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GPS 测量与数据处理

GPS 测量与数据处理. 主讲：付建红. 课程简介 包含 《GPS 测量原理及其应用 》 和 《GPS 数据处理 》 ； 前期课程： 《 大地测量学基础 》 、 《 卫星轨道理论的基本知识 》 和 《 卫星应用概论 》 等； 随着 GPS 导航定位技术应用的日益广泛，该课程已成为与测绘有关专业的重要课程。. http://jpkc.whu.edu.cn/jpkcsite/gps/. 课程考核 平时成绩（考勤、测验、作业、课间实习） 40 分 期终考试成绩（闭卷） 60 分 答疑时间及地点 每周二晚 7:00 ～ 9:00

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Presentation Transcript

  1. GPS测量与数据处理 主讲：付建红

  2. 课程简介 包含《GPS测量原理及其应用》和《GPS数据处理》； 前期课程：《大地测量学基础》、《卫星轨道理论的基本知识》和《卫星应用概论》等； 随着GPS导航定位技术应用的日益广泛，该课程已成为与测绘有关专业的重要课程。 http://jpkc.whu.edu.cn/jpkcsite/gps/

  3. 课程考核 • 平时成绩（考勤、测验、作业、课间实习） 40分 • 期终考试成绩（闭卷） 60分 • 答疑时间及地点 • 每周二晚7:00～9:00 • 5号楼207 • 使用及参考书 • 《GPS测量与数据处理》，主编 ：李征航，黄劲松，武汉大学出版社 • 《GPS测量操作与数据处理》，主编：魏二虎，黄劲松，武汉大学出版社 • 《GPS原理及应用》，主编：李天文，科学出版社 • 《GPS测量原理及应用》，主编：张勤，李家权，科学出版社

  4. GPS定位中的坐标系统和时间系统 GPS测量坐标系和常用时间系统 全球定位系统的组成及信号结构 GPS的组成、信号结构和卫星位置的计算 GPS测量中常用数据格式 GPS常用数据格式 GPS定位中的误差源 GPS测量的主要误差 距离测量与GPS定位 GPS观测量和单点、差分GPS定位原理 GPS测量的技术设计与数据采集 GPS测量设计和外业实施 课程主要内容

  5. 《GPS测量原理及其应用》 第一讲 绪 论

  6. 全球定位系统的产生、发展 GPS在各个领域中的应用 美国政府的GPS政策 其他卫星导航系统的概况 主要内容

  7. GPS的含义： GPS的英文全称是 Navigation Systemwith Timing And Ranging/ Global Positioning System 其意为“授时与测距导航系统/全球定位系统”，或简称全球定位系统。 简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。 §1.1 全球定位系统的产生、发展

  8. 1957年10月4日，前苏联发射世界上第一颗地球人造卫星，使卫星导航定位成为现实；1957年10月4日，前苏联发射世界上第一颗地球人造卫星，使卫星导航定位成为现实； 1957年苏联官方公布的卫星照片 三个阶段：卫星三角测量、卫星多普勒测量、GPS卫星定位测量。

  9. S2c S’ S2a S1a S’ S1c S S S2 1、卫星三角测量原理 卫星仅作为一种空间动态观测目标，由地面通过拍摄卫星的位置而测定地面点的坐标。 S1 C B A

  10. 2、卫星多普勒定位测量 基本思想的提出 • 美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的吉尔博士和魏芬巴哈博士指出，利用地面跟踪站上的多普勒测量资料可以精确确定卫星轨道 • 麦克卢尔博士和克什纳博士指出，对一颗轨道已被确定的卫星进行多普勒测量，则可以确定用户的位置

  11. fs fr 2、卫星多普勒定位测量 定位原理是基于“多普勒效应”。

  12. 如果接收机产生频率f0的本振信号，并与接收到的频率为fr的卫星信号混频，然后将差频信号在[t1,t2]间积分，则积分值N与距离差（D2－D1）的关系：如果接收机产生频率f0的本振信号，并与接收到的频率为fr的卫星信号混频，然后将差频信号在[t1,t2]间积分，则积分值N与距离差（D2－D1）的关系：

  13. D12 D1 D2 测站 S1 S2 2、卫星多普勒定位测量 已知t1，t2时刻卫星在空间的位置S1，S2，则以到S1，S2距离差为（D2－D1）可以作出一个旋转双曲面，测站点必定位于该旋转双曲面上。 卫星轨道 多普勒定位示意图

  14. 系统简介 NNSS–Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统） 利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统 美国研制、建立 1958年12月在克什纳博士的领导下开始研究 1964年1月建成 1967年7月解密供民用 3、子午卫星系统简介

  15. 系统参数 卫星数：6颗 轨道数：6个 轨道夹角：30° 轨道倾角：90 ° 卫星高度：1075km 运行周期：107min 载波频率：400、150MHz 3、子午卫星系统简介

  16. 子午卫星

  17. 一次定位所需时间过长 无法为高动态用户提供实时导航定位 为缩短定位所需时间，需采用低轨卫星，从而又造成卫星定轨上的难度 对于低动态用户，需进行位置归算，从而影响导航定位精度 4、子午卫星系统的局限性

  18. 4、子午卫星系统的局限性 • 不是连续的、独立的卫星导航系统 • 两次卫星通过的平均间隔长（中低纬地区约为1.5h） • 相邻轨道卫星信号可能相互干扰，导致有时必须关闭其中一颗卫星的信号 • 对测量应用存在许多不利因素 • 观测时间偏长，作业效率偏低（需50-100次合格卫星通过，耗时约1周） • 定位精度偏低

  19. 第一阶段：方案论证阶段 美国海军的Timation计划和美国空军的621B计划 1973年12月，美国国防部批准研制GPS； 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功； 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 3、全球定位系统的产生、发展

  20. 第二阶段：全面研制和试验阶段 从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。 3、全球定位系统的产生、发展及前景

  21. 第三阶段：实用组网阶段 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战 1993年7月在轨正常运行卫星达到24颗，美国于同年12月宣布，GPS具备IOC（Initial Operational Capability） 1995年4月27日，GPS达到FOC–完全运行能力（Full Operational Capability） 3、全球定位系统的产生、发展及前景 目前：GPS已经在通信、大气探测、精细农业及环境保 护等众多领域得到广泛应用。

  22. GPS导航的导弹 §1.2 GPS在各个领域中的应用 1、GPS在军事中的应用

  23. 2、GPS在交通运输业中的应用 • 航运、航空搜索 • 陆路交通（车辆导航、监控） • 船舶远洋导航和进港引水

  24. 建立和维持全球性的参考框架 3、GPS在测量中的应用

  25. 建立各级国家平面控制网

  26. 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量

  27. 在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用

  28. 板块运动和监测

  29. 精细农业 遥感 卫星定轨 资源勘探 GPS气象学 个人旅游及野外探险 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递 … 4、GPS在其他领域中的应用

  30. 1、SPS与PPS Standard Positioning Service (标准定位服务) 使用C/A码，民用 水平±100 m 高度± 150-170 m 时间± 340 ns Precise Positioning Service (精密定位服务) 可使用P码，军用 水平± 22 m 高程± 27.7 m 时间± 200 ns §1.3 美国政府的GPS政策

  31. 2、 SA和AS技术 SelectiveAvailability（选择可用性） 1991.7.1~2000.5.2 人为降低普通用户的测量精度。方法: ε技术：降低星历精度（加入误差） δ技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化） Anti-Spoofing（反电子欺骗） 1994.1.31~至今 P码加密，P+WY

  32. 在BlockIIＲ卫星的L2载波上调制C/A码，在BlockIIF卫星中增加 f =1 176.45MHz的民用频率； 增强卫星信号强度，增加抗干扰能力； 增设新的军用码(M码)，与民用码分开，并具有更好的保密性和抗干扰能力； 使用新技术，以阻止或干扰敌方使用GPS； 军用接收机具有更好的保护装置，特别是抗干扰能力，具有快速初始化功能。 3、GPS现代化

  33. 1、GLONASS (GlobalNavigation Satellite System) 开发者:俄罗斯（前苏联） 系统构成:卫星星座、地面控制部分、用户设备 卫星数: 24颗 轨道数: 3个 轨道倾角: 64.8° 高度: 19 390km 运行周期: 11h15min44s §1.4 其他卫星导航定位系统的概况

  34. GLONASS 卫星 GLONASS 卫星星座

  35. 卫星运行状况 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作； 目前，GLONASS系统约有20颗健康在轨卫星。俄罗斯一直在补充新的卫星，恢复整个系统的运行。 到2011年底，Glonass系统的表现将不亚于GPS 计划在2013年将测试差分系统并全面覆盖俄本土

  36. 2002年3月欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统——Galileo系统；2002年3月欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统——Galileo系统； Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°； Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。 2、伽利略卫星导航定位系统（Galileo）

  37. 2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GIOVE-A）成功进入高度为2.3万km的预定轨道。2006年1月12日，GIOVE-A已开始向地面发送信号；2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GIOVE-A）成功进入高度为2.3万km的预定轨道。2006年1月12日，GIOVE-A已开始向地面发送信号； 伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。

  38. Galileo卫星

  39. 我国自行研制 系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。 空间部分包括2~3颗地球同步轨道卫星 用户终端分为：定位、通信终端；差分、校时终端；集团用户管理站终端 3、北斗卫星导航系统

  40. 车载型用户机 通讯型用户机 便携型用户机 船载型用户机 指挥型用户机

  41. 与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星 导航系统相比： BD–1有自己的优点：如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。 但也存在着明显的不足和差距：如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。 3、北斗卫星导航系统

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