卫星定位理论与方法-第10次课.ppt

卫星定位理论与方法,测量与导航工程系,导航与定位教研室,陈明剑,第 10次课 GPS概述,卫星定位发展的概况,1957年10月4日，世界第一颗人造地球卫星SPUTNIK－1发射成功，标志空间科学进入一个崭新的时代 20世纪60年代卫星定位技术问世 卫星定位发展分为三个阶段：卫星三角测量、卫星多普勒定位、GPS卫星定位,1.卫星三角测量原理satellite triangular surveying,人造地球卫星只是做为一种空间动态观测目标，由地面站拍摄卫星的瞬时位置而测定地面点的坐标，称为卫星三角测量s1,s2,sa,sc,sa,sc,C,B,A,S*,S*,S*,S*,A、C两站用卫星摄影仪同步拍摄卫星S1,影像Sa、Sc,,天文年历查出S*,,,推算出方向AS1和CS1，得同步平面ACS1,观测S2，得同步平面ACS2,相交得AC,,,同理得BC,,,相交得C,资料处理复杂，精度不高， 不能获得三维坐标,小知识：1966－1972美国国家大地测量局(NGS)在美国和联邦德国测绘部门得协助下，应用卫星三角测量方法，测量具有45个测站得全球三角网，获得5m得点位精度,2.卫星多普勒定位测量（satellite doppler surveying）,1958年底，美国海军和詹斯。

霍普金斯大学应用物理实验室联合建立为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System-NNSS） 1959年发射第一颗试验卫星传统的无线电导航系统从此被这种新的导航方式取代 目的：给“北极星”核潜艇提供全球性导航系统 1964年该系统建成，随即在美国军方启用；1967年美国政府批准该系统解密，并提供民用1000公里 周期107min,卫星轨道近似位圆形，并且经过地球南北极上空，故称为子午卫星,,利用子午卫星射电信号测定地面点位置的技术称为卫星多普勒定位 利用奥地利物理学家多普勒1842年发现的多普勒效应： 当波源与观测者作相对运动时，波源发射频率与观测者接收频率之间具有以下关系：,2.卫星多普勒定位测量（satellite doppler surveying）,意义：(1)卫星不再做为单纯的空间动态观测目标，而是通过轨道参数介入定位计算得动态已知点 （2）观测不再采用传统的几何模式，而是通过地面站接收卫星发射的信号测定站站星距离来定位,,,,,s1,P,si,su,波源运动的向径速度：,,记,称为多普勒频移,积分可得卫星与测站间的距离,测站位置可得：,缺点： 卫星数少，不能实现连续实时导航定位 对于同一地点两次子午卫星通过的间隔时间为0.8~1.6小时，对于同一子午卫星，每天通过次数最多为13次，间隔时间更长。

一台卫星多普勒接收机一般需成功观测15次卫星通过，才能达到10m的单点定位精度 卫星轨道高度低，难以实现实时精密定轨 平均高度为1070km 信号频率低，难以补偿电离层效应得影响 射电信号频率为400MHZ和150MHZ，只能消弱电离层效应的低阶项影响,2.卫星多普勒定位测量（satellite doppler surveying）,小知识：在美国子午卫星定位系统建立的同时，前苏联也于1965年开始建立了一个卫星导航系统，叫做“CICADA”该系统有12颗所谓的宇宙卫星1973年美国国防部便开始组织陆海空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划这就是目前所称的“授时与测距导航系统/全球定位系统”（Navigation System Timing and Ranging/Global Positioning System-NAVSTAR/GPS），而通常简称为“全球定位系统”（GPS）3.GPS卫星定位测量（GPS surveying）,GPS系统研制计划分3个阶段： 原理与可行性试验阶段，1973年12月到1978年2月22日第一颗试验卫星发射成功，历时5年 系统研制与试验阶段，1978年2月2日到1989年2月14日第一颗工作卫星发射成功，历时11年。

工程发展与完成阶段，1989年2月14日到1995年4月27日美国国防部宣布“GPS系统具备工作能力”，历时7年自1994年以来，GPS计划已经历了方案论证（1974—1978年）、系统论证（1979—1987年）、生产实验（1988—1993年）三个阶段总投资超过200亿美元整个系统分为卫星星座、地面监控和监测站、用户设备三大部分论证阶段发射了11颗叫做BLOCK I的实验卫星，生产实验阶段发射了叫做BLOCK II R型第三代GPS卫星，GPS系统由此为基础改建而成 美国已于2005年9月25日成功将首颗新型的GPS 2R-M1导航卫星送入地球轨道 第二颗GPS 2R-M1卫星预计将在2006年初发射3.GPS卫星定位测量（GPS surveying）,,,,你的位置是: 37o 23.323’ N 122o 02.162’ W,二、GPS系统的组成（the GPS components ）,1. 空间星座部分,2. 地面监控部分,3. 用户部分,,13,000 km,,,20,200 km,,Zone of,space junk,,35,420 km,,Geosynchronous orbit (communications satellites),,,,,,GPS satellite orbit,,,24 Satellites 6 orbital planes 20,000 km high 12 hour orbits At least 4 Satellites in view 24 hours per day Any weather,24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内， 轨道倾角为55度. 各个轨道平面之间相距60度，既轨道的升交点赤经各相差60度。

Launched on Delta Rockets,1. 空间星座部分,重量：774kg（包括310kg燃料）,直径：约为1.5m,4台高精度原子钟（两台铷钟和两台铯钟），这是卫星的核心设备3种频率工作：L1（1 575.42MHz）和L2（1 227.6MHz）用于定位，L3（1 381.05MHz）发射能探测到大气中核爆炸的星载传感器信息1. 空间星座部分,其设计寿命是七年半当卫星入轨后，星内机件靠太阳能电池和镉镍蓄电池供电每个卫星有一个推力系统，以便使卫星轨道保持在适当位置在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行两周，绕地球一周的时间为12恒星时（11小时58分） 每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星 位于地平线以上的卫星颗数随时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗GPS卫星，称为定位星座这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定影响 对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”但这种时间“间隙段”是很短暂的，并不影响全球决大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量迄今，GPS卫星已设计了三代，分别为Block I、Block II、Block III和 GPS II R-M1 GPS II F,2005年9月25日升空GPS II R-M1是美国洛克希德·马丁公司研制的新一代导航卫星。

它不但可接收和识别目前在轨GPS卫星发出的信号，还可向美国军方发送另外两种新的信号此外，其发射的民用信号也增加了一种Current GPS Segments,,Space Segment,Block II/IIA Operational Rockwell (now Boeing) 26 on orbit MMD 6.0/8.6/10.6 yrs,Block IIR Operational/In production Lockheed Martin All 21 procured 2 on orbit 1 Destroyed on launch MMD 7.8 yrs,Block IIF In production Boeing(Rockwell) 6 already procured Options for 24 more without modernization MMD 12.7 yrs,,Signals in Space,,,,Military P(Y),Civil (C/A),P(Y),,,,L2,L1,Ground Control Segment,,Modernized GPS Space Segment,GPS Modernization plan meets White House announcements of adding new civil services while implementing spectrally separated military services,,,,,,,P(Y),C/A,P(Y),C/A,M-code,M-code,,,,,,L5 1176.45MHz,,,,,,,P(Y),C/A,P(Y),C/A,M-code,M-code,,Signals in Space,Signals in Space,Block IIRs (up to 12 SV’s) Adds C/A to L2 Adds new military M-Code Increases signal power for existing signals,Adds civil L5 to all Block IIFs Pursue optimum Approach for higher power M-code spot beam,L2 1227.6MHz,L1 1575.45MHz,L2,L1,Block IIR- Modified Satellites,Block IIF Satellites,1. 空间星座部分,GPS卫星星座的优点 保障了在地球上任何地点、任何时间均至少可以同时观测到4颗卫星。

空间部分的3颗备用卫星，可在必要时根据指令代替发生故障的卫星，这对于保障GPS空间部分正常而高效的工作是及其重要的 由于处于高轨位置，对地球覆盖面广GPS卫星基本功能 接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令； 卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作； 向用户播送导航电文，提供导航和定位信息； 通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准； 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星4.1 空间星座部分,2.地面监控部分,GPS的地面监控部分，目前主要由分布在全球5个地面站所组成，其中包括卫星监控站、主控站和信息注入站监测站，站内设有双频GPS接收机和高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器为主控站提供卫星观测数据每个监测站均用GPS信号接受机对每颗可见卫星每6分钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测，采集气象要素等数据在主控站的遥控下自动采集定轨数据并进行各项改正，每15分钟平滑一次观测数据，依此推算出每2分钟间隔的观测值，然后将数据发送给主控站主控站,根据本站和其它监控站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和电离层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站。

提供全球定位系统的时间基准各监控站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些信息编入导航电文，送到注入站调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行启用备用卫星以代替失效的工作卫星注入站 主要设备包括一台直径为3.6m的天线、一台C波段发射机和一台计算机其任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器每天注入三次，每次注入14天的星历. 注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态3. 用户设备部分。