第一章一概论 第一节GPS的兴起与特点 GPS的建立 1973年由美国国防部(DOD)开始建立,称为全球定位系统 global positioning system,目的是用于美国军队的定位、导航、武器制导等。拟定 由21+3颗卫星组成。到今天为经历了4个阶段 1973年12月~1978年2月22日为理论研究阶段 1978~1989年2月14日为建设阶段; 1990~1999为建成运行阶段,1993年满24颗,1995年达预定工作能 2000年5月2日~2030为改进更新阶段 、GPS测量的特点与问题 )特点 精度高;速度快;无需通视 操作简便;全球布网;全天候作业; 三维坐标;应用广泛 2)问题 军民两用; 无安全承话 维精度不一致。如图
第一章 概论 第一节 GPS的兴起与特点 一、GPS的建立 1973年由美国国防部(DOD)开始建立,称为全球定位系统 global positioning system ,目的是用于美国军队的定位、导航、武器制导等。拟定 由21+3颗卫星组成。到今天为止经历了4个阶段: ❖ 1973年12月~1978年2月22日为理论研究阶段; ❖ 1978~1989年2月14日为建设阶段; ❖ 1990~1999为建成运行阶段,1993年满24颗,1995年达预定工作能 力; ❖ 2000年5月2日~2030为改进更新阶段。 二、GPS测量的特点与问题 1)特点 精度高; 速度快; 无需通视; 操作简便; 全球布网; 全天候作业; 三维坐标; 应用广泛。 2)问题 军民两用; 无安全承诺。 三维精度不一致。如图
三、GPS的应用领域 1、控制测量(全球、全国、城市、工程) 工程测量 3、地形地籍测量 4、海洋测绘 5、航测、遥感 6、卫星定轨 7、月球、火星测绘 、飞机、轮船导航与地面交通管理 9、通信、旅游等各行各业
三、GPS的应用领域 1、控制测量(全球、全国、城市、工程) 2、工程测量 3、地形地籍测量 4、海洋测绘 5、航测、遥感 6、卫星定轨 7、月球、火星测绘 8、飞机、轮船导航与地面交通管理 9、通信、旅游等各行各业
第二节GPS组成及基本原理 GPS组成概况 GPS由 控制段和用户段三部分组成 1)空间段 24颗(日前32颗)卫尾分布在6个轨道面上,轨道面与地球赤道面的夹角 为55°,轨道面间隔为60°,在地面上任何一点,最少可见到4颗卫星,最多 可见到11颗卫星。如图 卫星上有四台高精度原子钟,卫星的主要作用是向用户发送定位信息和提供 时间标准。 2)控制段 监测站:5个,用双频接收机接收卫星信号,高精度原子钟提供时间标准,环 境数据传感器采集环境数据。如 主控站:1个,计算星历、钟差、大气折射并控制卫星轨道与姿态 注入站:3个,向卫星发送数据与命令。 三者连网,除主控站外均无人值守 3用户段 接收机和数据处理软件
一、GPS组成概况 GPS由空间段、控制段和用户段三部分组成。 1)空间段 24颗(目前32颗)卫星分布在6个轨道面上,轨道面与地球赤道面的夹角 为55°,轨道面间隔为60°,在地面上任何一点,最少可见到4颗卫星,最多 可见到11颗卫星。如图 卫星上有四台高精度原子钟,卫星的主要作用是向用户发送定位信息和提供 时间标准。 2)控制段 监测站:5个,用双频接收机接收卫星信号,高精度原子钟提供时间标准,环 境数据传感器采集环境数据。如图 主控站:1个,计算星历、钟差、大气折射并控制卫星轨道与姿态。 注入站:3个,向卫星发送数据与命令。 三者连网,除主控站外均无人值守。 3) 用户段 接收机和数据处理软件。 第二节 GPS组成及基本原理
GPS卫星星座空间图 GPS卫星星座平面图 22 Orbit Planes Argument 12 O Equator Position 7137125 GPS Nominal Constellation 24 Satellites in 6 Orbital Planes Simplified Representation of Nominal GPS Constellation 4 Satellites in each plane 20.200 km Altitudes, 55 Degree Inclination
控制段示意图 Falcon AF Colorado Springs a Hawaii Monitor Statio Monitor Station 答 Kwajalein Ascension Island &p Diego Garcia Monitor Station 2 Monitor Station3) Monitor Station(g Global Positioning System(GPS) Master Control and Monitor Station Network 1夏威夷2克罗拉多3阿松森群岛4迭哥伽西亚5卡瓦加兰 监测站:1、2、3、4.5主控站:2注入站:345 控制段
Ps定位的基本原理 卫星发射信号的时间为t1,接收机收到信号的时间为t2,则 △t=t2t1 p=c△t 其中ρ为星站距离,由接收机测得。因卫星钟很精确,而接收机 钟有误差δt,故 p=c△tc ot 在地面任一点最少可观测4颗卫星,得4个距离,解4个未知 数x,y,z,0t。(原理图) 观测四颗卫星,列出四个方程式如下 √(x1-x)2+(x1-y)2+(1-=)2+c O2=√(X2-x)2+(x2-y)2+(2-=) (x3-x)2+(3-y)2+( (x4-x)+(x4-y)2+(z4-=)
二、GPS定位的基本原理 卫星发射信号的时间为t1,接收机收到信号的时间为t2,则 Δt=t2-t1 ρ=cΔt 其中ρ为星站距离,由接收机测得。因卫星钟很精确,而接收机 钟有误差δt,故 ρ=cΔt+c δt 在地面任一点最少可观测4颗卫星,得4个距离,解4个未知 数x , y , z , δt。(原理图) 观测四颗卫星,列出四个方程式如下: (X x) (Y y) (Z z) c.t 2 1 2 1 2 1 = 1 − + − + − + (X x) (Y y) (Z z) c.t 2 2 2 2 2 2 = 2 − + − + − + (X x) (Y y) (Z z) c.t 2 3 2 3 2 3 = 3 − + − + − + (X x) (Y y) (Z z) c.t 2 4 2 4 2 4 = 4 − + − + − +
第三节GPS的加密措施 精密定位服务与标准定位服务 1)精密定位服务(5~10m):PPS 美国军方使用,包括 L1:CA码,P码; 2:P码; 消除SA的密匙,导航电文。 2)标准定位服务(100m):SPS 出于经济考虑,83年提供民用。 L1:C/A,导航电文 A-S措施 P码保密,只有美国军方可用,后来被解密。美国引入W码,并 将P码与w码进行模二相加得Y码,难以破解
第三节 GPS的加密措施 一、精密定位服务与标准定位服务 1)精密定位服务(5~10m):PPS 美国军方使用,包括: L1:C/A码,P码; L2:P码; 消除SA的密匙,导航电文。 2)标准定位服务(100m):SPS 出于经济考虑,83年提供民用。 L1:C/A, 导航电文。 二、A-S措施 P码保密,只有美国军方可用,后来被解密。美国引入W码,并 将P码与W码进行模二相加得Y码,难以破解
三、SA政策 84年民用结果,精度远高于100m,美国为保证自身安全,1990年3 月25日起对民用信号进行干扰,包括 ε技术:于扰卫星星历; 6技术:千扰定位信号 因美国国内的就业力及国际竞争,1996年3月29日,克林顿宣布10 年内终止SA,2000年5月2日终止,但可随时在区域内恢复 四、政策调整与技术更新 1、美国对GPS的政策调整与技术改进 1)政策调整 (1)1983年提供民用; (2)1990年实施SA政策; (3)2000年5月取消SA; (4)1999年决定既保证军用安全,又提高民用精度
三、SA政策 84年民用结果,精度远高于100m,美国为保证自身安全,1990年3 月25日起对民用信号进行干扰,包括: ε技术:干扰卫星星历; δ技术:干扰定位信号。 因美国国内的就业压力及国际竞争,1996年3月29日,克林顿宣布10 年内终止SA, 2000年5月2日终止,但可随时在区域内恢复。 四、政策调整与技术更新 1、美国对GPS的政策调整与技术改进 1)政策调整 (1)1983年提供民用; (2)1990年实施SA政策; (3)2000年5月取消SA; (4)1999年决定既保证军用安全,又提高民用精度