【正文】 GPS測量原理及應(yīng)用 第一部分 GPS原理概要 ? 發(fā)展簡史 ? 系統(tǒng)組成 ? 工作原理 ? 信號結(jié)構(gòu) ? 誤差來源 ? 定位類型 第一章 GPS發(fā)展簡史 “哪兒？”與“怎么去？” 現(xiàn)代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) ? TRANSIT 與 CICADA – 多普勒導(dǎo)航定位系統(tǒng) ? GPS與 GLONASS – NAVSTARGPS: NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System. （ 美國） – GLONASS: GLObal NAvigation Satellite System. （俄羅斯） 第二章 GPS的系統(tǒng)及其信號 第一節(jié) GPS的系統(tǒng)構(gòu)成 ? 空間部分 ? 控制部分 ? 用戶部分 ? （地面部分） 一、 GPS的空間部分 ? GPS的空間部分是由由 GPS衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星星座所構(gòu)成。 ? GPS衛(wèi)星的類型： – Block Ⅰ （ 實驗衛(wèi)星） – Block Ⅱ （ 正式工作衛(wèi)星） – Block Ⅱ A（ 正式工作衛(wèi)星） – Block Ⅱ R（ 正式工作衛(wèi)星） – Block Ⅱ F（ 正式工作衛(wèi)星） 一、 GPS的空間部分（續(xù)） ? GPS衛(wèi)星的組成： – 原子鐘 – 無線電發(fā)射器 – 計算機 一、 GPS的空間部分（續(xù)） Block Ⅰ 衛(wèi)星 一、 GPS的空間部分（續(xù)） Block Ⅱ 衛(wèi)星 一、 GPS的空間部分（續(xù)） Block Ⅱ R衛(wèi)星 一、 GPS的空間部分（續(xù)） ? GPS星座 – 設(shè)計星座： 21+3 ? 21顆正式的工作衛(wèi)星 +3顆活動的備用衛(wèi)星 ? 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(zhuǎn)，地球 衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前 4min重復(fù)一次） ? 保證在 15?高度角以上，能夠同時觀測到 4至 8顆衛(wèi)星 – 當(dāng)前星座： 26顆 一、 GPS的空間部分（續(xù)） GPS衛(wèi)星星座（ ?=35 ? ， ?=90?） 一、 GPS的空間部分（續(xù)） ? 作用 – 發(fā)送導(dǎo)航定位信息 – 其他特殊用途（如通訊、檢測核暴等） 二、 GPS的控制部分 ? 組成：主控站、注入站和監(jiān)測站。 ? 主控站 – 作用： ? 收集各檢測站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài) ? 通過注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令 ? 衛(wèi)星維護與異常情況的處理 二、 GPS的控制部分（續(xù)） – 數(shù)量： 1 – 分布： 美國克羅拉多州法爾孔空軍基地 ? 注入站 – 作用：將導(dǎo)航電文注入 GPS衛(wèi)星 – 數(shù)量： 3 – 分布：阿松森群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）和卡瓦加蘭（太平洋） 二、 GPS的控制部分（續(xù)） ? 監(jiān)測站 – 作用：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站 – 數(shù)量： 5 – 分布：夏威夷、主控站及三個注入站 二、 GPS的控制部分（續(xù)） GPS的控制部分 二、 GPS的控制部分（續(xù)） GPS的控制部分 三、 GPS的用戶部分 ? GPS信號接收機 – 采用石英鐘 ? GPS信號接收機的類型 – 依用途：大地型（測地型）、導(dǎo)航型與授（守）時型 – 依能否接收測距碼（偽距碼）：有碼與無碼 – 依接收偽距碼的種類： P碼與 C/A碼 – 依接收不同頻率載波的數(shù)量：單頻與雙頻 第二節(jié) GPS的位置基準(zhǔn)與時間基準(zhǔn) 一、位置基準(zhǔn) ? 概述 – 坐標(biāo)系統(tǒng) 原點、坐標(biāo)軸指向、長度基準(zhǔn) – 慣性系與非慣性系 – 地心系與參心系 一、位置基準(zhǔn)（續(xù)） ? 類型 – 習(xí) /慣用天體參照系（ Conventional Celestial Reference System） 例： ICRF， IERS (International Earth Rotation Service)制定，由 500顆河外星系的天體所構(gòu)成 – 習(xí) /慣用地面參照系（ Conventional Terrestrial Reference System） 例： ITRF， IERS (International Earth Rotation Service)制定，由全球數(shù)百個 SLR、 VLBI和 GPS站所構(gòu)成 一、位置基準(zhǔn)（續(xù)） ? GPS應(yīng)用中所采用的位置基準(zhǔn) – WGS84（ World Geodetic System 1984） ? 廣播星歷 ? 由美國國防部研制確定，其原點在地球質(zhì)心， Z軸指向（ CTP）， X軸指向 CTP赤道的交點， Y軸與 Z、 X軸構(gòu)成右手系。橢球采用 IUGG在第 17屆大會給出的推薦值：長半軸為 6378137，扁率為 1/。大地水準(zhǔn)面模型采用 EGM。 – ITRFyy ? IGS精密星歷 ? Z軸指向 CIO ，利用 SLR、 VLBI和 GPS等技術(shù)維持。 ? 提供站坐標(biāo)及速度場信息 一、位置基準(zhǔn)（續(xù)） ? GPS應(yīng)用中所采用的位置基準(zhǔn)（續(xù)） – WGS84與 ITRF的關(guān)系 ? WGS84地面站坐標(biāo)精度為 1m到 2m的精度， ITRF則為厘米級精度 ? 引力常數(shù)不同 一、位置基準(zhǔn)（續(xù)） ? GPS應(yīng)用中所采用的位置基準(zhǔn)（續(xù)） – WGS84與 ITRF的關(guān)系（續(xù)） ? 轉(zhuǎn)換關(guān)系 I T R FW GS RXcX ???? 84二、時間基準(zhǔn)（系統(tǒng)） ? 時間的起點和時間的長度 ? 時間系統(tǒng) – 太陽時與恒星時 – 力學(xué)時 – 原子時 ? GPS時 – 為原子時 – 1980年 1月 6日 0時與 UTC一致 – GPS時用 GPS周 +一周內(nèi)的秒數(shù)來表示 三、 GPS信號的結(jié)構(gòu) 1. GPS信號的組成 用于導(dǎo)航定位的 GPS信號由三部分組成： ? 載波（ L1和 L2） ? 導(dǎo)航電文 ? 測距碼（ C/A碼和 P(Y)碼 ） 2. 載波 ? 兩種頻率的正弦波 ? L1： ? L2： cm19M H z , 5 7 51 ?? ?fcm24M H z , 2 2 71 ?? ?f3. 導(dǎo)航電文 ? 方波 ? 碼速： 50bps ? 內(nèi)容： – 廣播星歷（導(dǎo)航信息） – 衛(wèi)星鐘改正 – 歷書（概略星歷） – 電離層信息 – 衛(wèi)星健康狀況 4. 測距碼 ? 方波 ? 偽隨機噪聲碼 ? 兩種測距碼： – C/A碼 粗碼 ? 碼速： ? 碼元長度： 300m – P(Y)碼 精碼 ? 碼速： ? 碼元長度： 30m 4. 測距碼（續(xù)） ? 測距碼的調(diào)制 5. GPS信號的構(gòu)成示意圖 美國降低普通用戶導(dǎo)航定位精度的措施 ? SA Selective Availability（選擇可用性） – ?技術(shù)：軌道信息加繞（長周期，慢變化） – ?技術(shù)：衛(wèi)星鐘抖動（高頻，短周期，快變化） ? AS AntiSpoofing（ 反欺騙） – P碼加密，成為 Y碼 第四節(jié) GPS的工作原理 一、本質(zhì) ? 距離后方交會 二、工作流程 三、距離測定方法 ? 利用測距碼測距（偽距測量） ? 利用載波測距（載波相位測量） 第五節(jié) 偽距測量與載波相位測量 ? 偽距的測定 測定偽距的示意圖 一、偽距測量 ? 測距碼 ? 偽距的測定 1. 測距碼 ? 偽隨機噪聲碼（ PRN） – 模二和 – 二進制信號 ? 碼元、時間周期（ TP）與長度周期（ LP） ? 運算規(guī)則： – 相關(guān)系數(shù) – 隨機噪聲的自相關(guān)性 ? ?? T dttxtxT 0 21 )()(1)( ?????????????? 的整數(shù)倍外的任何數(shù)和序列的周期的長度為除，是序列的周期為整數(shù)，當(dāng)LPjjLPTPiTPi011)(0??