GPS定位原理讲课文档
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伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导 航定位系统将大大有助于提供导航定位的精 度和可靠性。
第19页，共101页。
GIOVE A
the GIOVE Satellite
GIOVE的主要目标:
频率信号测试； 验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；
轨道环境特征测试；
并行2或3通道信号传输测试。
卫星，IGSO卫星和MEO卫星组成。此项工 作将成为”十一五”期间的一项重要工作。
第25页，共101页。
四、GPS定位基本原理
1、GPS坐标系统---WGS84 WGS-84的定义：WGS-84坐标系的原点 在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协 定地球极（CTP）方向，X轴指向 BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交 点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是 一个地固坐标系。
卫星维护与异常情况的 处理。
地点：美国科罗拉多州法尔孔空 军基地。
第8页，共101页。
注入站（3个）
作用：
将导航电文注入
GPS卫星。
地点：
阿松森群岛（大西 洋）、迪戈加西亚 （印度洋）和卡瓦 加兰（太平洋）
第9页，共101页。
3、用户接收机部分
GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。 大地型接收机又分单频型和双频型。
Colorado springs
5 5
Hawaii
Ascencion
Diego Garcia
kwajalein
第7页，共101页。
主控站（1个） 作用：
管理、协调地面监控系 统各部分的工作，
收集各监测站的数据， 编制导航电文，送往注 入站将卫星星历注入卫 星，
监控卫星状态，向卫星 发送控制指令；
与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星 导航系统相比，BD–1有自己的优点。如投 资少，组建快；具有通信功能；捕获信号 快等。但也存在着明显的不足和差距，如 用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户 数量受限制；用户的设备体积大、重量重 、能耗大等。
第24页，共101页。
BD–2
为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实 质性的提高，中央已决定研制组建第二代北 斗卫星导航定位系统（BD–2）。从导航体制 、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机 等方面进行全面改进。卫星星座计划由GEO
完全建成时间 1995年
第3页，共101页。
系统构成
空间部分、地面控制部分、用户部分
服务方式
通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导 航定位服务
定位原理
距离交会
测距原理
被动式电磁波测距
特点
全球覆盖、全天候、不间断、精度高
第4页，共101页。
二、GPS的组成
GPS定位系统由GPS卫星空间部分、地面控制 部分和用户GPS接收机三部分组成。
第5页，共101页。
1、空间部分
由21颗工作卫星
和3颗备用卫星。
GPS卫星图片1
第6页，共101页。
2、地面控制部分。
1个主控站:Colorado springs(科罗拉多)。
3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、 Diego Garcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(
卡瓦加兰)。 5个监控站： 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。
第2页，共101页。
2．GPS的产生与发展
建立国家 美国。美国从1973年开始筹建全球定位系统， 1994年投入使用。
经历20年，耗资200亿美元，是继阿波罗登月计划和航
天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。
目的在全球范围内，提供实时、连续、全天
候的导航定位及授时服务
开始筹建时间 1973年
L2频率
21＋3 3 64.8 ° 19100km 11h15min
FDMA 1602~1615MHz 频道间隔 0.5625MHz 1246~1256MHz 频道间隔
NAVSTAR GPS 21＋3 6 55° 20180km 12h
CDMA 1575MHz
1228MHz
第15页，共101页。
卫星运行状况
从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起 ，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间 经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该 系统不能维持正常工作。
到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统 共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作 状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗 斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数 量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。
inclination 56 degrees
27 + 3 satellites in three M edium E arth O rbits (M E O )
• period 14 hours 4 m in • ground track repeat about 10 days
the Galileo satellite constellation
用户终端分为
➢定位通信终端
➢集团用户管理站 终端
➢差分终端 ➢校时终端等
车载型用户机 便携型用户机
通讯型用户机 船载型用户机
指挥型用户机
第23页，共101页。
与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算 都是在地面控制中心站完成。因此，控制 中心可以保留全部北斗终端用户机的位置 及时间信息。同时，地面控制中心站还负 责整个系统的监控管理。
开发者
俄罗斯（前苏联）
系统构成
卫星星座 地面控制部分 用户设备
第13页，共101页。
GLONASS satellite
GLONASS constellation
第14页，共101页。
GLONASS与GPS的比较
参数
GLONASS
系统中的卫星数 轨道平面数 轨道倾角 轨道高度 轨道周期（恒星时 ） 卫星信号的区分 L1频率
——BD–1。
第21页，共101页。
“北斗卫星导航系统” 系统是由空间卫星、地 面控制中心站和北斗用 户终端三部分构成。
空间部分包括两颗地 球同步轨道卫星（ GEO）组成。卫星上 带有信号转发装置， 完成地面控制中心站 和用户终端之间的双 向无线电信号的中继 任务。
北斗1代卫星导航系统组成图
第22页，共101页。
m1 m2 m3 m4
n1 n2 n3 n4
1dX
1dY
1dZ
1tu
LBx xB1L
第33页，共101页。
观测多颗卫星的单点定位方程
v1 l1 vv2sll2s
m1 m2
ms
n1 n2
ns
1 1d d dZ Y XR R12A A12tt1212
1tu
Rs As ts
s
VB xL
xˆBTPB 1BTPL 0
整周模糊度
测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成
(1)初始整周未知数n；(2) t 0至t i 时刻的整周记数Ci；(3)相位尾数i
如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n
为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总
观测值n+Ci+ i
第36页，共101页。
第18页，共101页。
2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（ Galileo In-Orbit Validation Elements-GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定 轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地 面发送信号。
这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元 ）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将 发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成 伽利略卫星星座的部署工作。
第16页，共101页。
2、伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统
2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫 星导航定位系统—— Galileo系统。
Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫 星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面 上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°。
相对定位的原理
相对定位是用两台（或多 台）接收机分别安置在一 条（或多条）基线的两端， 同步观测相同的GPS卫星， 以确定基线端点的相对位 置或基线向量
在相对定位时，通过对观 测量求差，可以消除观测 量中相同的未知误差的影 响，如卫星钟差、接收机 钟差，削弱电离层和对流 层折射的影响，提高测量 精度
Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统 ，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府 服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的 ，后两种服务则需经过批准后才能使用。
第17页，共101页。
G ALILEO D AT A
W alker 27/3/1 C onstellation
altitude ~23616 km S M A 29993.707 km
Sat1 User
Sat2 Sat3 Sat4
第28页，共101页。
r1 r3
r2
r 1X 1 X 2 Y 1 Y 2 Z 1 Z 2 r 2X 2 X 2 Y 2 Y 2 Z 2 Z 2 r 3X 3 X 2 Y 3 Y 2 Z 3 Z 2
第29页，共101页。来自问题：距离观测量 ＝？rX S X 2 Y S Y 2 Z S Z 2
第10页，共101页。
图片：导航型GPS机
手持型GPS机
车载型GPS机
第11页，共101页。
图片：大地型GPS接收机
单频机
双频机
第12页，共101页。
三、其它卫星导航定位系统
1、GLONASS
GLONASS － Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统）
GIOVE B
第20页，共101页。
3、北斗卫星导航系统
我国自行研制的两颗北斗导 航试验卫星分别于2000年10月
31日和12月20日从西昌卫星 发射中心升空并准确进入预 定的地球同步轨道（东经 80º和140º的赤道上空），此
外另一颗备用卫星也被送入 预定轨道（东经110.5º的赤道 上空），标志着我国拥有了 自己的第一代卫星导航系统
t(tuts)
第30页，共101页。
GPS观测方程
伪距观测量 c t c c(tu ts)
问题：既然τ是真实的信号传播时间，那么c∙τ是不是卫星
和观测点间的真实距离 R 呢？
Ionosphere TropospheUreser
cRA
R A ctsctu
i XiX2YiY2ZiZ2 Aictictu
第31页，共101页。
GPS观测方程及线性化
i X i X 2 Y i Y 2 Z i Z 2 A i c t i c t u
Xi,Yi,Zi、 t i 和 A 如何计算？
（X,Y,Z）和δtu 是待求参数
将上述方程在近似坐标（X0 ,Y0 ,Z0）处展开：
dX
i Ri li mi ni 1ddYZAi ti
tu
R iX i X 0 2 Y i Y 0 2 Z i Z 0 2
li
Xi X0 Ri
mi
Yi Y0 Ri
ni
Zi
Z0 Ri
第32页，共101页。
GPS观测方程及线性化
（X,Y,Z）和δtu 是四个待求参数，需观测几颗卫星？
1342RR R R1342AAA A1342tt1tt342llll1432
GPS定位原理
第1页，共101页。
一、什么是GPS？
1、定义 GPS的英文全称是
Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。
其意为“导航星测时与测距全球定 位系统”，或简称全球定位系统。
Dx ˆx ˆ
2 0
BTPB 1
V T PV s4
第34页，共101页。
（2）GPS相对定位
载波相位测量的特点
定位精度比伪距定位精度 高
可用于进行
静态绝对定位、 静态相对定位、
差分动态定位
第35页，共101页。
设法解算出初始整周未知数
整周模糊度
Time (0)
Time (i)
整周计数 相位测量值
第26页，共101页。
2、GPS定位方法
（1）伪距单点定位(point positioning)——确 定观测点在WGS-84系中的坐标，即绝对位置。
（2）相对定位(relative positioning)——确 定观测点相对另一已知点的相对坐标增量即相 对位置。
第27页，共101页。
（1）伪距单点定位基本原理
第37页，共101页。
伪距差分定位技术
伪距差分测量 精 度 可 达 0.5m
-5 m
此种测量形式
第19页，共101页。
GIOVE A
the GIOVE Satellite
GIOVE的主要目标:
频率信号测试； 验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；
轨道环境特征测试；
并行2或3通道信号传输测试。
卫星，IGSO卫星和MEO卫星组成。此项工 作将成为”十一五”期间的一项重要工作。
第25页，共101页。
四、GPS定位基本原理
1、GPS坐标系统---WGS84 WGS-84的定义：WGS-84坐标系的原点 在地球质心，Z轴指向BIH1984.0定义的协 定地球极（CTP）方向，X轴指向 BIH1984.0的零度子午面和CTP赤道的交 点，Y轴和Z、X轴构成右手坐标系。它是 一个地固坐标系。
卫星维护与异常情况的 处理。
地点：美国科罗拉多州法尔孔空 军基地。
第8页，共101页。
注入站（3个）
作用：
将导航电文注入
GPS卫星。
地点：
阿松森群岛（大西 洋）、迪戈加西亚 （印度洋）和卡瓦 加兰（太平洋）
第9页，共101页。
3、用户接收机部分
GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。 大地型接收机又分单频型和双频型。
Colorado springs
5 5
Hawaii
Ascencion
Diego Garcia
kwajalein
第7页，共101页。
主控站（1个） 作用：
管理、协调地面监控系 统各部分的工作，
收集各监测站的数据， 编制导航电文，送往注 入站将卫星星历注入卫 星，
监控卫星状态，向卫星 发送控制指令；
与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星 导航系统相比，BD–1有自己的优点。如投 资少，组建快；具有通信功能；捕获信号 快等。但也存在着明显的不足和差距，如 用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户 数量受限制；用户的设备体积大、重量重 、能耗大等。
第24页，共101页。
BD–2
为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实 质性的提高，中央已决定研制组建第二代北 斗卫星导航定位系统（BD–2）。从导航体制 、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机 等方面进行全面改进。卫星星座计划由GEO
完全建成时间 1995年
第3页，共101页。
系统构成
空间部分、地面控制部分、用户部分
服务方式
通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导 航定位服务
定位原理
距离交会
测距原理
被动式电磁波测距
特点
全球覆盖、全天候、不间断、精度高
第4页，共101页。
二、GPS的组成
GPS定位系统由GPS卫星空间部分、地面控制 部分和用户GPS接收机三部分组成。
第5页，共101页。
1、空间部分
由21颗工作卫星
和3颗备用卫星。
GPS卫星图片1
第6页，共101页。
2、地面控制部分。
1个主控站:Colorado springs(科罗拉多)。
3个注入站:Ascencion(阿森松群岛)、 Diego Garcia(迭哥伽西亚)、kwajalein(
卡瓦加兰)。 5个监控站： 以上主控站、注入站及Hawaii(夏威夷)。
第2页，共101页。
2．GPS的产生与发展
建立国家 美国。美国从1973年开始筹建全球定位系统， 1994年投入使用。
经历20年，耗资200亿美元，是继阿波罗登月计划和航
天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。
目的在全球范围内，提供实时、连续、全天
候的导航定位及授时服务
开始筹建时间 1973年
L2频率
21＋3 3 64.8 ° 19100km 11h15min
FDMA 1602~1615MHz 频道间隔 0.5625MHz 1246~1256MHz 频道间隔
NAVSTAR GPS 21＋3 6 55° 20180km 12h
CDMA 1575MHz
1228MHz
第15页，共101页。
卫星运行状况
从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起 ，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间 经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该 系统不能维持正常工作。
到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统 共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作 状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗 斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数 量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。
inclination 56 degrees
27 + 3 satellites in three M edium E arth O rbits (M E O )
• period 14 hours 4 m in • ground track repeat about 10 days
the Galileo satellite constellation
用户终端分为
➢定位通信终端
➢集团用户管理站 终端
➢差分终端 ➢校时终端等
车载型用户机 便携型用户机
通讯型用户机 船载型用户机
指挥型用户机
第23页，共101页。
与GPS系统不同，所有用户终端位置的计算 都是在地面控制中心站完成。因此，控制 中心可以保留全部北斗终端用户机的位置 及时间信息。同时，地面控制中心站还负 责整个系统的监控管理。
开发者
俄罗斯（前苏联）
系统构成
卫星星座 地面控制部分 用户设备
第13页，共101页。
GLONASS satellite
GLONASS constellation
第14页，共101页。
GLONASS与GPS的比较
参数
GLONASS
系统中的卫星数 轨道平面数 轨道倾角 轨道高度 轨道周期（恒星时 ） 卫星信号的区分 L1频率
——BD–1。
第21页，共101页。
“北斗卫星导航系统” 系统是由空间卫星、地 面控制中心站和北斗用 户终端三部分构成。
空间部分包括两颗地 球同步轨道卫星（ GEO）组成。卫星上 带有信号转发装置， 完成地面控制中心站 和用户终端之间的双 向无线电信号的中继 任务。
北斗1代卫星导航系统组成图
第22页，共101页。
m1 m2 m3 m4
n1 n2 n3 n4
1dX
1dY
1dZ
1tu
LBx xB1L
第33页，共101页。
观测多颗卫星的单点定位方程
v1 l1 vv2sll2s
m1 m2
ms
n1 n2
ns
1 1d d dZ Y XR R12A A12tt1212
1tu
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s
VB xL
xˆBTPB 1BTPL 0
整周模糊度
测站对某一卫星的载波相位观测值由三部分组成
(1)初始整周未知数n；(2) t 0至t i 时刻的整周记数Ci；(3)相位尾数i
如果信号没有失锁，则每一个观测值包含同一个初始整周未知数n
为了利用载波相位进行定位，必须设法先解算出初始整周未知数，取得总
观测值n+Ci+ i
第36页，共101页。
第18页，共101页。
2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（ Galileo In-Orbit Validation Elements-GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定 轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地 面发送信号。
这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元 ）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将 发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成 伽利略卫星星座的部署工作。
第16页，共101页。
2、伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统
2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫 星导航定位系统—— Galileo系统。
Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫 星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面 上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°。
相对定位的原理
相对定位是用两台（或多 台）接收机分别安置在一 条（或多条）基线的两端， 同步观测相同的GPS卫星， 以确定基线端点的相对位 置或基线向量
在相对定位时，通过对观 测量求差，可以消除观测 量中相同的未知误差的影 响，如卫星钟差、接收机 钟差，削弱电离层和对流 层折射的影响，提高测量 精度
Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统 ，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府 服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的 ，后两种服务则需经过批准后才能使用。
第17页，共101页。
G ALILEO D AT A
W alker 27/3/1 C onstellation
altitude ~23616 km S M A 29993.707 km
Sat1 User
Sat2 Sat3 Sat4
第28页，共101页。
r1 r3
r2
r 1X 1 X 2 Y 1 Y 2 Z 1 Z 2 r 2X 2 X 2 Y 2 Y 2 Z 2 Z 2 r 3X 3 X 2 Y 3 Y 2 Z 3 Z 2
第29页，共101页。来自问题：距离观测量 ＝？rX S X 2 Y S Y 2 Z S Z 2
第10页，共101页。
图片：导航型GPS机
手持型GPS机
车载型GPS机
第11页，共101页。
图片：大地型GPS接收机
单频机
双频机
第12页，共101页。
三、其它卫星导航定位系统
1、GLONASS
GLONASS － Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统）
GIOVE B
第20页，共101页。
3、北斗卫星导航系统
我国自行研制的两颗北斗导 航试验卫星分别于2000年10月
31日和12月20日从西昌卫星 发射中心升空并准确进入预 定的地球同步轨道（东经 80º和140º的赤道上空），此
外另一颗备用卫星也被送入 预定轨道（东经110.5º的赤道 上空），标志着我国拥有了 自己的第一代卫星导航系统
t(tuts)
第30页，共101页。
GPS观测方程
伪距观测量 c t c c(tu ts)
问题：既然τ是真实的信号传播时间，那么c∙τ是不是卫星
和观测点间的真实距离 R 呢？
Ionosphere TropospheUreser
cRA
R A ctsctu
i XiX2YiY2ZiZ2 Aictictu
第31页，共101页。
GPS观测方程及线性化
i X i X 2 Y i Y 2 Z i Z 2 A i c t i c t u
Xi,Yi,Zi、 t i 和 A 如何计算？
（X,Y,Z）和δtu 是待求参数
将上述方程在近似坐标（X0 ,Y0 ,Z0）处展开：
dX
i Ri li mi ni 1ddYZAi ti
tu
R iX i X 0 2 Y i Y 0 2 Z i Z 0 2
li
Xi X0 Ri
mi
Yi Y0 Ri
ni
Zi
Z0 Ri
第32页，共101页。
GPS观测方程及线性化
（X,Y,Z）和δtu 是四个待求参数，需观测几颗卫星？
1342RR R R1342AAA A1342tt1tt342llll1432
GPS定位原理
第1页，共101页。
一、什么是GPS？
1、定义 GPS的英文全称是
Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。
其意为“导航星测时与测距全球定 位系统”，或简称全球定位系统。
Dx ˆx ˆ
2 0
BTPB 1
V T PV s4
第34页，共101页。
（2）GPS相对定位
载波相位测量的特点
定位精度比伪距定位精度 高
可用于进行
静态绝对定位、 静态相对定位、
差分动态定位
第35页，共101页。
设法解算出初始整周未知数
整周模糊度
Time (0)
Time (i)
整周计数 相位测量值
第26页，共101页。
2、GPS定位方法
（1）伪距单点定位(point positioning)——确 定观测点在WGS-84系中的坐标，即绝对位置。
（2）相对定位(relative positioning)——确 定观测点相对另一已知点的相对坐标增量即相 对位置。
第27页，共101页。
（1）伪距单点定位基本原理
第37页，共101页。
伪距差分定位技术
伪距差分测量 精 度 可 达 0.5m
-5 m
此种测量形式