Southwest Jiaotong University GPS技术与应用 第一讲 袁林果 西南交通大学测量工程系 Email:Igyuan@home.switu.edu.cn 课程概述 A 日标:介绍GPS卫星测量基本原理及其应用 课件:PPT课件 在学习指定教材的基础上,依据学生的兴趣和个 人能力,学习内容和形式多样 重点强调基本原理的理解和掌握 其它要求:网上查阅中英文GPS专业资料的能 力;独立完成作业、严禁拷贝 ●成绩评定:平时成绩30%;期末考试70% GS技术与应用
1 GPS技术与应用 第一讲 袁林果 西南交通大学测量工程系 Email: lgyuan@home.swjtu.edu.cn 2005-9-8 GPS技术与应用 2 课程概述 z 目标：介绍GPS卫星测量基本原理及其应用 z 课件：PPT课件 z 在学习指定教材的基础上，依据学生的兴趣和个 人能力，学习内容和形式多样 z 重点强调基本原理的理解和掌握 z 其它要求：网上查阅中英文GPS专业资料的能 力；独立完成作业、严禁拷贝 z 成绩评定：平时成绩 30%；期末考试70%
课程大纲 1.历史、发展和当前状况 2.坐标系统与时间系统 3.卫星轨道运动及GPS卫星的坐标计算 4.GPS卫星信号与传播 s.GPS观测量、观测方程及误差分析 6.绝对(单点)定位原理 7.相对(差分)定位原理 8.GPS测量实施及软件操作(实习) 9.GPS应用 20598 GFS技术与应用 教材和参考文献 A 教材 口黄丁发,熊永良,袁林果.全球定位系统(GPS)一理论与实践. ¤周忠谟,易杰军,周琪.GPS卫星测量原理与应用(修订本).北京 测绘出版社,1997 References 全球定位系统(GPS)的原理与数据处理.上海:同济大学出 版社,1999 口刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法.北京:科学出版社,2003 a B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, and J. Collins, GPS Theory and Practice, Fifth edition. Springer-Verlag, Wein, New York. 2001 a Alfred Leick. GPS Satellite Surveying, 3rd Edition. John Wiley Sons, Inc, Hoboken, New Jersey, 2003 GS技术与应用
2 2005-9-8 GPS技术与应用 3 课程大纲 1. 历史、发展和当前状况 2. 坐标系统与时间系统 3. 卫星轨道运动 及GPS卫星的坐标计算 4. GPS卫星信号与传播 5. GPS观测量、观测方程及误差分析 6. 绝对（单点）定位原理 7. 相对（差分）定位原理 8. GPS测量实施及软件操作（实习） 9. GPS应用 2005-9-8 GPS技术与应用 4 教材和参考文献 教材 黄丁发, 熊永良, 袁林果. 全球定位系统（GPS）— 理论与实践. 周忠谟, 易杰军, 周琪. GPS卫星测量原理与应用（修订本）. 北京: 测绘出版社, 1997 References 刘大杰. 全球定位系统(GPS)的原理与数据处理. 上海:同济大学出 版社, 1999 刘基余. GPS卫星导航定位原理与方法. 北京: 科学出版社, 2003 B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, and J. Collins, GPS Theory and Practice, Fifth edition. Springer-Verlag, Wein, New York, 2001. Alfred Leick. GPS Satellite Surveying, 3rd Edition. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2003
网络资源 Global Positioning System Overview by Peter H. Dana http://www.colorado.edw/geographylacraft/notes/gps/gps m THE INTERAGENCY GPS EXECUTIVE BOARD(IGEB) leb. >gpsApplicationsExchange.http:/apshome.sscnasagov/ The International GPS Service(IGS) http://igscb.jplnasa.govl U.S. Naval Observatory(USNO) GPS Operations http://tycho.usno.navy.mil/gps.html >U.S. Coast Guard Navigation Center http://www.navcen.uscq.gov/ 20598 GFS技术与应用 第一章导航与定位概论 A ■导航( navigation)定义 通过实时地测定运载体在途中行进时的位置和速度,引导运 载体沿一定航线经济而安全地到达目的地的技术。 ■导航定位技术的发展 推算定位■→◆天文导航匚惯性导航口无线电导航 GS技术与应用
3 2005-9-8 GPS技术与应用 5 网络资源 ¾ Global Positioning System Overview by Peter H. Dana. http://www.colorado.edu/geography/gcraft/notes/gps/gps_f. html ¾ THE INTERAGENCY GPS EXECUTIVE BOARD (IGEB). http://www.igeb.gov/ ¾ GPS Applications Exchange. http://gpshome.ssc.nasa.gov/ ¾ The International GPS Service (IGS). http://igscb.jpl.nasa.gov/ ¾ U.S. Naval Observatory (USNO) GPS Operations http://tycho.usno.navy.mil/gps.html ¾ U.S. Coast Guard Navigation Center http://www.navcen.uscg.gov/ 2005-9-8 GPS技术与应用 6 第一章 导航与定位概论 导航（navigation）定义 通过实时地测定运载体在途中行进时的位置和速度，引导运 载体沿一定航线经济而安全地到达目的地的技术。 导航定位技术的发展 推算定位 天文导航 惯性导航 无线电导航
导航系统分类 ■推算定位系统( Dead Reckoning Systems ¤通过航行的方向和距离来推算其所在位置。 引导系统( Guidance Systems) 口提供给用户到达目的地的引导信息,不需要知道用户的具体 位置。灯塔、无线电信标、仪表着陆系统( Instrument Landing system,s)、微波着陆系统( Microwave Landing system,MLS)等 ■定位系统( Positioning Finding Systems) ¤在一个定义的参考框架内,准确确定用户所在的位置。罗兰 ( Loran)、奥米加( Omega)、子午卫星( Transit)、 GPS、 GLONASS等 20598 GFS技术与应用 惯性导航系统(INS, Inertial A Navigation System) ■基本原理 根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律,利用陀螺、加速 度计等惯性元件感受运动载体在运动过程中的加速度。然后 通过计算机进行积分运算,从而得到运动载体的位置和速度 等信息。 ■优点 ¤不依赖于外界导航台和电磁波的传播,因此应用不受环境限 制,包括海陆空及水下。隐蔽性好,不可能被干扰,无法反 利用,生存能力强;另外还可产生多种信息,包括载体的三 维位置、三维速度与航向姿态。当然它的垂直定位信息不 好,误差是发散的,不能单独使用。 GS技术与应用
4 2005-9-8 GPS技术与应用 7 导航系统分类 推算定位系统（Dead Reckoning Systems） 通过航行的方向和距离来推算其所在位置。 引导系统（Guidance Systems） 提供给用户到达目的地的引导信息，不需要知道用户的具体 位置。灯塔、无线电信标 、仪表着陆系统（Instrument Landing system, ILS ）、微波着陆系统（ Microwave Landing system, MLS）等 定位系统（Positioning Finding Systems） 在一个定义的参考框架内，准确确定用户所在的位置 。罗兰 （Loran）、奥米加（Omega）、子午卫星（Transit） 、 GPS、GLONASS等 2005-9-8 GPS技术与应用 8 惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System） 基本原理 根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用陀螺、加速 度计等惯性元件感受运动载体在运动过程中的加速度。然后 通过计算机进行积分运算，从而得到运动载体的位置和速度 等信息。 优点 不依赖于外界导航台和电磁波的传播，因此应用不受环境限 制，包括海陆空及水下。隐蔽性好，不可能被干扰，无法反 利用，生存能力强；另外还可产生多种信息，包括载体的三 维位置、三维速度与航向姿态。当然它的垂直定位信息不 好，误差是发散的，不能单独使用
无线电导航系统 ■基本原理 ¤根据电磁波在理想均匀媒质中按直线传播,且速度为常数, 并在任两种媒质介面上一定产生反射,入射波和反射波同在 一铅垂面内的特性,进行导航定位。 ■优点 ¤因为电磁波的传播基本上不受昼夜与气候的限制,也无论距 离的远近,以及在恶劣气候与能见度不良的条件下,随时都 可借助各种频率的无线电信号有效地对空中、海上与地面的 各种运动载体乃至人进行精确定位,并将它(他)们安全、 准确、经济地由出发点,沿预定的航行路线驶达目的地;而 且测量快、精确度高,可靠性也高。不足之处在于电磁波难 免受外界干扰 20598 GFS技术与应用 无线电导航定位方法 A 测边交会法 双曲线定位 ■多普勒定位 GS技术与应用 5
5 2005-9-8 GPS技术与应用 9 无线电导航系统 基本原理 根据电磁波在理想均匀媒质中按直线传播，且速度为常数， 并在任两种媒质介面上一定产生反射，入射波和反射波同在 一铅垂面内的特性，进行导航定位。 优点 因为电磁波的传播基本上不受昼夜与气候的限制，也无论距 离的远近，以及在恶劣气候与能见度不良的条件下，随时都 可借助各种频率的无线电信号有效地对空中、海上与地面的 各种运动载体乃至人进行精确定位，并将它（他）们安全、 准确、经济地由出发点，沿预定的航行路线驶达目的地；而 且测量快、精确度高，可靠性也高。不足之处在于电磁波难 免受外界干扰。 2005-9-8 GPS技术与应用 10 无线电导航定位方法 测边交会法 双曲线定位 多普勒定位
测边交会法 利用测量待测点到 已知点之间的距 离,来求得待测点 S 坐标的方法就称为 测边交会法,也称 为1 Time of arrival (TOA)的方式 20598 GFS技术与应用 双曲线定位 A 采用 Time Difference of Arrival(TDoA)的方式 其原理是通过检测无线电基站2 基站l 波到达两个基站的时间Q TDOA2 trt, 差,而不是由到达的绝对 时间来确定待测点的位 置。待测点必定位于以两用户站 TDOA=t 个基站为焦点的双曲线方 程上,确定待测点的二维 位置坐标需要建立两个以 上双曲线方程,两双曲线 基站3 的交点即为待测点的二维 位置坐标。 GS技术与应用
6 2005-9-8 GPS技术与应用 11 测边交会法 S1 S2 S3 P 利用测量待测点到 已知点之间的距 离，来求得待测点 坐标的方法就称为 测边交会法，也称 为Time Of Arrival (TOA) 的方式。 2005-9-8 GPS技术与应用 12 双曲线定位 用户站 TDOA31=t3-t1 TDOA21=t2-t1 基站3 基站1 基站2 采用Time Difference Of Arrival (TDOA)的方式， 其原理是通过检测无线电 波到达两个基站的时间 差，而不是由到达的绝对 时间来确定待测点的位 置。待测点必定位于以两 个基站为焦点的双曲线方 程上，确定待测点的二维 位置坐标需要建立两个以 上双曲线方程，两双曲线 的交点即为待测点的二维 位置坐标
多普勒定位 通过测定同一信号发射 +3 源不同间隔时段其信号 的多普勒效应,从而确 定发射源在各时段相对 观察者的视向速度和视 向位移,再利用发射源 所给定的t1、t2、t3 t4.时刻的空间坐标, P,YZ) 结合对应的视向位移则 可解算出测站空间坐标 P (X,Y,Z) 20598 GFS技术与应用 卫星无线电导航系统 A 1957年10月,世界上第一颗人造地球卫星由前苏联成功发 射,是人类致力于现代科学技术发展的结晶,它使空间科学 技术的发展,迅速地跨入了一个崭新的时代。 子午卫星导航系统( TRANS|T) 全球定位系统(GPS) 全球导航定位系统( GLONASS) 四.双星导航定位系统(北斗一号) 五.伽俐略系统( GAILILEO) GS技术与应用
7 2005-9-8 GPS技术与应用 13 多普勒定位 t1 t2 t3 t4 θ P（X, Y, Z） 通过测定同一信号发射 源不同间隔时段其信号 的多普勒效应，从而确 定发射源在各时段相对 观察者的视向速度和视 向位移，再利用发射源 所给定的t1、t2、t3、 t4…时刻的空间坐标， 结合对应的视向位移则 可解算出测站空间坐标 P（X，Y，Z）。 2005-9-8 GPS技术与应用 14 卫星无线电导航系统 一． 子午卫星导航系统（TRANSIT） 二． 全球定位系统（GPS） 三． 全球导航定位系统（GLONASS） 四． 双星导航定位系统（北斗一号） 五． 伽俐略系统（GAILILEO） 1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星由前苏联成功发 射，是人类致力于现代科学技术发展的结晶，它使空间科学 技术的发展，迅速地跨入了一个崭新的时代
子午卫星导航系统( TRANSI 子午卫星导航系统,又称多普勒 卫星定位系统,它是58年底由美 国海军武器实验室开始研制,于 64年建成的“海军导航卫星系统” Navy Navigation Satellite System)。这是人类历史上诞生 的第一代卫星导航系统。1967年7 月该系统由军方解密供民间使 用。此后用户数量迅速增长,最 多达95万户,而军方用户最多时 只有650个,不足总数的1%,可 见因生产的需要民间用户远远大 于军方。 20598 GFS技术与应用 系统组成 A 卫星星座 由六颗独立轨道的极轨卫星组成,轨道倾角ⅰ =90°;卫星运行周期为T=107m;卫星高度约为 H=1075km。 ■地面系统 ¤地面设有4个卫星跟踪站:1个计算中心;1个控制 中心;2个注入站;1个天文台(海军天文台)。 GS技术与应用
8 2005-9-8 GPS技术与应用 15 一、子午卫星导航系统（TRANSIT） 子午卫星导航系统，又称多普勒 卫星定位系统，它是58年底由美 国海军武器实验室开始研制，于 64年建成的“海军导航卫星系统” （ Navy Navigation Satellite System）。这是人类历史上诞生 的第一代卫星导航系统。1967年7 月该系统由军方解密供民间使 用。此后用户数量迅速增长，最 多达9.5万户，而军方用户最多时 只有650个，不足总数的1%，可 见因生产的需要民间用户远远大 于军方。 2005-9-8 GPS技术与应用 16 系统组成 卫星星座 由六颗独立轨道的极轨卫星组成，轨道倾角i =90°；卫星运行周期为T=107m；卫星高度约为 H=1075km。 地面系统 地面设有4个卫星跟踪站； 1个计算中心；1个控制 中心；2个注入站；1个天文台（海军天文台）
技术特点 定轨精度 口广播星历所预报的卫星位置的切向误差±17m:径向误差±26m 法向误差±8m。 口精密星历所预报的卫星位置精度为±2m 卫星性能 口星体直径约为50公分,卫星重量为45~73公斤。 卫星信号 49996MHz基准钟频信号,倍频30和80倍后,形成149.988MHz和 399.968MHz的标准信号。 ■定位精度 口利用广播星历的单点定位精度约为10m,观测100次卫星通过后的 量数据平差解算后 精度为3-5m;利用精密星历观测40 次卫星通过的测量数据平差解算后,可获得精度为0.5-1m;为了 消除公共误差提高定位精度,相对定位的精度为0.5m。 20598 GFS技术与应用 不足之处 A 次定位所需时间过长,无法满足高速用户的需要 口一次定位一般需要连续观测一颗卫星通过的时间约为15~18 分钟 ■卫星出现时间间隔过长,无法满足连续导航的需要。 ¤没有采用频分、码分、时分等多路接收技术,确定了该系统 不能成为连续导航系统 ■子午卫星导航系统的定位精度偏低 卫星轨道低,信号频率较低受电离层影响大,卫星钟频不够 稳定 GS技术与应用
9 2005-9-8 GPS技术与应用 17 技术特点 定轨精度 广播星历所预报的卫星位置的切向误差±17m；径向误差±26m； 法向误差±8m。 精密星历所预报的卫星位置精度为± 2m。 卫星性能 星体直径约为50公分，卫星重量为45~73公斤。 卫星信号 4.9996MHz基准钟频信号，倍频30和80倍后，形成149.988MHz和 399.968MHz的标准信号。 定位精度 利用广播星历的单点定位精度约为10m，观测100次卫星通过后的 测量数据平差解算后，可获得精度为3~5m；利用精密星历观测40 次卫星通过的测量数据平差解算后，可获得精度为0.5~1m；为了 消除公共误差提高定位精度，相对定位的精度为0.5m 。 2005-9-8 GPS技术与应用 18 不足之处 一次定位所需时间过长，无法满足高速用户的需要 一次定位一般需要连续观测一颗卫星通过的时间约为15～18 分钟 卫星出现时间间隔过长，无法满足连续导航的需要。 没有采用频分、码分、时分等多路接收技术，确定了该系统 不能成为连续导航系统。 子午卫星导航系统的定位精度偏低 卫星轨道低，信号频率较低受电离层影响大，卫星钟频不够 稳定
、全球导航定位系统 (GLONASS) 该系统是82年底由前苏 联开始承建,期间因苏 联解体,几经周折最后 由俄罗斯于96年建成全 球导航定位系统 (G| obal Navigation学 Satellite System GLONASS)。该系统 与美国的全球定位系统 同属于第二代卫星定位 系统。 20598 GFS技术与应用 系统组成 A ■卫星星座 口三个独立椭圆轨道,的24颗卫星组成(另加1颗备用卫 星),每个轨道分布8颗卫星,各轨道升交点赤经相差 120°;轨道偏心率e=0.01:卫星轨道倾角i=648°;卫星 运行周期T=11h15m:卫星高度H=19100km;卫星设计使用 寿命4.5年,直至1995年卫星星座布成,经过数据加载、调 整和检验,已于1996年1月18日整个系统正式运转。 ■地面系统 1个系统控制中心(在莫斯科区的 Golitsyno2),1个指令跟 踪站(CTS),整个跟踪网络分布于俄罗斯境内。 GS技术与应用 10
10 2005-9-8 GPS技术与应用 19 二、全球导航定位系统 （GLONASS） 该系统是82年底由前苏 联开始承建，期间因苏 联解体，几经周折最后 由俄罗斯于96年建成全 球导航定位系统 （ Global Navigation Satellite System, GLONASS ）。该系统 与美国的全球定位系统 同属于第二代卫星定位 系统。 2005-9-8 GPS技术与应用 20 系统组成 卫星星座 三个独立椭圆轨道，的24颗卫星组成（另加1颗备用卫 星），每个轨道分布8颗卫星，各轨道升交点赤经相差 120°；轨道偏心率e=0.01；卫星轨道倾角i =64.8°；卫星 运行周期T=11h15m；卫星高度H=19100km；卫星设计使用 寿命4.5年，直至1995年卫星星座布成，经过数据加载、调 整和检验，已于1996年1月18日整个系统正式运转。 地面系统 1个系统控制中心（在莫斯科区的Golitsyno-2），1个指令跟 踪站（CTS），整个跟踪网络分布于俄罗斯境内
