1、 武漢大學武漢大學 測繪學院測繪學院 GPSGPS原理及其應用課程組原理及其應用課程組GPS原理及其應用原理及其應用( (一一) )GPS原理及其應用原理及其應用第一章第一章緒緒 論論1.1 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景1.2 GPS在各個領域中的應用在各個領域中的應用GPS原理及其應用原理及其應用1.1 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景GPS原理及其應用原理及其應用什么是什么是GPS？ GPS的英文全稱是的英文全稱是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position Sys

2、tem簡稱簡稱GPS，有時也被稱作，有時也被稱作NAVSTAR GPS。其意為其意為“導航星測時與測距全球導航星測時與測距全球定位系統定位系統”，或簡稱全球定位系，或簡稱全球定位系統。統。緒論緒論 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 什么是全球定位系統什么是全球定位系統GPS原理及其應用原理及其應用GPS概述概述 建立國家建立國家 美國美國 目的目的 在全球范圍內，提供實時、連續、全天候的導在全球范圍內，提供實時、連續、全天候的導航定位及授時服務航定位及授時服務 開始籌建時間開始籌建時間 1973年年 完全建成時間完全建成時間 1995年年緒論緒論 全球定位系統的產生

3、、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 GPS概述概述GPS原理及其應用原理及其應用GPS概述概述 系統構成系統構成 空間部分、地面控制部分、用戶部分空間部分、地面控制部分、用戶部分 服務方式服務方式 通過由多顆衛星所組成的衛星星座提供導航定位服務通過由多顆衛星所組成的衛星星座提供導航定位服務 定位原理定位原理 距離交會距離交會 測距原理測距原理 被動式電磁波測距被動式電磁波測距 特點特點 全球覆蓋、全天候、不間斷、精度高全球覆蓋、全天候、不間斷、精度高緒論緒論緒論緒論 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 GPS概述概述GPS原理及其應用原理及其應用常規（地面）定

4、位方法常規（地面）定位方法 近、現代的常規定位方法近、現代的常規定位方法 采用的儀器設備采用的儀器設備 尺：銦鋼尺尺：銦鋼尺 光學儀器：經緯儀，水準儀光學儀器：經緯儀，水準儀 電磁波或激光儀器：測距儀電磁波或激光儀器：測距儀 綜合多種技術的儀器：全站儀綜合多種技術的儀器：全站儀 觀測值觀測值 角度或方向觀測角度或方向觀測 距離觀測距離觀測 天文觀測方法天文觀測方法緒論緒論 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 常規（地面）定位方法常規（地面）定位方法GPS原理及其應用原理及其應用常規定位方法的局限性常規定位方法的局限性 需要事先布設大量的地面控制點需要事先布設大量的地面

5、控制點/地面站地面站 無法同時精確確定點的三維坐標無法同時精確確定點的三維坐標 觀測受氣候、環境條件限制觀測受氣候、環境條件限制 觀測點之間需要保證通視觀測點之間需要保證通視 需要修建覘標需要修建覘標/架設高大的天線架設高大的天線 邊長受到限制邊長受到限制 觀測難度大觀測難度大 效率低：無用的中間過渡點效率低：無用的中間過渡點 受系統誤差影響大，如地球旁折光受系統誤差影響大，如地球旁折光 難以確定地心坐標難以確定地心坐標緒論緒論 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 常規（地面）定位方法的局限性常規（地面）定位方法的局限性GPS原理及其應用原理及其應用子午衛星系統及其局

6、限性子午衛星系統及其局限性 系統簡介系統簡介 NNSS Navy Navigation Satellite System（海軍導航衛星系統），由（海軍導航衛星系統），由于其衛星軌道為極地軌道，故也稱于其衛星軌道為極地軌道，故也稱為為Transit（子午衛星系統）（子午衛星系統） 采用利用多普勒效應進行導航定位，采用利用多普勒效應進行導航定位，也被稱為多普勒定位系統也被稱為多普勒定位系統 美國研制、建立美國研制、建立 1964年年1月建成月建成 1967年年7月解密供民用月解密供民用子午衛星子午衛星子午衛星星座子午衛星星座緒論緒論 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 子

7、午衛星系統及其局限性子午衛星系統及其局限性GPS原理及其應用原理及其應用子午衛星系統及其局限性子午衛星系統及其局限性 系統組成系統組成 空間部分空間部分 衛星：發送導航定位信號（信號：衛星：發送導航定位信號（信號：4.9996MHz 30 = 149.988MHz；4.9996MHz 80 = 399.968MHz；星；星歷）歷） 衛星星座衛星星座 由由6顆衛星構成，顆衛星構成，6軌道面，軌道面，軌道高度軌道高度1075km 地面控制部分地面控制部分 包括：跟蹤站、計算中心、注入站、包括：跟蹤站、計算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺控制中心和海軍天文臺 用戶部分用戶部分 多普勒接收機多普勒接

8、收機大地測量多普勒接收大地測量多普勒接收機機 - 1（MX1502）大地測量多普勒接收大地測量多普勒接收機機 - 2（CMA751）緒論緒論 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 子午衛星系統及其局限性子午衛星系統及其局限性GPS原理及其應用原理及其應用子午衛星系統及其局限性子午衛星系統及其局限性 應用領域應用領域 海上船舶的定位海上船舶的定位 大地測量大地測量 精度精度 單點定位：單點定位：15次合格衛星通次合格衛星通過（兩次通過之間的時間間過（兩次通過之間的時間間隔為隔為0.8h 1.6h），精度約為），精度約為10m 聯測定位：聯測定位： 各站共同觀測各站共同觀測

9、17次合格衛星通過，精度約為次合格衛星通過，精度約為0.5m多普勒聯測定位多普勒聯測定位多普勒單點定位多普勒單點定位緒論緒論 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 子午衛星系統及其局限性子午衛星系統及其局限性GPS原理及其應用原理及其應用子午衛星系統及其局限性子午衛星系統及其局限性 系統缺陷系統缺陷 衛星少，觀測時間和衛星少，觀測時間和間隔時間長，無法提間隔時間長，無法提供實時導航定位服務供實時導航定位服務 導航定位精度低導航定位精度低 衛星信號頻率低，不衛星信號頻率低，不利于補償電離層折射利于補償電離層折射效應的影響效應的影響 衛星軌道低，難以進衛星軌道低，難以進行精

10、密定軌行精密定軌TRANSIT系統系統 衛星：衛星：6顆顆 極地軌道極地軌道 軌道高度：軌道高度：1075km 信號頻率：信號頻率：400MHz、150MHz 絕對定位精度：絕對定位精度：1m 相對定位精度：相對定位精度：0.1m0.5m 定位原理：多普勒定位定位原理：多普勒定位 存在問題：衛星少，無法實現實時存在問題：衛星少，無法實現實時定位；軌道低，難以精密定軌；頻定位；軌道低，難以精密定軌；頻率低，難以消除電離層影響率低，難以消除電離層影響。緒論緒論 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 子午衛星系統及其局限性子午衛星系統及其局限性GPS原理及其應用原理及其應用G

11、PS的發展簡史的發展簡史方案論證階段方案論證階段 1973年年12月，美國國防部批準研制月，美國國防部批準研制GPS。 1978年年2月月22日，第日，第1顆顆GPS試驗衛星發射成試驗衛星發射成功。功。 從從1973年到年到1979年，共發射了年，共發射了4顆試驗衛星。顆試驗衛星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網。 緒論緒論 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 GPS的發展簡史的發展簡史GPS原理及其應用原理及其應用GPS的發展簡史的發展簡史全面研制和試驗階段全面研制和試驗階段 從從1979年到年到1987年，又陸續發射了年，又陸續發

12、射了7顆試驗顆試驗衛星，研制了各種用途接收機。實驗表明，衛星，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。定位精度遠遠超過設計標準。 緒論緒論 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 GPS的發展簡史的發展簡史GPS原理及其應用原理及其應用GPS的發展簡史的發展簡史實用組網階段實用組網階段 1989年年2月月14日，第日，第1顆顆GPS工作衛星發射成工作衛星發射成功。功。 1991年，在海灣戰爭中，年，在海灣戰爭中，GPS首次大規模用首次大規模用于實戰。于實戰。 1993年底實用的年底實用的GPS網即（網即（21+3）GPS星座星座已經建成，今后將根據

13、計劃更換失效的衛星。已經建成，今后將根據計劃更換失效的衛星。 1995年年7月月17日，日，GPS達到達到FOC 完全運行完全運行能力（能力（Full Operational Capability）。）。緒論緒論 全球定位系統的產生、發展及前景全球定位系統的產生、發展及前景 GPS的發展簡史的發展簡史GPS原理及其應用原理及其應用1.2 GPS在各個領域中的應用在各個領域中的應用GPS原理及其應用原理及其應用GPS在軍事中的應用在軍事中的應用GPS導航的艦載飛彈導航的艦載飛彈 配備配備GPS的士兵的士兵 美國海軍核潛艇美國海軍核潛艇 緒論緒論 GPS在各個領域中的應用在各個領域中的應用GPS原

14、理及其應用原理及其應用GPS在交通運輸業中的應用在交通運輸業中的應用 航運、航空搜索航運、航空搜索 陸路交通（車輛導航、監控）陸路交通（車輛導航、監控） 船舶遠洋導航和進港引水船舶遠洋導航和進港引水緒論緒論 GPS在各個領域中的應用在各個領域中的應用GPS原理及其應用原理及其應用GPS在測量中的應用在測量中的應用 建立和維持全球性的參考框架建立和維持全球性的參考框架緒論緒論 GPS在各個領域中的應用在各個領域中的應用GPS原理及其應用原理及其應用GPS在測量中的應用在測量中的應用 板塊運動和監測板塊運動和監測緒論緒論 GPS在各個領域中的應用在各個領域中的應用GPS原理及其應用原理及其應用GP

15、S在測量中的應用在測量中的應用 建立各級國家平面控制網建立各級國家平面控制網緒論緒論 GPS在各個領域中的應用在各個領域中的應用GPS原理及其應用原理及其應用GPS在測量中的應用在測量中的應用 布設城市控制網、工程測量控制網，進行各布設城市控制網、工程測量控制網，進行各種工程測量種工程測量市話網市話網市話網市話網市話網深圳市連續運行衛星定位導航服務系統結構及通信網絡示意圖深圳市連續運行衛星定位導航服務系統結構及通信網絡示意圖市電信局監控分析中心衛星定位信號發射臺FM電臺基準站1基準站2基準站3基準站4基準站5進入移動電話系統用戶用戶全向天線定向天線Modem緒論緒論 GPS在各個領域中的應用在

16、各個領域中的應用GPS原理及其應用原理及其應用GPS在測量中的應用在測量中的應用 在航空攝影測量、地籍測量、海洋測量中的在航空攝影測量、地籍測量、海洋測量中的應用應用緒論緒論 GPS在各個領域中的應用在各個領域中的應用GPS原理及其應用原理及其應用GPS在其他領域中的應用在其他領域中的應用 精細農業精細農業 遙感遙感 衛星定軌衛星定軌 資源勘探資源勘探 個人旅游及野外探險個人旅游及野外探險 電力、廣播、電視、通訊等網絡的時間同步、電力、廣播、電視、通訊等網絡的時間同步、時間傳遞時間傳遞 .緒論緒論 GPS在各個領域中的應用在各個領域中的應用 武漢大學武漢大學 測繪學院測繪學院 GPSGPS原理

17、及其應用課程組原理及其應用課程組GPS原理及其應用原理及其應用 ( (二二) )GPS原理及其應用原理及其應用第一章第一章緒緒 論論1.3 美國政府的美國政府的GPS政策政策1.4 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統GPS原理及其應用原理及其應用1.3 美國政府的美國政府的GPS政策政策GPS原理及其應用原理及其應用美國政府的美國政府的GPS政策政策 SPS與與PPS SPS 標準定位服務標準定位服務 使用使用C/A碼，民用碼，民用 2DRMS水平水平=100 m 2DRMS垂直垂直=150-170 m 2DRMS時間時間=340 ns PPS 精密定位服務精密定位服務 可使用可使用P碼

18、，軍用碼，軍用 2DRMS水平水平=22 m 2DRMS垂直垂直=27.7 m 2DRMS時間時間=200 ns緒論緒論 美國政府的美國政府的GPS政策政策GPS原理及其應用原理及其應用美國政府的美國政府的GPS政策政策 SA技術（技術（1990.3.252000.5.1） Selective Availability 選擇可用性選擇可用性 人為降低普通用戶的測量精度。方法人為降低普通用戶的測量精度。方法: 技術：降低星歷精度（加入隨機變化）技術：降低星歷精度（加入隨機變化） 技術：衛星鐘加高頻抖動技術：衛星鐘加高頻抖動（短周期，快變化）（短周期，快變化） AS技術（技術（1994.1.31至

19、今）至今） Anti-Spoofing 反電子欺騙反電子欺騙 P碼加密，碼加密，P+WY緒論緒論 美國政府的美國政府的GPS政策政策GPS原理及其應用原理及其應用GPS現代化現代化 1999年年1月月25日，美國副總統戈爾宣布，將日，美國副總統戈爾宣布，將斥資斥資40億美元，進行億美元，進行GPS現代化。現代化。 GPS現代化實質是要加強現代化實質是要加強GPS對美軍現代化對美軍現代化戰爭中的支撐和保持全球民用導航領域中的戰爭中的支撐和保持全球民用導航領域中的領導地位。領導地位。緒論緒論 美國政府的美國政府的GPS政策政策GPS原理及其應用原理及其應用GPS現代化現代化 GPS現代化的內涵：現

20、代化的內涵： 保護。即保護。即GPS現代化是為了更好地保護美方和現代化是為了更好地保護美方和友好方的使用，要發展軍碼和強化軍碼的保密友好方的使用，要發展軍碼和強化軍碼的保密性能，加強抗干擾能力；性能，加強抗干擾能力； 阻止。即阻擾敵對方的使用，施加干擾，施加阻止。即阻擾敵對方的使用，施加干擾，施加SA，AS等；等； 保持。即是保持在有威脅地區以外的民用用戶保持。即是保持在有威脅地區以外的民用用戶有更精確更安全的使用。有更精確更安全的使用。緒論緒論 美國政府的美國政府的GPS政策政策GPS原理及其應用原理及其應用GPS現代化現代化 GPS現代化第一階段現代化第一階段 發射發射12顆改進型的顆改進

21、型的BLOCK R型衛星。型衛星。 GPS現代化第二階段現代化第二階段 發射發射6顆顆GPS BLOCK F （“FLite”）。）。 GPS現代化計劃的第三階段現代化計劃的第三階段 發射發射GPS BLOCK 型衛星，在型衛星，在2003年前完成年前完成代號為代號為GPS 的的 GPS完全現代化計劃設計工作。完全現代化計劃設計工作。緒論緒論 美國政府的美國政府的GPS政策政策GPS原理及其應用原理及其應用1.4其他衛星導航定位系統的概況其他衛星導航定位系統的概況GPS原理及其應用原理及其應用其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統GLONASS GLONASS Global Navigati

22、on Satellite System（全球導航衛星系統）（全球導航衛星系統） 開發者開發者 俄羅斯（前蘇聯）俄羅斯（前蘇聯） 系統構成系統構成 衛星星座衛星星座 地面控制部分地面控制部分 用戶設備用戶設備緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 GLONASSGPS原理及其應用原理及其應用GLONASS constellationGLONASS satelliteP24P24緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 GLONASS其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統GLONASSGPS原理及其應用原理及其應用 GLONASS與與GPS的比較的比較參 數GLONASSN

23、AVSTAR GPS系統中的衛星數213213軌道平面數36軌道傾角64.8 55軌道高度19100km20180km軌道周期（恒星時）11h15min12h衛星信號的區分FDMACDMAL1頻率16021615MHz頻道間隔0.5625MHz1575MHzL2頻率12461256MHz頻道間隔0.4375MHz1228MHz緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 GLONASSGPS原理及其應用原理及其應用其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統GLONASS 衛星運行狀況衛星運行狀況 從從1982年年10月月12日發射第一顆日發射第一顆GLONASS衛星起，衛星起，至至1995

24、年年12月月14日共發射了日共發射了73顆衛星。顆衛星。 由于衛星壽命過短，加之俄羅斯前一段時間經由于衛星壽命過短，加之俄羅斯前一段時間經濟狀況欠佳，無法及時補充新衛星，故該系統濟狀況欠佳，無法及時補充新衛星，故該系統不能維持正常工作。不能維持正常工作。 到目前為止（到目前為止（2006年年3月月20日）日）,GLONASS系統系統共有共有17顆衛星在軌。其中有顆衛星在軌。其中有11顆衛星處于工作顆衛星處于工作狀態，狀態，2顆備用，顆備用，4顆已過期而停止使用。俄羅顆已過期而停止使用。俄羅斯計劃到斯計劃到2007年使年使GLONASS系統的工作衛星數系統的工作衛星數量至少達到量至少達到18顆，

25、開始發揮導航定位功能。顆，開始發揮導航定位功能。緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 GLONASSGPS原理及其應用原理及其應用其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統Galileo 伽俐略（伽俐略（Galileo）衛星導航定位系統）衛星導航定位系統 2002年年3月月24日歐盟決定研制組建自己的民用衛日歐盟決定研制組建自己的民用衛星導航定位系統星導航定位系統 Galileo系統。系統。 Galileo衛星星座將由衛星星座將由27顆工作衛星和顆工作衛星和3顆備用衛顆備用衛星組成，這星組成，這30顆衛星將均勻分布在顆衛星將均勻分布在3個軌道平面個軌道平面上，衛星高度為上，衛星高度

26、為23616km，軌道傾角為，軌道傾角為56。 Galileo系統是一種多功能的衛星導航定位系統，系統是一種多功能的衛星導航定位系統，具有公開服務、安全服務、商業服務和政府服具有公開服務、安全服務、商業服務和政府服務等功能，但只有前兩種服務是自由公開的，務等功能，但只有前兩種服務是自由公開的，后兩種服務則需經過批準后才能使用。后兩種服務則需經過批準后才能使用。緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 GalileoGPS原理及其應用原理及其應用the Galileo satellite constellation altitude 23616 kmSMA 29993.707 kmin

27、clination 56 degrees period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 daysG G G GA A L LI IL LE E O OA A L LI IL LE E O OD D A A T TA AD D A A T TA A27 + 3 satellites in three Medium Earth Orbits (MEO)Walker 27/3/1ConstellationP26P26其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統Galileo緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 GalileoGPS原理

28、及其應用原理及其應用其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統Galileo 2005年年12月月28日第一顆日第一顆Galileo試驗衛星（試驗衛星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GlOVE-A）成功進入）成功進入高度為高度為2.3萬萬Km的預定軌道。的預定軌道。2006年年1月月12日，日，GlOVE-A已開始向地面發送信號。已開始向地面發送信號。 這標志著總投資為這標志著總投資為34億歐元（約合億歐元（約合41億美元）的計億美元）的計劃已進入實施階段。到劃已進入實施階段。到2010年歐洲將發射年歐洲將發射30顆服役顆服役期約為期約為20年的正式衛

29、星，完成伽利略衛星星座的部年的正式衛星，完成伽利略衛星星座的部署工作。署工作。 伽利略系統建成后，美歐兩大相互兼容的導航定位伽利略系統建成后，美歐兩大相互兼容的導航定位系統將大大有助于提供導航定位的精度和可靠性。系統將大大有助于提供導航定位的精度和可靠性。P28P28緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 GalileoGPS原理及其應用原理及其應用GIOVE A GIOVE B the GIOVE SatelliteP29P29其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統Galileo GIOVE的主要目標的主要目標: 頻率信號測試；頻率信號測試； 驗證一些關鍵技術（比如銣原子鐘、氫

30、原子鐘）；驗證一些關鍵技術（比如銣原子鐘、氫原子鐘）； 軌道環境特征測試；軌道環境特征測試； 并行并行2或或3通道信號傳輸測試。通道信號傳輸測試。緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 GalileoGPS原理及其應用原理及其應用其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統 我國自行研制的兩顆北斗我國自行研制的兩顆北斗導航試驗衛星分別于導航試驗衛星分別于2000年年10月月31日和日和12月月20日從日從西昌衛星發射中心升空并西昌衛星發射中心升空并準確進入預定的地球同步準確進入預定的地球同步軌道（東經軌道（東經80和和140的赤的赤道上空），此外另一顆備

31、道上空），此外另一顆備用衛星也被送入預定軌道用衛星也被送入預定軌道（東經（東經110.5的赤道上空），的赤道上空），標志著我國擁有了自己的標志著我國擁有了自己的第一代衛星導航系統第一代衛星導航系統BD1。緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統 GPS原理及其應用原理及其應用北斗1代衛星導航系統組成圖P32P32其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統 “北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統”系統是由空間衛星、地系統是由空間衛星、地面控制中心站和北斗用面控制中心站和北斗用戶終端三部分構成。戶終端三部分構成。 空間部分包括兩

32、顆地球空間部分包括兩顆地球同步軌道衛星（同步軌道衛星（GEO）組成。衛星上帶有信號組成。衛星上帶有信號轉發裝置，完成地面控轉發裝置，完成地面控制中心站和用戶終端之制中心站和用戶終端之間的雙向無線電信號的間的雙向無線電信號的中繼任務。中繼任務。緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統 GPS原理及其應用原理及其應用其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統用戶終端分為定位通信終端集團用戶管理站終端差分終端校時終端等緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統 GPS原理及其應用原理及

33、其應用其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統 與與GPS系統不同，所有用戶終端位置的計算都是在系統不同，所有用戶終端位置的計算都是在地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留地面控制中心站完成。因此，控制中心可以保留全部北斗終端用戶機的位置及時間信息。同時，全部北斗終端用戶機的位置及時間信息。同時，地面控制中心站還負責整個系統的監控管理。地面控制中心站還負責整個系統的監控管理。 與與GPS、GLONASS、Galileo等國外的衛星導航系等國外的衛星導航系統相比，統相比，BD1有自己的優點。如投資少，組建快；有自己的優點。如投資少，組建快；具有通信功能；捕獲信

34、號快等。但也存在著明顯具有通信功能；捕獲信號快等。但也存在著明顯的不足和差距，如用戶隱蔽性差；無測高和測速的不足和差距，如用戶隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數量受限制；用戶的設備體積大、重功能；用戶數量受限制；用戶的設備體積大、重量重、能耗大等。量重、能耗大等。緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統 GPS原理及其應用原理及其應用其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統 BD2 為了使我國的衛星導航定位系統的性能有實質為了使我國的衛星導航定位系統的性能有實質性的提高，中央已決定研制組建第二代北斗衛性的提高，中央已決

35、定研制組建第二代北斗衛星導航定位系統（星導航定位系統（BD2）。從導航體制、測距）。從導航體制、測距方法、衛星星座、信號結構及接收機等方面進方法、衛星星座、信號結構及接收機等方面進行全面改進。衛星星座計劃由行全面改進。衛星星座計劃由GEO衛星，衛星，IGSO衛星和衛星和MEO衛星組成。此項工作將成為衛星組成。此項工作將成為”十一十一五五”期間的一項重要工作。期間的一項重要工作。P33P33緒論緒論 其它衛星導航定位系統其它衛星導航定位系統 北斗衛星導航系統北斗衛星導航系統 武漢大學武漢大學 測繪學院測繪學院 GPSGPS原理及其應用課程組原理及其應用課程組GPS原理及其應用原理及其應用 ( (

36、三三) )GPS原理及其應用原理及其應用第二章第二章全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構2.1 全球定位系統的組成全球定位系統的組成GPS原理及其應用原理及其應用2.1 全球定位系統的組成全球定位系統的組成GPS原理及其應用原理及其應用GPS的系統組成的系統組成 GPS系統由三部分組成系統由三部分組成 空間部分空間部分 地面控制部分地面控制部分 用戶設備部分用戶設備部分全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成GPS原理及其應用原理及其應用GPS的空間部分的空間部分 GPS的空間部分的組成的空間部分的組成 GPS衛星星座衛星星座全球定位系統

37、的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分 6個軌道面 平均軌道高度20200km 軌道傾角55 周期11h 58min（顧及地球自轉，地球-衛星的幾何關系每天提前4min重復一次）GPS原理及其應用原理及其應用GPS的空間部分的空間部分全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分 GPS衛星星座衛星星座 設計星座：設計星座：21+3 21顆正式的工作衛星顆正式的工作衛星+3顆活動的備用衛星顆活動的備用衛星 保證在每天保證在每天24小時的任何時刻，在小時的任何時刻，在高度角高度角15

38、以以上，能夠同時觀測到上，能夠同時觀測到4顆以上衛星顆以上衛星 當前星座：當前星座：28顆顆GPS原理及其應用原理及其應用GPS的空間部分的空間部分全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應用原理及其應用GPS的空間部分的空間部分 GPS衛星的地面軌跡衛星的地面軌跡全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應用原理及其應用GPS的空間部分的空間部分 GPS衛星衛星 作用：作用： 接收、存儲導航電文接收、存儲導航電文 生成用于導航定位的信號（測

39、距碼、載波）生成用于導航定位的信號（測距碼、載波） 發送用于導航定位的信號（采用雙相調制法調制在載波上的測發送用于導航定位的信號（采用雙相調制法調制在載波上的測距碼和導航電文）距碼和導航電文） 接受地面指令，進行相應操作接受地面指令，進行相應操作 其他特殊用途，如通訊、監測核暴等。其他特殊用途，如通訊、監測核暴等。 主要設備主要設備 太陽能電池板太陽能電池板 原子鐘（原子鐘（2臺銫鐘、臺銫鐘、2臺銣鐘）臺銣鐘） 信號生成與發射裝置信號生成與發射裝置 全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應用原理及其應用 GPS衛星

40、（續）衛星（續） 類型類型 試驗衛星：試驗衛星：Block 工作衛星：工作衛星：Block Block ：存儲星歷能力為：存儲星歷能力為14天，具有天，具有SA和和AS地能力地能力 Block A （Advanced）：衛星間可相互通訊，存儲星歷能）：衛星間可相互通訊，存儲星歷能力為力為180天，天，SV35和和SV36帶有激光反射棱鏡帶有激光反射棱鏡 Block R （Replacement/Replenishment）：衛星間可相互）：衛星間可相互跟蹤相互通訊跟蹤相互通訊 Block F（Follow On）：新一代的）：新一代的GPS衛星衛星,增設第三民增設第三民用頻率用頻率GPS的空間

41、部分的空間部分全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應用原理及其應用GPS的空間部分的空間部分Block IIRBlock IIABlock IIABlock IIRBlock IIFBlock IIR不同類型的不同類型的GPS衛星衛星全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的空間部分的空間部分GPS原理及其應用原理及其應用GPS的空間部分的空間部分 當前的衛星狀態當前的衛星狀態全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的空間部分

42、的空間部分SUBJ: GPS STATUS 26 MAR 20041. SATELLITES, PLANES, AND CLOCKS (CS=CESIUM RB=RUBIDIUM):A. BLOCK I : NONE B. BLOCK II: PRNS 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13, 14, 15 PLANE : SLOT F4, B5, C2, D4, B4, C1, C4, A3, A1, E3, D2, F3, F1, D5 CLOCK : CS, CS, CS, RB, CS, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB,

43、 CS BLOCK II: PRNS 16, 17, 18, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31 PLANE : SLOT B1, D6, E4, E1, D3, E2, D1, A2, F2, A4, B3, F5, B2, C3 CLOCK : RB, RB, RB, RB, RB, RB, CS, CS, RB, RB, RB, RB, RB, RBGPS原理及其應用原理及其應用GPS的地面監控部分的地面監控部分 地面監控部分地面監控部分 （Ground Segment） 組成組成 主控站：主控站：1個個 監測站：監測站：5個個 注入站：

44、注入站：3個個 通訊與輔助系統通訊與輔助系統GPS衛星注入站監測站主控站全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的地面監控部分的地面監控部分 GPS原理及其應用原理及其應用主控站監測站注入站大西洋太平洋印度洋GPS的地面監控部分的地面監控部分 地面監控部分地面監控部分 （Ground Segment）（續）（續） 分布分布全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的地面監控部分的地面監控部分 GPS原理及其應用原理及其應用GPS的地面監控部分的地面監控部分 監測站（監測站（5個）個） 作用：作用：接收衛星數據

45、，接收衛星數據，采集氣象信息，采集氣象信息，并將所收集到的并將所收集到的數據傳送給主控數據傳送給主控站。站。 地點：地點：夏威夷、主控站夏威夷、主控站及三個注入站。及三個注入站。全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的地面監控部分的地面監控部分 GPS原理及其應用原理及其應用GPS的地面監控部分的地面監控部分 主控站（主控站（1個）個） 作用：作用： 管理、協調地面監控系統各部分的工作， 收集各監測站的數據，編制導航電文，送往注入站將衛星星歷注入衛星， 監控衛星狀態，向衛星發送控制指令； 衛星維護與異常情況的處理。 地點：美國科羅拉多州法爾地點：美

46、國科羅拉多州法爾孔空軍基地。孔空軍基地。全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的地面監控部分的地面監控部分 GPS原理及其應用原理及其應用GPS的地面監控部分的地面監控部分 注入站（注入站（3個）個） 作用：作用：將導航電文注入將導航電文注入GPS衛星。衛星。 地點：地點：阿松森群島（大西阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋）加蘭（太平洋）全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的地面監控部分的地面監控部分 GPS原理及其應用原理及其應用GPS的用戶

47、部分的用戶部分 組成組成 用戶用戶 接收設備接收設備 接收設備接收設備 GPS信號接收機信號接收機 其它儀器設備其它儀器設備全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應用原理及其應用GPS的用戶部分的用戶部分 GPS信號接收機信號接收機 組成組成 天線單元天線單元 帶前置放大器帶前置放大器 接收天線接收天線 接收單元接收單元 信號通道信號通道 存儲器存儲器 微處理器微處理器 輸入輸出設備輸入輸出設備 電源電源天線單元天線單元接收單元接收單元全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 G

48、PS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應用原理及其應用GPS的用戶部分的用戶部分 天線單元天線單元 類型類型 單極天線單極天線 微帶天線微帶天線 錐形（螺旋）天線錐形（螺旋）天線 四絲螺旋天線四絲螺旋天線 空間螺旋天線空間螺旋天線 背腔平面盤旋天線背腔平面盤旋天線單極天線微帶天線空間螺旋天線四絲螺旋天線背腔平面盤旋天線GPS天線天線全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應用原理及其應用GPS的用戶部分的用戶部分 天線單元（續）天線單元（續） 特點特點 單極天線單極天線 單頻或雙頻（雙極結構）、需要較大的底板、相位中

49、心穩定、結單頻或雙頻（雙極結構）、需要較大的底板、相位中心穩定、結構簡單構簡單 微帶天線微帶天線 結構簡單、單頻或雙頻、側視角低（適合于機載應用）、低增益、結構簡單、單頻或雙頻、側視角低（適合于機載應用）、低增益、應用最為廣泛應用最為廣泛 錐形（螺旋）天線錐形（螺旋）天線 四絲螺旋天線四絲螺旋天線 單頻、難以調整相位和極化方式、非方位對稱、單頻、難以調整相位和極化方式、非方位對稱、增益特性好、不需要底板增益特性好、不需要底板 空間螺旋天線空間螺旋天線 雙頻、增益特性好、側視角高、非方位對稱雙頻、增益特性好、側視角高、非方位對稱 背腔平面盤旋天線背腔平面盤旋天線全球定位系統的組成及信號結構全球定

50、位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應用原理及其應用GPS的用戶部分的用戶部分 天線單元天線單元 天線特性天線特性 相位中心、增益方式、帶寬、相位中心、增益方式、帶寬、極化極化 相位中心相位中心 平均相位中心與幾何中心平均相位中心與幾何中心 相位中心的偏移相位中心的偏移 相位中心偏移的消除：歸心相位中心偏移的消除：歸心改正、消去法改正、消去法 天線高天線高 標志至平均相位中標志至平均相位中心所在平面的垂直距離心所在平面的垂直距離L2的平均相位中心12L1的平均相位中心sincosrYYrXX平均相位中心幾何中心平均相位中心幾何中心r1r2HHHH

51、hHRhHHH22R全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應用原理及其應用GPS的用戶部分的用戶部分 接收單元接收單元 接收（信號）通道接收（信號）通道 定義：接收機中用來跟蹤、處理、量測衛星信號的部件，由無定義：接收機中用來跟蹤、處理、量測衛星信號的部件，由無線電元器件、數字電路等硬件和專用軟件所組成。線電元器件、數字電路等硬件和專用軟件所組成。 類型：根據信號跟蹤方式：序慣通道、多路復用通道和多通道；類型：根據信號跟蹤方式：序慣通道、多路復用通道和多通道；根據工作原理：碼相關通道、平方通道等根據工作原理：碼相關

52、通道、平方通道等 存儲器存儲器 微處理器微處理器 作用：數據處理、控制作用：數據處理、控制 輸入輸出設備輸入輸出設備 電源電源前置放大器信號通道天線觀測值全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分GPS原理及其應用原理及其應用GPS的用戶部分的用戶部分信號通道微處理器輸入輸出存儲器電源全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS的組成的組成 GPS的用戶部分的用戶部分 武漢大學武漢大學 測繪學院測繪學院 GPSGPS原理及其應用課程組原理及其應用課程組GPS原理及其應用原理及其應用 ( (四四) )GPS原理及其

53、應用原理及其應用第二章第二章全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構2.2 GPS衛星的信號結構衛星的信號結構GPS原理及其應用原理及其應用GPS衛星信號結構衛星信號結構全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS衛星信號結構衛星信號結構GPS原理及其應用原理及其應用概述概述 GPS衛星信號的組成部分衛星信號的組成部分 載波（載波（Carrier） L1 L2 測距碼（測距碼（Ranging Code） C/A碼（目前只被調制在碼（目前只被調制在L1上）上） P(Y)碼（被分別調制在碼（被分別調制在L1和和L2上）上） 衛星（導航）電文（衛星（導航）電文（M

54、essage） GPS衛星信號的生成衛星信號的生成 關鍵設備關鍵設備 原子鐘原子鐘全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS衛星信號結構衛星信號結構 概述概述GPS原理及其應用原理及其應用GPS衛星的基準頻率衛星的基準頻率 f0 由衛星上的原子鐘直接產生由衛星上的原子鐘直接產生 頻率為頻率為10.23MHz 衛星信號的所有成分均是該基準頻率的倍頻衛星信號的所有成分均是該基準頻率的倍頻或分頻或分頻1012020001541575.42MHz;19.03cm1201227.60MHz;24.42cm/101.023MHz;10.23MHz;2046000050LLLLffff

55、C AfPffHz碼碼率碼碼率衛星（導航）電文碼率全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS衛星信號結構衛星信號結構 GPS衛星的基準頻率衛星的基準頻率 GPS原理及其應用原理及其應用載波載波 作用作用 搭載其它調制信號搭載其它調制信號 測距測距 測定多普勒頻移測定多普勒頻移 類型類型 目前目前 L1 頻率：頻率： 154 f0 = 1575.43MHz；波長：；波長：19.03cm L2 頻率：頻率： 120 f0 = 1227.60MHz；波長：；波長：24.42cm 現代化后現代化后 增加增加L5 頻率：頻率：115 f0 = 1176.45MHz；波長：；波長：2

56、5.48cmL119.03c mL224.42c m全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS衛星信號結構衛星信號結構 載波載波GPS原理及其應用原理及其應用載波載波 特點特點 所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移所選擇的頻率有利于測定多普勒頻移 所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折所選擇的頻率有利于減弱信號所受的電離層折射影響射影響 選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折選擇兩個頻率可以較好地消除信號的電離層折射延遲（電離層折射延遲于信號的頻率有關）射延遲（電離層折射延遲于信號的頻率有關）全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS衛星信號結構衛星

57、信號結構 載波載波GPS原理及其應用原理及其應用測距碼測距碼 作用作用 測距測距 性質性質 為偽隨機噪聲碼（為偽隨機噪聲碼（PRN Pseudo Random Noise） 不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關不同的碼（包括未對齊的同一組碼）間的相關系數為系數為0或或1/n（n為碼元數）為碼元數） 對齊的同一組碼間的相關系數為對齊的同一組碼間的相關系數為1全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS衛星信號結構衛星信號結構 測距碼測距碼GPS原理及其應用原理及其應用測距碼測距碼 類型類型 目前目前 C/A碼（碼（Coarse/Acquisition Code） 粗碼粗碼

58、/捕獲碼；捕獲碼；碼率：碼率：1.023MHz；周期：；周期：1ms；1周期含碼元數：周期含碼元數：1023；碼元寬度：；碼元寬度：293.05m；僅被調制在；僅被調制在L1上上 P（Y）碼（）碼（Precise Code） 精碼；碼率：精碼；碼率：10.23MHz；周期：；周期：7天；天；1周期含碼元數：周期含碼元數：6187104000000；碼元寬度：；碼元寬度：29.30m；被調制在；被調制在L1和和L2上上 現代化后現代化后 在在L2上調制上調制C/A碼碼 在在L1和和L2增加調制增加調制M碼碼全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS衛星信號結構衛星信號結構

59、測距碼測距碼GPS原理及其應用原理及其應用衛星（導航）電文衛星（導航）電文 作用：向用戶提供衛星軌道參數、衛星鐘參作用：向用戶提供衛星軌道參數、衛星鐘參數、衛星狀態信息及其它信息數、衛星狀態信息及其它信息 基本結構基本結構.第1字遙測字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第1子幀（第1數據塊）(300bits)第1字遙測字(30bits)第2字交接字(30bits).第10字(30bits)第2子幀（第2數據塊）(300bits)第3子幀（第2數據塊）(300bits)第4子幀（第3數據塊）(300bits)第5子幀（第3數據塊）(300bits)第1主幀(1

60、500bits)第2主幀(1500bits).第1子幀（第1數據塊）(300bits).第5子幀（第3數據塊）(300bits)第25主幀(1500bits)導航電文全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS衛星信號結構衛星信號結構 衛星（導航）電文衛星（導航）電文GPS原理及其應用原理及其應用衛星（導航）電文衛星（導航）電文 基本內容基本內容全球定位系統的組成及信號結構全球定位系統的組成及信號結構 GPS衛星信號結構衛星信號結構 衛星（導航）電文衛星（導航）電文GPS原理及其應用原理及其應用衛星（導航）電文衛星（導航）電文 遙測字（遙測字（TLM Telemetry W