第10章 导航定位技术与地理信息系统分解

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。
2018/10/22
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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
三个
会增 加几 个？
电离层、对流层等等 光速c
实际上，
1 2 ct i 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）。
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。
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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。
(含有各种误差)
理想状态下：
[( x1 x) ( y1 y ) ( z1 z ) ]
2 2 2 1 2
c(t1 t ) 1
[( x2 x) ( y2 y ) ( z 2 z ) ]
2 2 2
1
2
c(t 2 t ) 2
[( x3 x) ( y3 y ) ( z3 z ) ]
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) ( y1 y ) ( z1 z ) ]
2 2 2 1 2
c t
பைடு நூலகம்
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（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
主控站 监测站 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；
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
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。
S 2(x 2 ,y 2 ,z 2 )
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
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。
[( xi x) ( yi y ) ( zi z ) ]
2 2 2
1
2
i
[( x x) ( y y ) ( z z )]
i 2 i 2 i
1
2
c(tk t i ) i 1 2
(i=1,2,3,4)
二、俄罗斯“格洛纳斯” (GLONASS)
2 2 2
1
2
c(t3 t ) 3
[( x4 x) ( y4 y ) ( z 4 z ) ]
2 2 2
1
2
c(t 4 t ) 4
• 定位参考标准——世界大地坐标（WGS84） • 定位需求——（x,y,z)
说明t1和t并不在 同一个标准下
（卫星坐标） 时间差△t1=t1 — t 未知数增多 接收机钟面 时间 卫星钟面 时间 误差 ρ=c*△t