GPS原理及现代化

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全球定位系统概述上海欧亚测量系统设备有限公司 工程技术服务研发部

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一、全球定位系统及现代化 二、GPS系统及信号 三、GPS测量原理 四、GPS测量定位误差 五、GPS测量中常见的几种坐标系统

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一、全球卫星定位系统 及GPS现代化

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GPS(Global Position System)的基本概念 全球定位系统(GPS)是一个空 基全天侯导航系统，它由美国国防

部开发，用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中 的位置、速度和时间信息的要求。 GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging /Global Position System(导航星测时与测距全球

定位系统),简称GPS有时也被称NAVSTAR GPS。GPS是美国继阿波罗登月计划和航天飞机之后的第三 大空间工程。

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GPS的发展简史:子午卫星系统(一) 1957年10月4日 第一颗人造卫星 Sputnik I 发射成; 1958年12月开始设计 NNSS(Navy Navigation Satellite System) – TRANSIT,即子午卫星系统； 1964年1月该系统正式运行； 1967年7月系统解密以供民用;1)6颗卫星,太少 2)地面监控站不能实时的提供卫星星历,所 以不能实时定位。 2).轨道高度10100公里,太低,因为地球引力、 摄动影响，卫星难以精密定轨。 3).频率低,难以补偿电离层折射的影响。 4).定位精度低。

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GPS发展简史:方案论证和初步设计阶段(二) 1973年12月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研 制一种新的军用卫星全球导航系统:GPS; 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射功； 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，从硬件和软件上 进行了试验。试验结果令人满意。

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GPS的发展简史：全面研制和试验阶段(三)从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫 星。这一阶段称之为Block I。与此同时，研制了 各种用途的接收机，主要是导航型接收机，同时 测地型接收机也相继问世。试验表明，GPS的定 位精度远远超过设计标准。利用粗码的定位精度 几乎提高了一个数量级，达到14m。由此证明， GPS计划是成功的。

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GPS的发展简史：实用组网阶段(四) 1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入 工程建设阶段。 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。

1995年7月17日，GPS达到FOC – 完全运行能力(Full Operational Capability)。 1999年1月25日，美国副总统戈

尔宣布，将斥资40亿美圆，进行 GPS现代化。

1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束翻转问题。 2000年1月1日，Y2K问题。 2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停止实施SA。

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GPS的发展简史： GPS现代化(五) 在L2频道上增加第二民用码，即CA码。这样用户就可 以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电 离层的改正。 增加L5民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度 和导航的安全性

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GLONASS卫星导航定位系统GLONASS(俄) Global Navigation Satellite System 卫星：21+3 轨道高度：19100km 信号频率： 1602~1616MHz、 1246~1256MHz 远行周期：11h15min

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建设中的Galileo卫星导航定位系统 27颗工作卫星+3颗在轨备用卫星 轨道高度23 616km,轨道倾角56° 欧洲宇航局将于2005年底利用俄“联盟”火箭发射 “伽利略”卫星定位系统的首批两枚卫星 该系统将于2008年后投入使用 推迟到2011年，最新的消息推迟到2014年；

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中国北斗导航定位系统 35颗卫星，目前8颗卫星，2012年底再发射8颗卫星； 分阶段实施：– 第一阶段，2003年3颗地球同步卫星； – 第二阶段，2012年达到10颗左右，达到覆盖亚太地区； – 第三阶段，2020年达到30颗左右，覆盖全球；

快速定位：北斗导航系统可为服务区域内用户提供全 天候、高精度、快速实时定位服务 简短通信：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信 能力，可以一次传送超过100个汉字的信息。 精密授时：北斗导航系统具有单向和双向两种授时功 能。根据不同的精度要求,利用授时终端,完成与北斗导 航系统之间的时间和频率同步,可提供数十纳秒级的时

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二. GPS系统及信号 系统构成 信号结构 变化中的美国GPS政策

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GPS的系统组成- 系统组成 GPS的系统组成

GPS系统由 空间部分、 地面控制部 分和用户设 备部分等三 部分组成

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GPS的系统组成- 空间部分 GPS卫星星座–设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活 动的备用卫星 6个轨道面，平均轨道高度 20200km,轨道倾角55 ,周 期11h 58min(顾及地球自转， 地球-卫星的几何关系每天提 前4min重复一次) 保证在24小时，在高度角 15 以上，能够同时观测到4 至8颗卫星 –当前星座：30颗

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GPS的系统组成- 空间部分GPS卫星 1)作用： 接收、存储导航电文 生成用于

导航定位的信号(测距 码、载波) 发送用于导航定位的信号(采用 双向调制法调制在载波上的测距码 和导航电文) 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核 暴等。 2)主要设备 太阳能电池板 原子钟(2台铯钟、2台铷钟) 信号生成与发射装置