1.GPS定位基础知识1
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gpssptsouthsurveycom南方测绘仪器公司gps定位技术及应用33电磁波的传播gps定位的基本观测量是观测站用户接收天线至gps卫星信号发射天线的距离或称信号传播路径它是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间时间延迟或测定卫星载波信号相位在该路径上的变化周数相位延迟来导出的
GPS定位技术及应用
§1.2 空间定位技术
什么是空间定位技术（定义） 什么是空间定位技术（定义）
• 利用自然天体或人造天体来精确确定地面点的 位置及其随时间变化状况的一整套方法、 位置及其随时间变化状况的一整套方法、理论 和技术称为空间定位技术。 和技术称为空间定位技术。
空间定位的一般原理
• 观测值
–方向、距离、距离差 方向、距离、 方向
什么是定位
• 确定点在某一坐标系中的位置 • 相关的英语单词
–Positioning –Location –Orientation –Navigation –Guidance –Tracking
现代的常规（地面） 近、现代的常规（地面）定位方法
• 采用的仪器设备
–尺：铟钢尺 尺 –光学仪器：经纬仪，水准仪 光学仪器：经纬仪， 光学仪器 –激光和红外仪器：测距仪 激光和红外仪器： 激光和红外仪器 –综合多种技术的仪器：全站仪 综合多种技术的仪器： 综合多种技术的仪器 –无线电、微波仪器：Loran-C，雷达 无线电、 无线电 微波仪器： ，
• GPS发展简史 发展简史
– 1957年10月4日 第一颗人造卫星 Sputnik I （苏）发射成功。 发射成功。 年 月 日 – 1958年12月开始设计 NNSS(Navy Navigation Satellite System) – 年 月开始设计 TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月 月该系统正式运行。 ，即子午卫星系统。 年 月该系统正式运行 年 月 系统解密以供民用。 系统解密以供民用。 – 1973年12月，美国国防部（DOD）批准研制 年 月 美国国防部（ ）批准研制GPS。 。 – 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。 试验卫星发射成功。 年 月 日 颗 试验卫星发射成功 – 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。 工作卫星发射成功。 年 月 日 颗 工作卫星发射成功 – 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。 首次大规模用于实战。 年 在海湾战争中， 首次大规模用于实战 – 1993年，IGS成立。 成立。 年 成立 – 1995年7月17日，GPS达到 达到FOC – 完全运行能力（Full Operational 完全运行能力（ 年 月 日 达到 Capability）。 ）。 – 1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资 亿美圆，进行 亿美圆， 年 月 日 美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆 进行GPS现 现 代化。 代化。 – 1999年8月21/22日子夜，GPS发生 日子夜， 发生GPS周结束翻转 周结束翻转(EOW)问题。 问题。 年 月 日子夜 发生 周结束翻转 问题 – 2000年1月1日，Y2K问题。 问题。 年 月 日 问题 – 2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施 。（实际停止实 停止实施SA。（ 年 月 日 美国总统克林顿宣布， 停止实施 。（实际停止实 施SA是5月2日） 是 月 日
• 观测方法
–角度或方向观测 角度或方向观测 –距离观测 距离观测 –距离差观测 距离差观测
常规（地面） 常规（地面）定位方法的局限性
• 观测点之间需要保证通视
–需要修建觇标 架设高大的天线 需要修建觇标/架设高大的天线 需要修建觇标 –边长受到限制 边长受到限制 –观测难度大 观测难度大 –效率低：无用的中间过渡点 地面站 需要事先布设大量的地面控制点/地面站 • 无法同时精确确定点的三维坐标 • 观测受气候、环境条件限制 观测受气候、 • 受系统误差影响大，如地球旁折光 受系统误差影响大， • 难以确定地心坐标
传统大地控制网和水准网的缺陷： 传统大地控制网和水准网的缺陷：
• 平面、高程控制网破坏严重、很多点位难以寻 平面、高程控制网破坏严重、 找观测受气候、 找观测受气候、环境条件限制 • 控制网存在误差积累、精度不高 控制网存在误差积累、 • 控制网点位分布不均匀 • 平面点多在山顶并远离测区 • 平面与高程控制分离、没有统一 平面与高程控制分离、 的控制系统
空间定位技术及应用 >全球定位系统的组成及信号结构 > 空间部分 全球定位系统的组成及信号结构 Block IIA Block IIA Block IIR
Block IIR
Block IIR
Block IIF
• 地面监控部分 （Ground Segment） ）
–主控站：1个 主控站： 个 主控站 –监测站：5个 监测站： 个 监测站 –注入站：3个 注入站： 个 注入站 –通讯与辅助系统 通讯与辅助系统
空间定位技术的产生 – 可能性
• 空间技术的发展 • 计算能力的加强 • 电子技术的提高 • 通信技术的进步
–通信设备和手段的进步 通信设备和手段的进步 –通信技术 通信技术
空间定位技术的优点
测站间无需通视 • 数学模型简单，且能同时确定点的三维坐标 数学模型简单， • 易于实现全天候观测 • 在长距离上仍能获得高精度的定位结果
• GPS的系统组成 的系统组成
–由空间部分、地面部分和用户部分等组成 由空间部分、 由空间部分
空间定位技术及应用 >全球定位系统的组成及信号结构 > 空间部分 全球定位系统的组成及信号结构
• 空间部分 （Space Segment） ）
– GPS卫星星座 卫星星座
• 设计星座：21+3 设计星座： • 21颗正式的工作卫星 颗正式的工作卫星+3 颗正式的工作卫星 颗活动的备用卫星 • 6个轨道面，平均轨道高 个轨道面， 个轨道面 度20200km，轨道倾角 ， 55°，周期 ° 周期11h 58min（顾 （ 及地球自转，地球-卫星 及地球自转，地球 卫星 的几何关系每天提前 4min重复一次） 重复一次） 重复一次 • 保证在 小时，在高度 保证在24小时 小时， 角15°以上，能够同时 °以上， 观测到4至 颗卫星 观测到 至8颗卫星 • 当前星座：28颗 当前星座： 颗
目录
• 概述 • 定位的基本原理回顾 • 定位中的几个问题讨论 轨道支持问题 模糊度问题 顽性误差源问题 • 北斗与GNSS的发展
空间定位技术及应用
黄劲松(email:huang@) 武汉大学测绘学院卫星应用研究所
常规（地面） §1.1 常规（地面）定位方法及其局限性
• 观测目标
– 位置已知的空间目标 –位置已知的空间目标，包括自然天体和人造天体 位置已知的空间目标，
• 基本原理
–交会 交会 • 方向交会 • 距离交会 • 距离差交会
空间定位技术的产生 – 必要性
• 需要提供全球统一的地心坐标 –航空、航天技术的要求 航空、 航空 • 需要在长距离上进行高精度定位的技术 –全球性问题研究的要求 –全球性问题研究的要求 • 要求具有全天候的特点，且快速简便的定位技 要求具有全天候的特点， 术 –快速、实时定位应用的要求 快速、 快速
主要设备
–太阳能电池板 太阳能电池板 –原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 原子钟（ 台铯钟、 台铷钟） 原子钟 台铯钟 台铷钟 –信号生成与发射装置 信号生成与发射装置
–GPS卫星 卫星 •类型 类型
–试验卫星：Block Ⅰ 试验卫星： 试验卫星 –工作卫星：Block Ⅱ 工作卫星： 工作卫星 –Block Ⅱ：存储星历能力为 天，具有 和AS地能力 存储星历能力为14天 具有SA和 地能力 –Block ⅡA （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历 ）：卫星间可相互通讯 ）：卫星间可相互通讯， 能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜 能力为 天 和 带有激光反射棱镜 –Block ⅡR （Replacement/Replenishment）：卫星间可相 ）：卫星间可相 ）： 互跟踪相互通讯 –Block ⅡF（Follow On）：新一代的 ）：新一代的 卫星,增设第三民 （ ）：新一代的GPS卫星 增设第三民 卫星 用频率
–GPS卫星 卫星 • 作用： 作用：
–接收、存储导航电文 接收、 接收 –生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 生成用于导航定位的信号 –发送用于导航定位的信号（采用双向调制法调制在载波上的 发送用于导航定位的信号（ 发送用于导航定位的信号 测距码和导航电文） 测距码和导航电文） –接受地面指令，进行相应操作 接受地面指令， 接受地面指令 –其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 其他特殊用途， 其他特殊用途 如通讯、监测核暴等。 •
目前的几种卫星导航定位系统 • 美国的GPS系统 美国的 系统 • 俄罗斯的 俄罗斯的GLONASS系统 系统 • 中国的北斗系统 • 欧盟的伽利略系统 欧盟的伽利略系统
第二章 GPS定位系统的概述 定位系统的概述
• 什么是全球定位系统
– 全球定位系统 GPS 的英文全称是 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System（导航星测时与测距全球定 （ 位系统）， ），简称 有时也被称作NAVSTAR GPS。根据 位系统），简称 GPS 有时也被称作 。 Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS） 年所给出的定义： 全球定位系统（ 年所给出的定义 全球定位系统 ） 是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发， 是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军 方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、 方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和 时间信息的要求。 时间信息的要求。
空间定位技术及应用 >全球定位系统的组成及信号结构 > 地面监控部分 全球定位系统的组成及信号结构
GPS的地面监控部分 的地面监控部分
空间定位技术及应用 >全球定位系统的组成及信号结构 > 地面监控部分 全球定位系统的组成及信号结构
–主控站： 主控站： 主控站
除协调和管理地面监控系统外，主要任务： 除协调和管理地面监控系统外，主要任务： 1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差 ）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、 和大气修正参数，并将数据传送到注入站。 和大气修正参数，并将数据传送到注入站。 2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和 卫星的原子钟， ）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与 卫星的原子钟 主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文， 主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入 注入站。 注入站。 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 ）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 4）启用备用卫星代替失效工作卫星 ）
§1.3 常见空间定位技术
空间测量方法和技术主要有甚长基线干涉测量、激光测月、 空间测量方法和技术主要有甚长基线干涉测量、激光测月、 激光测卫、卫星测高卫星导航定位等。 激光测卫、卫星测高卫星导航定位等。其中卫星导航定位测量方法 和技术已广泛应用于大地测量和工程测量的各个领域而前面的几种 方法和技术则用于全球性测量、如建立与维持全球参考框架、 方法和技术则用于全球性测量、如建立与维持全球参考框架、测定 地球的形状、大小外部重力场、地球极移等。 地球的形状、大小外部重力场、地球极移等。
• 管理、协调地面监控系统各部分的工作 管理、 • 编算广播星历 － 轨道参数、卫星钟改正数等 轨道参数、 • 调整卫星状态 • 调度卫星
–监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频 监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。 监测站
GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观 接收机、高精度原子钟、计算机 台和若干台环境数据传感器 台和若干台环境数据传感器。 接收机 测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。 测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。
GPS定位技术及应用
§1.2 空间定位技术
什么是空间定位技术（定义） 什么是空间定位技术（定义）
• 利用自然天体或人造天体来精确确定地面点的 位置及其随时间变化状况的一整套方法、 位置及其随时间变化状况的一整套方法、理论 和技术称为空间定位技术。 和技术称为空间定位技术。
空间定位的一般原理
• 观测值
–方向、距离、距离差 方向、距离、 方向
什么是定位
• 确定点在某一坐标系中的位置 • 相关的英语单词
–Positioning –Location –Orientation –Navigation –Guidance –Tracking
现代的常规（地面） 近、现代的常规（地面）定位方法
• 采用的仪器设备
–尺：铟钢尺 尺 –光学仪器：经纬仪，水准仪 光学仪器：经纬仪， 光学仪器 –激光和红外仪器：测距仪 激光和红外仪器： 激光和红外仪器 –综合多种技术的仪器：全站仪 综合多种技术的仪器： 综合多种技术的仪器 –无线电、微波仪器：Loran-C，雷达 无线电、 无线电 微波仪器： ，
• GPS发展简史 发展简史
– 1957年10月4日 第一颗人造卫星 Sputnik I （苏）发射成功。 发射成功。 年 月 日 – 1958年12月开始设计 NNSS(Navy Navigation Satellite System) – 年 月开始设计 TRANSIT，即子午卫星系统。1964年1月该系统正式运行。1967年7月 月该系统正式运行。 ，即子午卫星系统。 年 月该系统正式运行 年 月 系统解密以供民用。 系统解密以供民用。 – 1973年12月，美国国防部（DOD）批准研制 年 月 美国国防部（ ）批准研制GPS。 。 – 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。 试验卫星发射成功。 年 月 日 颗 试验卫星发射成功 – 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。 工作卫星发射成功。 年 月 日 颗 工作卫星发射成功 – 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。 首次大规模用于实战。 年 在海湾战争中， 首次大规模用于实战 – 1993年，IGS成立。 成立。 年 成立 – 1995年7月17日，GPS达到 达到FOC – 完全运行能力（Full Operational 完全运行能力（ 年 月 日 达到 Capability）。 ）。 – 1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资 亿美圆，进行 亿美圆， 年 月 日 美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美圆 进行GPS现 现 代化。 代化。 – 1999年8月21/22日子夜，GPS发生 日子夜， 发生GPS周结束翻转 周结束翻转(EOW)问题。 问题。 年 月 日子夜 发生 周结束翻转 问题 – 2000年1月1日，Y2K问题。 问题。 年 月 日 问题 – 2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施 。（实际停止实 停止实施SA。（ 年 月 日 美国总统克林顿宣布， 停止实施 。（实际停止实 施SA是5月2日） 是 月 日
• 观测方法
–角度或方向观测 角度或方向观测 –距离观测 距离观测 –距离差观测 距离差观测
常规（地面） 常规（地面）定位方法的局限性
• 观测点之间需要保证通视
–需要修建觇标 架设高大的天线 需要修建觇标/架设高大的天线 需要修建觇标 –边长受到限制 边长受到限制 –观测难度大 观测难度大 –效率低：无用的中间过渡点 地面站 需要事先布设大量的地面控制点/地面站 • 无法同时精确确定点的三维坐标 • 观测受气候、环境条件限制 观测受气候、 • 受系统误差影响大，如地球旁折光 受系统误差影响大， • 难以确定地心坐标
传统大地控制网和水准网的缺陷： 传统大地控制网和水准网的缺陷：
• 平面、高程控制网破坏严重、很多点位难以寻 平面、高程控制网破坏严重、 找观测受气候、 找观测受气候、环境条件限制 • 控制网存在误差积累、精度不高 控制网存在误差积累、 • 控制网点位分布不均匀 • 平面点多在山顶并远离测区 • 平面与高程控制分离、没有统一 平面与高程控制分离、 的控制系统
空间定位技术及应用 >全球定位系统的组成及信号结构 > 空间部分 全球定位系统的组成及信号结构 Block IIA Block IIA Block IIR
Block IIR
Block IIR
Block IIF
• 地面监控部分 （Ground Segment） ）
–主控站：1个 主控站： 个 主控站 –监测站：5个 监测站： 个 监测站 –注入站：3个 注入站： 个 注入站 –通讯与辅助系统 通讯与辅助系统
空间定位技术的产生 – 可能性
• 空间技术的发展 • 计算能力的加强 • 电子技术的提高 • 通信技术的进步
–通信设备和手段的进步 通信设备和手段的进步 –通信技术 通信技术
空间定位技术的优点
测站间无需通视 • 数学模型简单，且能同时确定点的三维坐标 数学模型简单， • 易于实现全天候观测 • 在长距离上仍能获得高精度的定位结果
• GPS的系统组成 的系统组成
–由空间部分、地面部分和用户部分等组成 由空间部分、 由空间部分
空间定位技术及应用 >全球定位系统的组成及信号结构 > 空间部分 全球定位系统的组成及信号结构
• 空间部分 （Space Segment） ）
– GPS卫星星座 卫星星座
• 设计星座：21+3 设计星座： • 21颗正式的工作卫星 颗正式的工作卫星+3 颗正式的工作卫星 颗活动的备用卫星 • 6个轨道面，平均轨道高 个轨道面， 个轨道面 度20200km，轨道倾角 ， 55°，周期 ° 周期11h 58min（顾 （ 及地球自转，地球-卫星 及地球自转，地球 卫星 的几何关系每天提前 4min重复一次） 重复一次） 重复一次 • 保证在 小时，在高度 保证在24小时 小时， 角15°以上，能够同时 °以上， 观测到4至 颗卫星 观测到 至8颗卫星 • 当前星座：28颗 当前星座： 颗
目录
• 概述 • 定位的基本原理回顾 • 定位中的几个问题讨论 轨道支持问题 模糊度问题 顽性误差源问题 • 北斗与GNSS的发展
空间定位技术及应用
黄劲松(email:huang@) 武汉大学测绘学院卫星应用研究所
常规（地面） §1.1 常规（地面）定位方法及其局限性
• 观测目标
– 位置已知的空间目标 –位置已知的空间目标，包括自然天体和人造天体 位置已知的空间目标，
• 基本原理
–交会 交会 • 方向交会 • 距离交会 • 距离差交会
空间定位技术的产生 – 必要性
• 需要提供全球统一的地心坐标 –航空、航天技术的要求 航空、 航空 • 需要在长距离上进行高精度定位的技术 –全球性问题研究的要求 –全球性问题研究的要求 • 要求具有全天候的特点，且快速简便的定位技 要求具有全天候的特点， 术 –快速、实时定位应用的要求 快速、 快速
主要设备
–太阳能电池板 太阳能电池板 –原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 原子钟（ 台铯钟、 台铷钟） 原子钟 台铯钟 台铷钟 –信号生成与发射装置 信号生成与发射装置
–GPS卫星 卫星 •类型 类型
–试验卫星：Block Ⅰ 试验卫星： 试验卫星 –工作卫星：Block Ⅱ 工作卫星： 工作卫星 –Block Ⅱ：存储星历能力为 天，具有 和AS地能力 存储星历能力为14天 具有SA和 地能力 –Block ⅡA （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历 ）：卫星间可相互通讯 ）：卫星间可相互通讯， 能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜 能力为 天 和 带有激光反射棱镜 –Block ⅡR （Replacement/Replenishment）：卫星间可相 ）：卫星间可相 ）： 互跟踪相互通讯 –Block ⅡF（Follow On）：新一代的 ）：新一代的 卫星,增设第三民 （ ）：新一代的GPS卫星 增设第三民 卫星 用频率
–GPS卫星 卫星 • 作用： 作用：
–接收、存储导航电文 接收、 接收 –生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 生成用于导航定位的信号 –发送用于导航定位的信号（采用双向调制法调制在载波上的 发送用于导航定位的信号（ 发送用于导航定位的信号 测距码和导航电文） 测距码和导航电文） –接受地面指令，进行相应操作 接受地面指令， 接受地面指令 –其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 其他特殊用途， 其他特殊用途 如通讯、监测核暴等。 •
目前的几种卫星导航定位系统 • 美国的GPS系统 美国的 系统 • 俄罗斯的 俄罗斯的GLONASS系统 系统 • 中国的北斗系统 • 欧盟的伽利略系统 欧盟的伽利略系统
第二章 GPS定位系统的概述 定位系统的概述
• 什么是全球定位系统
– 全球定位系统 GPS 的英文全称是 NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System（导航星测时与测距全球定 （ 位系统）， ），简称 有时也被称作NAVSTAR GPS。根据 位系统），简称 GPS 有时也被称作 。 Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR全球定位系统（GPS） 年所给出的定义： 全球定位系统（ 年所给出的定义 全球定位系统 ） 是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发， 是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，用以满足军 方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、 方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和 时间信息的要求。 时间信息的要求。
空间定位技术及应用 >全球定位系统的组成及信号结构 > 地面监控部分 全球定位系统的组成及信号结构
GPS的地面监控部分 的地面监控部分
空间定位技术及应用 >全球定位系统的组成及信号结构 > 地面监控部分 全球定位系统的组成及信号结构
–主控站： 主控站： 主控站
除协调和管理地面监控系统外，主要任务： 除协调和管理地面监控系统外，主要任务： 1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差 ）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、 和大气修正参数，并将数据传送到注入站。 和大气修正参数，并将数据传送到注入站。 2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和 卫星的原子钟， ）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与 卫星的原子钟 主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文， 主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入 注入站。 注入站。 3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 ）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。 4）启用备用卫星代替失效工作卫星 ）
§1.3 常见空间定位技术
空间测量方法和技术主要有甚长基线干涉测量、激光测月、 空间测量方法和技术主要有甚长基线干涉测量、激光测月、 激光测卫、卫星测高卫星导航定位等。 激光测卫、卫星测高卫星导航定位等。其中卫星导航定位测量方法 和技术已广泛应用于大地测量和工程测量的各个领域而前面的几种 方法和技术则用于全球性测量、如建立与维持全球参考框架、 方法和技术则用于全球性测量、如建立与维持全球参考框架、测定 地球的形状、大小外部重力场、地球极移等。 地球的形状、大小外部重力场、地球极移等。
• 管理、协调地面监控系统各部分的工作 管理、 • 编算广播星历 － 轨道参数、卫星钟改正数等 轨道参数、 • 调整卫星状态 • 调度卫星
–监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频 监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。 监测站
GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观 接收机、高精度原子钟、计算机 台和若干台环境数据传感器 台和若干台环境数据传感器。 接收机 测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。 测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫星轨道。