第一章GPS原理及应用概论
第一章 GPS原理及应用概论
早期的卫星定技术 常规测量无法实现远距离的联测定位以及实时定位, 因此引发了人们采用新的技术。1966-1972年,美 国出现了卫星大地测量技术。 早期的卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点 位测量的。仅仅将卫星作为空间测量目标,后来发 展到了把卫星作为动态已知点的高级阶段
一、早期的卫星定位技术 常规测量无法实现远距离的联测定位以及实时定位， 因此引发了人们采用新的技术。1966－1972年，美 国出现了卫星大地测量技术。 早期的卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点 位测量的。仅仅将卫星作为空间测量目标，后来发 展到了把卫星作为动态已知点的高级阶段
(1)卫星摄影测量一一卫星测向三角网 在AB两点同时观测卫星S1的方向r1和r2,在AB两点同时观测 卫星S2的方向r3和r4,观测的方向用天球坐标(a,δ) 表示,计算地面AB的方向rA:AB=n1xn2,n1=r1x r2, n2=r3 X r4 根据AB和AC的方向计算出角度BAC(用点积乘夹角余弦) S己 4 n2 B AB 地面 D
（1） 卫星摄影测量－－卫星测向三角网 在AB两点同时观测卫星S1的方向r1和r2， 在AB两点同时观测 卫星S2的方向r3和r4， 观测的方向用天球坐标（α，δ） 表示， 计算地面AB的方向rAB： AB=n1 x n2， n1=r1 x r2，n2=r3 x r4 根据AB和AC的方向计算出角度BAC（用点积乘夹角余弦）
(2)卫星激光测距(SCR)( Satellite Laser ranging) 在ABC三个已知点上同时测定至卫星S1的三个距离,可以计算 出S1的空间坐标;同理可测定S2、S3的坐标。在未知点D 上和ABC三点同步观测卫星S1、S2、S3的距离值,同样可以 计算出D点的坐标。 测距及相对定位精度可达厘米级。 仪器构成:激光发射、接收望远镜,玊星跟踪望远镜, 光电转换器件,计数器,驱动机构,控制部分等。 测程:50M800XM 测距精度:厘米级
(2) 卫星激光测距(SCR) (Satellite Laser Ranging) 在ABC三个已知点上同时测定至卫星S1的三个距离，可以计算 出S1的空间坐标；同理可测定S2、S3的坐标。 在未知点D 上和ABC三点同步观测卫星S1、S2、S3的距离值，同样可以 计算出D点的坐标。 测距及相对定位精度可达厘米级。 仪器构成：激光发射、接收望远镜，卫星跟踪望远镜， 光电转换器件，计数器，驱动机构，控制部分等。 测程： 50M~8000KM 测距精度：厘米级
(3)甚长基线干涉测量(WLBI)( Very long Baseline Radio Interferometry 在相距一定距离的两个测站点上分别安置射电仪, 描准宇宙中同一射电源,同步接收射电源发射的电 磁波,经事后处理,计算出两测站之间的空间距离 测程:可达数千KM 测距精度:厘米级 天线直径:几十CM数KM
(3) 甚长基线干涉测量(VLBI) (Very Long Baseline Radio Interferometry) 在相距一定距离的两个测站点上分别安置射电仪， 描准宇宙中同一射电源，同步接收射电源发射的电 磁波，经事后处理，计算出两测站之间的空间距离。 测程：可达数千KM 测距精度：厘米级 天线直径：几十CM~数KM
(4)子午卫星导航系统(NNSS)( Navy Navigation Satellite System) 子午卫星导航系统组成:卫星网、监测站、接收 机 卫星网共六颗子午卫星分别在六个轨道面上并 都通过地球南北极,卫星平均高度1070KM 定位精度:单点定位几十M,联测定位0.51M。 全天侯观测,事后处理
(4) 子午卫星导航系统(NNSS) (Navy Navigation Satellite System) 子午卫星导航系统组成：卫星网、监测站、接收 机。 卫星网共六颗子午卫星分别在六个轨道面上并 都通过地球南北极，卫星平均高度1070KM。 定位精度：单点定位几十M，联测定位0.5~1M。 全天侯观测，事后处理
子午卫星导航系统的局限性 (1)卫星少,不能实时定位。子午卫星导线 系统一般采用6颗卫星。两次卫星通过的时间间 隔约为0.81.6小时 (2)轨道低,难以精密定轨。子午卫星飞行高 度平均为1070KM,运动速度快,定轨精度低。 (3)频率低,难以补偿电离层效应的影响。子 午卫星的射电频率分别为400MHz和150MHz。难以 削弱电离层效应的高阶项影响
子午卫星导航系统的局限性 (1) 卫星少，不能实时定位 。子午卫星导线 系统一般采用6颗卫星。两次卫星通过的时间间 隔约为0.8~1.6小时。 (2) 轨道低，难以精密定轨。子午卫星飞行高 度平均为1070KM，运动速度快，定轨精度低。 (3) 频率低，难以补偿电离层效应的影响。子 午卫星的射电频率分别为400MHz和150MHz。难以 削弱电离层效应的高阶项影响
二、GPS技术 1973年批准研制GPS系统;19741993先后经历 了方案论证、系统论证、生产试验三个阶段 论证阶段发射了11颗卫星,试验阶段发射了第 三代GPS卫星。 GPS卫星星座24颗卫星,卫星轨道面个数6 卫星高度2020KM,轨道倾角55度,运行 周期11小时58分,载波频率为1575和127MHZ, GPS卫星在轨重量为843.68KG,设计寿命七年 半
二、GPS技术 1973年批准研制GPS系统；1974~1993先后经历 了方案论证、系统论证、生产试验三个阶段。 论证阶段发射了11颗卫星，试验阶段发射了第 三代GPS卫星。 GPS卫星星座24颗卫星，卫星轨道面个数6 个，卫星高度20200KM，轨道倾角55度，运行 周期11小时58分，载波频率为1575和1227MHZ， GPS卫星在轨重量为843.68KG，设计寿命七年 半
GPS技术的特点 (1)观测站之间无需通视 既要保持良好的通视条件,又要保障测量控 制网的良好结构,这一直是经典测量技术在实践 方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之 间相互通视,因而不再需要建造觇标,这一优点 既可大大减少测量工作的经费和时间,同时也使 点位的选择变得甚为灵活。 不过为了使接收GPS卫星的信号不受干扰, 必须保持观测站的上空开阔(净空)
GPS技术的特点 （1）观测站之间无需通视。 既要保持良好的通视条件，又要保障测量控 制网的良好结构，这一直是经典测量技术在实践 方面的困难问题之一。GPS测量不要求观测站之 间相互通视，因而不再需要建造觇标，这一优点 既可大大减少测量工作的经费和时间，同时也使 点位的选择变得甚为灵活。 不过为了使接收GPS卫星的信号不受干扰， 必须保持观测站的上空开阔（净空）
●定位精度高。现已完成的大量实验表明,目前 在小于50km的基线上,其相对定位精度可达 1~2×106,而在100km~500km的基线上可达106 10-7。随着观测技术与数据处理方法的改善, 可望在大于1000km的距离上,相对定位精度可达 到或优于10-8 ●观测时间短。目前,利用经典的静态定位方法, 完成一条基线的相对定位所需要的观测时间,根 据要求的精度不同,一般约为1~3小时。为了进 步缩短观测时间,提高作业速度,近年来发展 的短基线(例如不超过20km)快速相对定位法, 其观测时间仅需数分钟
●定位精度高。现已完成的大量实验表明，目前 在小于50km的基线上，其相对定位精度可达 1~2×10-6 ，而在100km~500km的基线上可达10-6 ~ 10-7 。随着观测技术与数据处理方法的改善， 可望在大于1000km的距离上，相对定位精度可达 到或优于10-8 。 ●观测时间短。目前，利用经典的静态定位方法， 完成一条基线的相对定位所需要的观测时间，根 据要求的精度不同，一般约为1~3小时。为了进 一步缩短观测时间，提高作业速度，近年来发展 的短基线（例如不超过20km）快速相对定位法， 其观测时间仅需数分钟