测量学第十六章 全绿定位系统AFPs)简介 王国辉、马莉制作 本章要点 1、GPS的组成;/(重点) 2、GPS的坐标系统;(重点) 3、GPS的定位原理与方法。(难点)
1 测 量 学 第 十 六 章 全球定位系统（GPS）简介 王国辉、马莉制作 本 章 要 点 • 1、GPS的组成； （重点） • 2、 GPS的坐标系统；（重点） • 3、 GPS的定位原理与方法。 （难点）
本章提/要 本章对测绘新技木 仝礅定仳系 統(GPS)的原理作简要介绍。主要 內容包括卫星导航系统的发展及特点 GPS的组成、GPS坐标系统、GPS定 仇原理、GPS定仇方法以及GPS定 技术的应用等
2 本 章 提 要 本章对测绘新技术——全球定位系 统（GPS）的原理作简要介绍。主要 内容包括卫星导航系统的发展及特点、 GPS的组成、GPS坐标系统、GPS定 位原理、GPS定位方法以及GPS定位 技术的应用等
录 目第五 测量学教学参考书 节 定位方法 四节定位原理 第三节3坐标系统 节3的组成 第一节概述 3
3 目 录 • 第一节概述 • 第二节GPS 的组成 • 第三节GPS 坐标系统 • 第四节GPS 定位原理 • 第五节GPS 定位方法 • 测量学教学参考书
§161概述 卫星导航系统的发展 1、1957年10月世界正第一颗人造卫星发射成功,开始了利用 卫星进行定位和导航的研究。 2、第一代卫星导航系统—子午卫星导航系统,自1963年12 月美国发射了第一颗导航卫星建立。该系统不受气象条件的限 制,自动化程度较高,且具有良好的精度,它迅速被世界各国 所采用。但该系统卫星数目较少(5~6颗)、轨道低(平均约 1000km)、发射信号的频率较低,从而精度受到影响,且不 能提供连续地实时三维导航 3、第二代卫星导航系统—GPS卫星全球定位系统,实现全天候 全球高精度地连续导航定位。美国美国国防部于1973年开始, 1993年建设成功,历经20年,耗资300亿美元,全称为“授时 测距导航系统/全球定位系统”( Navigation system Timing and Ranging/ Global Positioning System)。GPS是利用卫星 发射的无线电信号进行导航定位,具有全球性、全天候、高精 度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能,以及良好的 保密性和抗干扰性
4 §16—1 概述 一、卫星导航系统的发展 1、1957年10月世界上第一颗人造卫星发射成功，开始了利用 卫星进行定位和导航的研究。 2、第一代卫星导航系统——子午卫星导航系统，自1963年12 月美国发射了第一颗导航卫星建立。该系统不受气象条件的限 制，自动化程度较高，且具有良好的精度，它迅速被世界各国 所采用。但该系统卫星数目较少（5～6颗）、轨道低（平均约 1000 km）、发射信号的频率较低，从而精度受到影响，且不 能提供连续地实时三维导航。 3、第二代卫星导航系统——GPS卫星全球定位系统，实现全天候、 全球高精度地连续导航定位。美国美国国防部于1973年开始， 1993年建设成功，历经20年，耗资300亿美元，全称为“授时、 测距导航系统/全球定位系统”（Navigation system Timing and Ranging/Global Positioning System）。GPS是利用卫星 发射的无线电信号进行导航定位，具有全球性、全天候、高精 度、快速实时三维导航、定位、测速和授时功能，以及良好的 保密性和抗干扰性
二、GPS的影响及特点 1、GPS的影响:它可以高精度、全天候、快速测定地面点的 三维坐标,使传统的测量理论与方法产生了深刻变革,促进 了测绘科学技术的现代化,在军事、民用及其它领域都得到 了广泛应用。卫星定位技术已引起了测绘技术的一场革命, 从而使测绘领域步入一个崭新的时代。 2、GPS的特点: 全球地面连续覆盖。24颗GPS卫星合理地分布在太空中,地球 上任何地点均可连续地同步观测到至少4颗卫星,保障了全 球、全天候连续地三维定位 定位精度高。GPS可连续地、高精度地提供导航定位。单点定 位精度:C/A码±25m,P码为±10m;相对定位的精度:单 频机为士(10mm+2×10-6×D),双频机为±(5mm+1×10 6×D)
5 二、GPS的影响及特点 1、GPS的影响：它可以高精度、全天候、快速测定地面点的 三维坐标，使传统的测量理论与方法产生了深刻变革，促进 了测绘科学技术的现代化，在军事、民用及其它领域都得到 了广泛应用。卫星定位技术已引起了测绘技术的一场革命， 从而使测绘领域步入一个崭新的时代。 2、GPS的特点： 全球地面连续覆盖。24颗GPS卫星合理地分布在太空中，地球 上任何地点均可连续地同步观测到至少4颗卫星，保障了全 球、全天候连续地三维定位。 定位精度高。GPS可连续地、高精度地提供导航定位。单点定 位精度：C/A码±25 m，P码为±10 m；相对定位的精度：单 频机为±（10 mm+2×10-6×D），双频机为±（5 mm+1×10- 6×D）
观测简便。测量员的任务只是安装并开关仪器、量取仪器高 监视仪器的工作状态和采集环境的氕象数据,卫星的捕获、 跟踪观测和记录等均由仪器自动完成,大大减少了外业的作 业时间及劳动强度。 经济效益好。GPS测量不要求观测站之间通视,不需建造觇 标。大大减少观测工作的经费和时间,节省大量的人力、物 力和财力,同时也使点位的选择变得更加灵活
6 观测简便。测量员的任务只是安装并开关仪器、量取仪器高、 监视仪器的工作状态和采集环境的气象数据，卫星的捕获、 跟踪观测和记录等均由仪器自动完成，大大减少了外业的作 业时间及劳动强度。 经济效益好。GPS测量不要求观测站之间通视，不需建造觇 标。大大减少观测工作的经费和时间，节省大量的人力、物 力和财力，同时也使点位的选择变得更加灵活
§162GPS的组成 全球定位系统(GPS)主要由空间星座部分、地面监控部分和 用户设备部分三大部分组成,如图16-1所示。 空间星座部分 1.GPS卫星星座 全球定位系统的空间星座部分由24颗卫星组成,其中21 颗工作卫星,3颗可随时启用的备用卫星。工作卫星均匀分 布在6个近圆形轨道面内,每个轨道面上有4颗卫星(见图 16-2)。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°,各轨道 平面升交点的赤经相差60°,同一轨道上两卫星之间的升交 角距相差90°。轨道平均高度为20200km,卫星运行周期 为11小时58分。在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异, 最少为4颗,最多时达H颗
7 §16—2 GPS的组成 全球定位系统（GPS）主要由空间星座部分、地面监控部分和 用户设备部分三大部分组成，如图16-1所示。 一、 空间星座部分 1．GPS卫星星座 全球定位系统的空间星座部分由24颗卫星组成，其中21 颗工作卫星，3颗可随时启用的备用卫星。工作卫星均匀分 布在6个近圆形轨道面内，每个轨道面上有4颗卫星（见图 16-2）。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°，各轨道 平面升交点的赤经相差60°，同一轨道上两卫星之间的升交 角距相差90°。轨道平均高度为20 200 km，卫星运行周期 为11小时58分。在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异， 最少为4颗，最多时达11颗
空间星座部分 24颗卫星 广播L1,L2卫星 轨道,时间数据及 辅助资料信息 图16-1 不 用户设备部分: 地面监控部分 接收设备 中央控制系统 接收卫星信号 时间同步 跟琮卫星定轨 8
8 图16-1
图16-2 (2多
9 图16-2
2.GPS卫星及功能 GPS卫星(见图16-3)的主体呈圆柱形,直径为5m,/重约714 kg,设计寿命为75年。主体两侧配有能自动对日定向的双叶 太阳能板,为卫星正常工作提供电源通过一个驱动系统保 持卫星运转并稳定轨道位置。每颗卫星装有4台高精度原子钟 铷钟和铯钟各两台),以保证发射出标准频率(稳定度为 1012~10-13),为GPS测量提供高精度的时间标准 GPS卫星的主要功能是:(1)接收和储存由地面监控系统发射 来的导航信息;(2)接收并执行地面监控系统发送的控制指 令,如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等;(3)向 用户连续不断地发送导航与定位信息,并提供时间标准、卫 星本身的空间实时位置及其它在轨卫星的概略位置。 10
10 2．GPS卫星及功能 GPS卫星（见图16-3）的主体呈圆柱形，直径为1.5 m，重约774 kg，设计寿命为7.5年。主体两侧配有能自动对日定向的双叶 太阳能板，为卫星正常工作提供电源，通过一个驱动系统保 持卫星运转并稳定轨道位置。每颗卫星装有4台高精度原子钟 （铷钟和铯钟各两台），以保证发射出标准频率（稳定度为 10-12～10-13），为GPS测量提供高精度的时间标准。 GPS卫星的主要功能是：（1）接收和储存由地面监控系统发射 来的导航信息；（2）接收并执行地面监控系统发送的控制指 令，如调整卫星姿态和启用备用时钟、备用卫星等；（3）向 用户连续不断地发送导航与定位信息，并提供时间标准、卫 星本身的空间实时位置及其它在轨卫星的概略位置