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
GPS定位精度 North(m) East(m) Time(hours)
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 − + − + − +
定位原理 SATELLITE 2 ATELLITE SATELL ITE 3 SATELLITE 1 Basic principle of positioning with GPS
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