GPS卫星定位原理及其应用 卫星导航定位系统概论 2019/2/25

第一章 卫星导航定位系统概论 本章主要内容 GPS含义 卫星定位技术的发展简史 GPS的组成 GPS的特点及功能 2019/2/25

GPS的含义 GPS的英文全称是NAVigation Satellite Timing And Ranging /Global Position System（卫星测时测距导航/全球定位系统），简称GPS有时也被称作NAVSTAR GPS。 根据Wooden 1985年所给出的定义：NAVSTAR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。 2019/2/25

卫星定位技术的发展简介 各种卫星导航、定位系统 子午卫星导航系统（ＮＮＳＳ） 前苏联ＣＩＣＡＤＡ卫星导航系统 ＧＰＳ全球定位系统 ＧＬＯＮＡＳＳ全球导航卫星系统 ＮＡＶＳＡＴ导航卫星系统－－欧洲空间局ＥＳＡ ＩＮＭＡＲＳＡＴ系统－－国际移动卫星组织 ＧＮＳＳ系统－－国际民航组织ＩＣＡＯ 2019/2/25

海军导航卫星系统（又称NNSS） 1957年10月，世界上第一颗卫星SPUTNIK发射成功，卫星导航定位的研究工作提到了议事日程。 1958年底美国海军武器实验室委托霍布金斯大学应用物理实验室研究美国军用舰艇导航服务的卫星系统。 1964年1月用于北极星核潜艇的导航定位研制成功。 1967年7月，经美国政府批准，对其广播星历解密，提供民用。 缺点： 1.卫星数少，卫星运行的 高度低。 2.运行周期长。 3.观测时间长。 2019/2/25

GPS发展的历史阶段 第一阶段 方案的论证和初步设计阶段。 （1973~1979） 第二阶段 系统的全面研制和实验阶段。 第一阶段 方案的论证和初步设计阶段。 （1973~1979） 第二阶段 系统的全面研制和实验阶段。 （1979 ~1984） 第三阶段 工程发展与完成阶段。 （1984 ~1994） 2019/2/25

GPS的特性 GPS 系 统 的 完 善 受 控 于美 国 国 防 部 GPS 系 统 可 提 供 精 确 导 航 导 航 精 度 约 为 10 - 20 m 全 球 信 号 覆 盖 24 小 时 工 作 服 务 GPS 系 统 可 应 用 于 民 用 及军 事 领 域 2019/2/25

GPS的优势 不 受 气 候 条 件 的 限 制 无 须 通 视 要 求 可 进 行 高 精 度 大 地 测 量 能 实 现 全 天 候 运 作 省 时 省 力 经 济 效 益 明 显 坐 标 系 统 通 用 应 用 领 域 广 泛 具 有 竞 争 力 的 价 格 2019/2/25

GPS的组成 空 间 部 分 控 制 部 分 用 户 设 备 部 分 导 航 卫 星 : 导 航 信 息 卫 星 时 和 卫 星 钟 导 航 卫 星 : 导 航 信 息 卫 星 时 和 卫 星 钟 24 颗 卫 星 20200 Km 控 制 部 分 1 个 主 控 站 5 个 监 控 站 用 户 设 备 部 分 接 受 卫 星 信 号 ` 2019/2/25

空间部分 24 颗 卫 星 分 布 在 互 为 55 度 交 角 的 6 个 轨 道 平 面 上， 每 个 轨 道 面 上 布 有 4 颗 卫 星 卫 星 高 约 20200 Km 12 小 时 绕 轨 道 一 周 可 见 时 间 为 4-5 小 时 设计寿命为 7.5 年 卫 星 种类 区 分 Block 1(一 代),Block 2, 2A(二 代), Block 2R，2 F(三 代) 赤 道 55 2019/2/25

GPS卫星 24颗卫星(21+3) 6个轨道平面 55º轨道倾角 20200km轨道高度(地面高度) 12小时(恒星时)轨道周期 5个多小时出现在地平线以上(每颗星) 目前在轨实际运行的卫星个数已经超过32颗 2019/2/25

卫星编号 （1） 顺序编号：按照GPS试验卫星发射时间的先后次序对卫星进 行编号。 （2） PRN编号：根据GPS卫星所采用的伪随机噪声码（PRN码） 对卫星进行编号。在导航定位中，均采用PRN编号，这一规则一直 沿用至今。 （3） IRON编号：IRON为Inter Range Operation Number的缩写 ，意思是内部距离操作码。IRON编号是美国加拿大组成的北美空 军指挥部给定的一种随机号，以此识别所选择的目标。 （4） NASA编号：这是美国航天局在其文件中给GPS试验卫星的 编号。 （5） 国际识别号：它的第一部分表示该卫星的发射年代，第二部 分表示该年发射卫星的序列号，字母A表示发射的有效负荷。 2019/2/25

GPS卫星结构 GPS卫星结构 采用铝蜂巢结构，主体呈柱形，直径为1.5m 在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。 双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2m2。 多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的条形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。 2019/2/25

GPS卫星的核心部件 微处理器 导航电文存储器 高稳定度的原子频标 伪噪声码发生器 S波段接收机 L波段双频发射机 2019/2/25

GPS卫星的作用 1.接收和存储由地面监控站发来的导航信息。 2.接收并执行监控站的控制指令。 3.卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作。 4.通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准。 5.向用户发送定位信息。 6.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。 2019/2/25

控制部分 主 控 站 负 责 收 集 由 监 控 站 传 来 的 卫 星 跟 踪 数 据 并 计 算 卫 星 星 历 和 时 间 参 数 5 个 监 控 站 负 责 对 卫 星 伪 距 数 据 的 观 测，这 一 卫 星 跟 踪 监 测 网 用 于 确 定 卫 星 广 播 星 历 及 卫 星 钟 模 式 地 面 控 制 站 负 责 向 卫 星 注入信 号 2019/2/25

5个地面控制站 Colorado springs kwajalein Hawaii Ascencion Diego Garcia 55 kwajalein Hawaii Ascencion Diego Garcia 一个主控站：科罗拉多•斯必灵司 三个注入站：阿松森(Ascencion) 迭哥•伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii) 2019/2/25

地面监控系统工作流程 L1\L2波段 Ｓ波段 监测站 注入站 原始数据 ＧＰＳ用户 主控站 星历、时钟数据、监控数据 2019/2/25

GPS地面监控系统流程图 GPS地面监控系统的流程图 GPS卫星 GPS卫星 L1 L2 S波段 数据处理机 观测星历 与时钟 编算注入 调制解调器 高功率 放大器 观测星历 与时钟 编算注入 导航电文 数 据 处理机 接收机 调制 解调器 指令发生器 铯钟 气象传感器 计算误差 数据存储器和外部设备 监测站 主控站 注入站 GPS地面监控系统的流程图 2019/2/25

地面监控系统执行的任务 1.数据采集。 2.编辑导航电文。 3.诊断功能。 4.调整卫星。 主控站： 监测站： 为主控站提供卫星的观测数据。 注入站： 将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储系统。 2019/2/25

用户设备部分 用户设备部分 - GPS信号接收机及相关设备（三角架、测尺（杆）、数据后处理软件） 多数采用石英钟 2019/2/25

GPS接收机的任务和基本结构 任务： 捕获卫星信号、跟踪卫星运行，并对信号进行变换、放大和处理，测出信号传播时间，译出导航电文，达到实时定位、导航的目的。 基本结构 天线单元：接收天线、前置放大器 接收单元：通道单元、计算和显示单元、存储单元、电源 2019/2/25

当前美国对GPS用户的主要限制性政策 1.对不同的GPS用户，提供不同的服务方式。 2.实施选择可用性（Selective Availability—SA）政策。 3.精测距码（P码）的加密措施（Anti-spoofing —AS ） 也叫反电子欺骗措施。 2019/2/25

非特许GPS用户对美国限制性政策的措施 1.建立独立的GPS卫星测轨系统。 2.建立独立的卫星定位系统。 3.开发GPS与GLONASS兼容接收机。 4.研究和开发差分GPS定位技术。 2019/2/25

GPS技术现代化 1.关闭SA 2.增加民用频率 3.增大星座 4.增加后向天线 5增加信号功率 2019/2/25