时定位。
在低纬度地区最不利时要等待10小时才能观测到卫 星，这样该系统就很难满足用户连续导航的需要。
❖ 2.轨道低，难以精密定轨。
卫星轨道低，受到地球不规则重力场的引力摄动和 大气阻力摄动的影响很大，低轨卫星精确定轨的测算难 度很大且精度不高。由于卫星引力摄动和阻力摄动计算 不准导致的定位误差可达1～2米。
民间使用。
子午卫星导航系统 （NNSS）
❖ （1）卫星星座：子午卫星星座，由六 颗独立轨道的极轨卫星组成。
❖ 轨道倾角i =90°；卫星运行周期为 T=107min；卫星高度约为H=1075km； 按理论上的设计，六颗卫星应当均匀 分布在相互间隔为30度轨道平面上。
❖ （2）地面系统：地面设有4个卫星跟 踪站； 1个计算中心；1个控制中心； 2个注入站；1个天文台（海军天文 台）。
GLONASS卫星星座
双星导航定位系统（北斗一号）
❖ 1982年7月，美国L.A.Lvarez和C.Trophy及F.Rose 三位科学家提出主动式卫星导航通信系统,并于1982年 12月完成了总体设计,定名为GEOSTAR 。该系统是一个 局域实时导航定位系统，据1991年9月的报导,由于 GEOSTAR系统缺乏竞争能力,拟投资的用户日渐减少,最 后不得不中断该系统的建设。
核心部件:高精度时钟,导航电文存储器,信号发射和接收机及 微处理机.
（2）地面监控系统（地面控制部分）
❖ 地面监控系统由一个主控站、三个注入站和五个监测站组成。
❖ 主控站的作用是收集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测 值、环境要素等数据，计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正量、 状态数据、以及信号的大气层传播改正，并按一定的形式编制成 导航电文，传送到主控站，此外还控制和监视其余站的工作情况 并管理调度GPS卫星。
3.生产作业阶段： ❖ 1989年2月14日第一颗GPS工作卫星发射成功。 ❖ 1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座建成. ❖ 1994年6月完成第二代卫星发射。 ❖ 1996年开始发射第三代（BlockIIR)卫星。
截止2004年3月为止，在轨卫星共29颗，星号为1－11，13 －18，20－31。目前，GPS星座已真正实现全球覆盖，不再有 盲区，全天24小时任何时间都能精密定位。
GPS接收机,导航仪
三. GPS的定位原理
D1
D2
A
准确位置
D3
GPS定位原理示意图
空间距离方程
S3 S4
S2
1=—[(X1-X)2+(Y1-Y)2+(Z1-Z)2]
S1 2 =—[(X2-X)2+(Y2-Y)2+(Z2-Z)2]
—
3= [(X3-
X)2+(Y3-Y)2+(Z3-Z)2]
……
全球导航定位系统（GLONASS）
❖
该系统是82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96年建成全球导航定位系统（Global Navigation Satellite
System——GLONASS）。该系统与美国的全球定位系统同属于第二代卫星定
位系统。
卫星星座：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，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；1996年1月18日整个系统正式运转。 地面系统：地面控制站组（GCS）设有1个系统控制中 心（在莫斯科区的Golitsyno-2），1个指令跟踪站 （CTS），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内； 定位精度： 水平精度：±50—70m；垂直精度：±75m； 测速精度：±15cm/s； 授时精度：±1μs
❖ 注入站的作用是将主控站传来的导航电文，用10cm（S）波段的 微波作载波，分别注入到相应的GPS卫星中，通过卫星将导航电 文传递给地面上的广大用户。由于导航电文是GPS用户所需要的 一项重要信息，通过导航电文才能确定出GPS卫星在各时刻的具 体位置，因此注入站的作用是很重要的。
❖ 监测站的主要任务是为主控站编算导航电文提供原始观测数据。 每个监测站上都有GPS信号素等数据，经初步处理后发往主控站。
❖ 系统组成：
❖ ①卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27 颗工作卫星，3颗备用卫星） 。卫星的轨道倾角i =56°；卫 星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km 。
❖ ②地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。
❖ ③定位原理：与GPS相同。
❖该系统分三个阶段进行： 1.论证方案阶段：1973年12月组成联合办公室。 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地
面接收机及建立地面跟踪网。
2.工程研制阶段： 从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了 各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标 准。