第10章 导航定位技术与地理信息系统
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5
（3）用户设备部分--GPS信号接收机：用户部分主要是GPS接收 机，接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构 成完整的GPS用户设备。
空间段
监测站
主控站
注入站
主控站：1个; 监测站：5个;注入站：3个; 通讯与辅助系统。
7
空间部分：卫星分布
24颗卫星分布在2万公里的太空； 每4颗卫星工作在同一轨道平面内，24颗卫星均匀分布 在6个轨道平面，彼此夹角为60； 轨道平面相对于赤道的倾角为55 ； 卫星离地面高度20200km； 12恒星时(11hr58min2.05s)绕地球一周； 地球上任何地方任何时刻同时可收到4颗以上GPS卫星 的信号。
GPS信号精度
(1)C/A码又被称为粗捕获码，精度为29.3m到2.93米。 (2) P(Y)码又被称为精码，精度为2.93米到0.293米。
2020/4/1
9
GPS系统的定位原理
每个太空卫星在运行时，任一时刻都有一个坐标值来代 表其位置所在(已知值)，接收机所在的位置坐标为未知值， 而太空卫星的信息在传送过程中，所需耗费的时间，可经由 比对卫星时钟与接收机内的时钟计算之，将此时间差值乘以 电波传送速度(一般定为光速)，就可计算出太空卫星与使用 者接收机间的距离，如此就可依三角向量关系来列出一个相 关的方程式。每接收到一颗卫星就可列出一个相关的方程式， 因此在至少收到三卫星后，即可计算出平面坐标(经纬度)值， 收到四颗则加上高程值，五颗以上更可提高准确度。
15
GLONASS卫星定位系统示意图
组成GLONASS系统的卫星
三、欧盟“伽利略”(galileo)
1999年，欧洲提出计划，准备发射30颗卫星，组成“伽利略” 卫星定位系统。“伽利略”卫星定位系统将由30颗轨道卫星组成， 卫星的轨道高度为2.4万公里，倾角为56度，分布在3个轨道面上， 每个轨道面部署9颗工作星和1颗在轨备用星，其地面定位服务的 误差不超过1米，该系统的一些设计优于美国现有的GPS全球卫星 定位系统。欧盟于2002年正式批准伽利略计划，目标是建成一个 覆盖全球的卫星导航系统，但由于资金等原因，伽利略计划的进 展并不顺利，目前仅发射2颗卫星，今年该计划正式启动。伽利略 计划总共投资约33亿欧元，按照中国和欧盟15个国家以平等地位 参与合作的原则，中国将出资2亿欧元左右。
第十章 导航定位技术与 地理信息系统
第一节 卫星导航定位系统
一、全球定位系统（Global Position System，GPS）
GPS系统简介 1973年，美国国防部批准其海陆空三军联合研制新一代
卫星导航系统，即授时和测距导航卫星，或称全球定位系统 （ Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System, NAVSTAR/GPS） ，简 称 GPS系统 。 GPS系统采用延时测距的被动式导航体制，能够为地球表面 和近地空间的广大用户提供全天候、全天时、高精度的三维 位置、三维速度和一维时间的7维定位、导航和授时服务，用 户的数量没有任何限制。
( y1
y)2
(z1
z)2
]
1 2
c(t1
t)
1
[(x2
x)2
( y2
y)2
(z2
z)2
]
1 2
c(t2
t)
2
[(x3
x)2
( y3
y)2
(z3
z)2
]
1 2
c(t3
t)
3
[(x4
x)2
( y4
y)2
(z4
z
)
2
]
1 2
c(t4
t)
4
• 定位参考标准——世界大地坐标（WGS84） • 定位需求——（x,y,z)
3
GPS卫星轨道示意图
车载导航仪
GPS系统构成
（1）空间部分--GPS卫星星座：GPS卫星星座由24颗卫星组成。 （2）地面控制部分--地面监控系统：地面监控系统由均匀分布在美
国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、1个主控站和3个数 据注入站构成。 • 3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的3个美国军事基地 上。注入站的任务是将主控站计算出的卫星参数发送给卫星，同 时向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。 • 5个监测站分别设在主控站、3个注入站及夏威夷岛。监测站负责 对诸卫星进行连续跟踪和监视，测量每颗卫星的位置和距离差， 采集气象数据，并将观测数据传送给主控站进行处理，5个监控 站均为无人值守的数据采集中心。
S 2(x 2,y 2,z 2)
S1 (x 1,y 1,z 1)
ρ2
ρ1
ρ3
S 3(x 3,y 3,z 3)
P(x,y,z)
用距离交会的方法求解P点的三维坐标（x,y,z）的观测方程为：
i
[(x1
x)2
( y1
y)2
( z1
z)2
]
1 2
c t (含有各种误差)
理想状态下：
[(x1
x)2
[(xi
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
x)2
( yi
y)2
( zi
z
)
2
]
1 2
i
[(xi
x)2
( yi
y)2
(zi
1
z)] 2
c(tk
ti )
i
1
2
(i=1,2,3,4)
二、俄罗斯“格洛纳斯” (GLONASS)
尚未部署完毕。始于上世纪70年代，需要至少18颗 卫星才能确保覆盖俄罗斯全境；如要提供全球定位服务， 则需要24颗卫星。上世纪90时代，系统所含卫星数量一 度达标，但由于经费短缺，部分失效卫星未获更新，最 严重时，仅只6颗卫星正常工作。目前，“格洛纳斯”导 航系统共有21颗卫星。轨道高度1万9000公里，运行周期 11小时15分，位置精度提高到10～15M，定时精度提高到 20～30NS，速度精度达到0.01M／S
1978年2月发射第一颗GPS卫星，1994年3月24颗卫 星构成的星座部署完毕，GPS系统正式建成，系统总共耗 资200亿美元。GPS开始时只用于军事目的，1994年，美 国宣布在10年内向全世界免费提供GPS使用权，但美国只 向外国提供低精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的 “后门”，一旦发生战争，美国可以关闭对某地区的信息 服务。它是利用分布在2万公里高空的多颗人造卫星，对 地面或接近地面的目标进行定位（包括移动速度和方向） 和导航的系统。具有在海、陆、空进行全方位实时三维导 航与定位能力。
说明t1和t并不在 同一个标准下
（三卫星个坐标）
未知数增多
会增 加几 个？
时间差△t1=t1 — t
接收机钟面 时间
卫星钟面 时间
电离层、对流层等等 光速c
误差 ρ=c*△t
实际上， 1 2 cti ctk
ρ ——卫星与GPS接收机的几何距离； ρ′ ——伪距； δρ1——电离层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得； δρ2——对流层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得； δti ——第i颗卫星的钟差（卫星时间与理想GPS时间的差），可根据卫星星 历求得； Δtk ——接收机钟差（接收机时间与理想GPS时间的差，未知）。
（3）用户设备部分--GPS信号接收机：用户部分主要是GPS接收 机，接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构 成完整的GPS用户设备。
空间段
监测站
主控站
注入站
主控站：1个; 监测站：5个;注入站：3个; 通讯与辅助系统。
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空间部分：卫星分布
24颗卫星分布在2万公里的太空； 每4颗卫星工作在同一轨道平面内，24颗卫星均匀分布 在6个轨道平面，彼此夹角为60； 轨道平面相对于赤道的倾角为55 ； 卫星离地面高度20200km； 12恒星时(11hr58min2.05s)绕地球一周； 地球上任何地方任何时刻同时可收到4颗以上GPS卫星 的信号。
GPS信号精度
(1)C/A码又被称为粗捕获码，精度为29.3m到2.93米。 (2) P(Y)码又被称为精码，精度为2.93米到0.293米。
2020/4/1
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GPS系统的定位原理
每个太空卫星在运行时，任一时刻都有一个坐标值来代 表其位置所在(已知值)，接收机所在的位置坐标为未知值， 而太空卫星的信息在传送过程中，所需耗费的时间，可经由 比对卫星时钟与接收机内的时钟计算之，将此时间差值乘以 电波传送速度(一般定为光速)，就可计算出太空卫星与使用 者接收机间的距离，如此就可依三角向量关系来列出一个相 关的方程式。每接收到一颗卫星就可列出一个相关的方程式， 因此在至少收到三卫星后，即可计算出平面坐标(经纬度)值， 收到四颗则加上高程值，五颗以上更可提高准确度。
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GLONASS卫星定位系统示意图
组成GLONASS系统的卫星
三、欧盟“伽利略”(galileo)
1999年，欧洲提出计划，准备发射30颗卫星，组成“伽利略” 卫星定位系统。“伽利略”卫星定位系统将由30颗轨道卫星组成， 卫星的轨道高度为2.4万公里，倾角为56度，分布在3个轨道面上， 每个轨道面部署9颗工作星和1颗在轨备用星，其地面定位服务的 误差不超过1米，该系统的一些设计优于美国现有的GPS全球卫星 定位系统。欧盟于2002年正式批准伽利略计划，目标是建成一个 覆盖全球的卫星导航系统，但由于资金等原因，伽利略计划的进 展并不顺利，目前仅发射2颗卫星，今年该计划正式启动。伽利略 计划总共投资约33亿欧元，按照中国和欧盟15个国家以平等地位 参与合作的原则，中国将出资2亿欧元左右。
第十章 导航定位技术与 地理信息系统
第一节 卫星导航定位系统
一、全球定位系统（Global Position System，GPS）
GPS系统简介 1973年，美国国防部批准其海陆空三军联合研制新一代
卫星导航系统，即授时和测距导航卫星，或称全球定位系统 （ Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System, NAVSTAR/GPS） ，简 称 GPS系统 。 GPS系统采用延时测距的被动式导航体制，能够为地球表面 和近地空间的广大用户提供全天候、全天时、高精度的三维 位置、三维速度和一维时间的7维定位、导航和授时服务，用 户的数量没有任何限制。
( y1
y)2
(z1
z)2
]
1 2
c(t1
t)
1
[(x2
x)2
( y2
y)2
(z2
z)2
]
1 2
c(t2
t)
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[(x3
x)2
( y3
y)2
(z3
z)2
]
1 2
c(t3
t)
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[(x4
x)2
( y4
y)2
(z4
z
)
2
]
1 2
c(t4
t)
4
• 定位参考标准——世界大地坐标（WGS84） • 定位需求——（x,y,z)
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GPS卫星轨道示意图
车载导航仪
GPS系统构成
（1）空间部分--GPS卫星星座：GPS卫星星座由24颗卫星组成。 （2）地面控制部分--地面监控系统：地面监控系统由均匀分布在美
国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、1个主控站和3个数 据注入站构成。 • 3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的3个美国军事基地 上。注入站的任务是将主控站计算出的卫星参数发送给卫星，同 时向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。 • 5个监测站分别设在主控站、3个注入站及夏威夷岛。监测站负责 对诸卫星进行连续跟踪和监视，测量每颗卫星的位置和距离差， 采集气象数据，并将观测数据传送给主控站进行处理，5个监控 站均为无人值守的数据采集中心。
S 2(x 2,y 2,z 2)
S1 (x 1,y 1,z 1)
ρ2
ρ1
ρ3
S 3(x 3,y 3,z 3)
P(x,y,z)
用距离交会的方法求解P点的三维坐标（x,y,z）的观测方程为：
i
[(x1
x)2
( y1
y)2
( z1
z)2
]
1 2
c t (含有各种误差)
理想状态下：
[(x1
x)2
[(xi
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
x)2
( yi
y)2
( zi
z
)
2
]
1 2
i
[(xi
x)2
( yi
y)2
(zi
1
z)] 2
c(tk
ti )
i
1
2
(i=1,2,3,4)
二、俄罗斯“格洛纳斯” (GLONASS)
尚未部署完毕。始于上世纪70年代，需要至少18颗 卫星才能确保覆盖俄罗斯全境；如要提供全球定位服务， 则需要24颗卫星。上世纪90时代，系统所含卫星数量一 度达标，但由于经费短缺，部分失效卫星未获更新，最 严重时，仅只6颗卫星正常工作。目前，“格洛纳斯”导 航系统共有21颗卫星。轨道高度1万9000公里，运行周期 11小时15分，位置精度提高到10～15M，定时精度提高到 20～30NS，速度精度达到0.01M／S
1978年2月发射第一颗GPS卫星，1994年3月24颗卫 星构成的星座部署完毕，GPS系统正式建成，系统总共耗 资200亿美元。GPS开始时只用于军事目的，1994年，美 国宣布在10年内向全世界免费提供GPS使用权，但美国只 向外国提供低精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的 “后门”，一旦发生战争，美国可以关闭对某地区的信息 服务。它是利用分布在2万公里高空的多颗人造卫星，对 地面或接近地面的目标进行定位（包括移动速度和方向） 和导航的系统。具有在海、陆、空进行全方位实时三维导 航与定位能力。
说明t1和t并不在 同一个标准下
（三卫星个坐标）
未知数增多
会增 加几 个？
时间差△t1=t1 — t
接收机钟面 时间
卫星钟面 时间
电离层、对流层等等 光速c
误差 ρ=c*△t
实际上， 1 2 cti ctk
ρ ——卫星与GPS接收机的几何距离； ρ′ ——伪距； δρ1——电离层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得； δρ2——对流层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得； δti ——第i颗卫星的钟差（卫星时间与理想GPS时间的差），可根据卫星星 历求得； Δtk ——接收机钟差（接收机时间与理想GPS时间的差，未知）。