卫星定位的基础知识讲演

中国的“北斗”定位系统
“北斗一号”系统是我国自行研制和建立的一种区域卫星 导航定位通信系统，又称“双星定位”系统或“北斗一号 ”系统。主要是利用两颗地球同步卫星来测量地球表面和 空中的各种用户的位置，并同时兼有双向报文通信和授时 的功能。该系统集测量技术、定位技术、数字通信和扩频 技术为一体，是一种全天候的覆盖我国及周边国家和地区 的区域性卫星导航、定位、通信系统。随着2003年5月25日 “北斗一号”系统的第3颗卫星成功发射升空，“北斗一号 ”系统已经开始全面为各种用户提供稳定和可靠的应用。
02 17 15 23 24 25 26 27 01 29 22 31 07 09 05
89.6 89.12 90.10 90.11 91.7 92.2 92.7 92.9 92.11 92.12 93.2 93.3 93.5 93.6 93.8
16 17 BLOCK 18 ⅡA 19 20 21 22 23 24 BLOCK 25 26 ⅡR 27 28 29
A.
我的位置应该在这个红色的圆上。
通过测量到两个已知点的精确距离，可以精密地确定出 平面位置。在城市中、平原上，平面定位成果往往就够用 了，高程显得不是特别重要。
我的位置应该在P点或Q点
. .
P Q
如何在三维空间中得到位置坐标
如果能够精确测定出观测者到三个参考点的距离，那么观测 者必然处在以三个观测距离为半径的三个球体的交点上。
美国全球定位系统 ---- GPS
1967年着手研制新一代卫星导航系统； 1973年12月正式批准研制GPS；
1973~1978年方案论证、总体设计；
1978~1988年工程研制，发射试验卫星，共发射11颗； 1989~1993年进行实用组网； 1995年4月宣布具有全运行能力（FOC）。
GPS 的主要特点：GPS具有全球覆盖、全天候、高精度、 实时导航定位等优点。
Modem
Modem
Modem
Modem
Modem
Modem
仁寿
郫县
中江
邛崃
雅安
成都
DDN
光纤网
数据分流器
………
………
GPS中心
准站图片
虚拟参考站方式图解
GPS的应用
GPS在农业中的应用
GPS在林业中的应用
GPS在工程测量中的应用 GPS在航空摄影测量学中的应用 GPS在气象中的应用 GPS在环境保护中的应用 GPS在卫生领域中的应用 GPS在电力中的应用 GPS在军事中的应用 只有想不到没有做不到………….
米级GPS
之
60系列
普及型
7系列
eTrex系列
亚米级GPS
之
拓展型
Mobile Mapper
Mobile Mapper CE
E718
分米级GPS
厘米级GPS(RTK)
实时动态载波相位差分
毫米级
静态测量
在接收机固定的情况 下,连续观测30-60分钟 把数据进行后处理
VRS
• 连续参考站系统 数 据 中 心
x, y, z, t
• •
卫星充当轨道上运动的已知控制点，观测值为测站至卫星的 伪距 (由时延值推算得到) 由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差，所以要同步观测4颗 卫星，解算四个未知数：经度，纬度，高程，接收机钟差
GPS的优点
• • • • • 观测站之间无需通视 定位精度高 操作简便 提供三维坐标 全天侯作业
1999年，欧洲提出“伽利略计划”，准备构建“伽利略” 卫星导航定位系统。2003年3月“伽利略”导航定位系统 计划正式启动。该系统由两个地面控制中心和 30 颗轨道 高度为23616公里的卫星组成，其中3 颗为备用卫星。按 照计划，该系统将于2008年投入商业运行。 “伽利略”系统可与目前的GPS 和 GLONASS 兼容，但 更安全、更准确、更商业化。到时可能有更多的客户转 向“伽利略”系统。
表 1.1 GPS 和 GLONASS 的主要特点 主要特点 多星 高轨 高频 卫星区分 测星 GPS 29 20200Km f1=1575.42MHz f2=1227.60MHz 码分多址 伪码测距 GLONASS 24 19199Km fj1=[1602.5625+(j-1)0.5625]MHz fj2=[1246.4375+(j-1)0.4375]MHz 频分多址 伪码测距
卫星数 发射时间 用途 寿命（年） 重量（kg） 时标 SA 能力 AS 能力 独立操作（天） 卫星通讯能力 星间通讯能力 每天注入次数
现有GPS卫星一览表
类型 序号 PRN 号 发射时间 类型 序号 PRN 号 发射时间
BLOCK 1 2 Ⅱ 3 4 5 6 7 8 BLOCK 9 ⅡA 10 11 12 13 14 15
gps卫星种类和性能第一代第二代第三代blockblockblockablockr卫星数111922发射时间1978198519891990199019971997用途试验性正式工作正式工作改进gps系统寿命年737378重量kg7748458451075sa能力独立操作天1414180180卫星通讯能力类型序号prn发射时间类型序号prn02896160493101789121706943block1590101803963239011191096724917203096925922block2108971126927221397727929231199100192112420005102992122528007112293226140011123193327180113013079352816031291409936292103331block1505938block现有gps卫星一览表卫星的主要功能接收和储存导航信息星载微处理器进行数据处理星载高精度原子钟产生基准信号和时间标准向用户连续不断地发送导航定位信号l1l2ca码接受并执行主控站的调度命令用户接收机接收gps卫星信号测距并进行定位
空间部分
用户部分
地面控制部分
空间部分
GPS 卫星星座参数
目前的在轨卫星有29颗，其中有5颗BLOCK II卫星，18颗 BLOCK IIA卫星，6颗BLOCK IIR卫星。
GPS 卫星种类和性能
项 目 第一代 BlockⅠ 11 1978~1985 试验性 5 774 一台铯钟和二 台铷钟 无 无 14 无 无 3 第二代 BlockⅡ 9 1989~1990 正式工作 7.3 845 二台铯钟和二台 铷钟 有 有 14 无 无 1 BlockⅡA 19 1990~1997 正式工作 7.3 845 二台铯钟和二 台铷钟 有 有 180 有 无 <1 第三代 BlockⅡR 22 1997~ 改进 GPS 系统 7.8 1075 三台铷钟 有 有 180 有 有 <1
2004年12月26日莫斯科时间下午4点52分，俄罗斯航天 兵部队在哈萨克斯坦境内拜科努尔航天发射场使用质子K火箭成功发射3颗GLONASS导航卫星。在这次发射的 卫星当中有一颗最新型的GLONASS-M卫星，该种卫星 不仅具有更长的在轨寿命（7年），而且在L2上具备第二 民用码的功能，这将使系统单点定位精度提升到1米。目 前，加上新发射的3颗卫星，整个GLONASS星座共有16 颗卫星在运行。
两个球体相交为一个圆(可以想象两个篮球逐步靠近，它们 逐步相交于一点，然后是相交为一个圆)，第三个球体和这 个圆相交为两个点(可以想象一个圆环和一个篮球相交)。则 观测者必然处在这两个点中的一个上。
目 录
一.测量定位的目的 二.卫星定位的原理和方法 三.GPS 的组成及其功能 四.公司不同精度的GPS产品 五.现有的其他卫星导航定位系统简介
四颗卫星可以确定一个点坐标。
为什么必须是4 颗星才能定位 ？
用户的三维坐标 (X、Y、Z) 和接收机钟差 (t) 一共四个未 知数，所以需要四个联立方程才能求解。只有跟踪到 4 颗 卫星，才能建立四个联立方程求解。
当接收机捕获到多于4颗星时， 接收机会自动从卫星组中选择 几何分别最合理、信号强度最 好的 4 颗卫星进行定位求解。
用户接收机
接收GPS卫星信号、测距并进行定位。
GPS 卫星的信号组成
GPS 卫星向用户连续不断地发送以下四种信号
d
双频载波
L1：1575.42MHz（波长：19.05cm）
L2：1227.60MHz（波长：24.45cm） 伪噪声码C/A码：1.023Mb/s，1ms 伪噪声码P码：10.23Mb/s，266d9h45m55.5s 导航电文D码：50bit/s，一主帧30s，包含： 卫星轨道参数 卫星时钟改正 电离层延迟改正等
M
N aixs
E aixs
R’
人类最初的导航定位，只能通过石头，树，山脉等作为参 照物，渐渐发展到天文观测法，即通过天上的太阳，月亮 和星星来判断位置。而中国四大发明之一的指南针是人类 导航领域的一个里程碑。(我们在陌生地方迷路时有同感)
无线电导航 的发明，使导航系统成为航行中真正可以 依赖的工具，因此具有划时代的意义。它具有独立、封闭 、全天候等特点，对外界环境依赖性很小。现在，无线电 导航仍然在飞机进场着陆、区域性定位中发挥着重要作用 。
04 06 03 10 30 08 13 11 20 28 14 18 16 21
93.10 94.3 96.3 96.7 96.9 97.11 97.7 99.10 00.5 00.7 00.11 01.1.30 03.1.29 03.3.31
卫星的主要功能
接收和储存导航信息 星载微处理器，进行数据处理 星载高精度原子钟，产生基准信号和时间标准 向用户连续不断地发送导航定位信号（L1，L2，C/A码， P码，D码） 接受并执行主控站的调度命令
卫星导航定位系统是以卫星为空间基准点，用户利用 接收设备测定至卫星的距离或多普勒频移等观测量来 确定其位置和速度的系统。卫星导航定位系统主要由 三大部分组成：空间卫星、地面监测网和用户设备。
卫星定位技术是通过GNSS 接收机同时接收 4 颗以上的 GNSS 卫星发出的信号来测定接收机在地球上的位置。
误差来源 卫星
对距离测量 的影响 1.5～15(m)
信号传播
接收机
轨道误差 钟误差 对流层 电离层 多路径 观测误差 相位中心变化
1.5～15(m)
1.5～5(m)
卫星钟差
• 定义
– 卫星钟读数与真实的GPS时间之差。
• 特点
– 造成距离测定发生偏差
• 应对方法
– 采用广播星历中的钟差改正参数进行改正 – 使用IGS提供的精密卫星钟差改正数 – 采用相对定位或差分定位
目 录
一.测量定位的目的 二.卫星定位的原理和方法 三.GPS 的组成及其功能 四.公司不同精度的GPS产品 五.现有的其他卫星导航定位系统简介
俄罗斯全球导航定位卫星系统 — GLONASS
1982年10月开始发射卫星，1996年建成投入使用。 GLONASS卫星定位系统拥有工作卫星21颗，分布在 3个轨 道平面上，同时有 3 颗备份星。每颗卫星都在1.91万公里高 的轨道上运行，周期为11小时15分。因受俄罗斯经济的影响 ，GLONASS卫星星座一直处于降效运行状态，目前在轨的 卫星有16颗，但只有11颗卫星能够正常工作。GLONASS的 精度要比GPS系统的精度低。为此，俄罗斯正在着手对 GLONASS 进行现代化改造。
电离层折射
目 录
一.测量定位的目的 二.卫星定位的原理和方法 三.GPS 的组成及其功能 四.公司不同精度的GPS产品 五.现有的其他卫星导航定位系统简介
空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息
用户部分： 接收并测定卫星信号 记录原始数据 得到导航定位信息
地面控制部分： 解算中心控制参数 实现时间同步 跟踪卫星并进行定规
GPS 的组成及作用
地面监控部分 主控站：科罗拉多•斯平士联合空间执行中心
监控站：5个
科罗拉多•斯平士 *阿森松岛
*狄哥•伽西亚
*卡瓦加兰 夏威夷
注入站：3个（带*）
用户部分
1. 空间星座部分
你的位置是: 37o 23.323’ N 122o 02.162’ W
目 录
一.测量定位的目的 二.卫星定位的原理和方法 三.GPS 的组成及其功能 四.公司不同精度的GPS产品 五.现有的其他卫星导航定位系统简介
卫星定位的初步构想
地球表面 70% 都是海洋，无法建立永久性静态基准站。 由于地球是一个椭球，表面有曲率存在，普通的无线电 定位无法满足全球定位的需要。 我们可以考虑把基准站搬到太空，即发射通讯卫星，这 些卫星以一定的频率和编码向地球发播信号。为保证信 号按直线传播，且能穿透电离层(中长波信号遇电离层会 被反射)，应选择高频信号。为满足全球覆盖，必须考虑 一定数量的卫星，且按一定的轨道面分布。
GPS卫星定位的基本知识
合众思壮上海分公司技术部
浮玉涛
目 录
一.测量定位的目的 二.卫星定位的原理和方法 三.GPS 的组成及其功能 四.公司不同精度的GPS产品 五.现有的其他卫星导航定位系统简介
测量的基本任务就是确定物体在空间中的位置、姿 态及其运动轨迹。而对这些特征的描述都是建立在某一 个特定的空间框架和时间框架之上的。 所谓空间框架就是我们常说的坐标系统，而时间框 架就是我们常说的时间系统。即在某一时刻，我们在空 间中的位置 (时空概念)。 R U aixs
欧洲的全球定位系统 --- Galileo
GNSS系统是由欧洲安全航行局、欧盟和欧空局三个机构联合研制 的，主要任务是开发欧洲自主的全球导航卫星系统。欧洲GNSS分 两期来实施。第一期工程（GNSS-1)是 GPS + GLONASS 的星基增 强系统。这项工程计划在2008年实现全运作能力。第二期工程 GNSS-2，又称“伽利略”计划。 其总体目标为： 1）提供全球覆盖的定位和时间服务； 2）提供与位置有关的通信服务； 3）面向全方位民用市场的开放性服务； 4）保证国家安全、社会安全提供有关应用； 5）与GPS 和 GLONASS 相容。