周 胜 源 胡 煜 zhoushy@guet.edu.cn GPS 系统原理应用 周 胜 源 胡 煜 zhoushy@guet.edu.cn.

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1 周 胜 源 胡 煜 zhoushy@guet.edu.cn
GPS 系统原理应用 周 胜 源 胡 煜

2 一、课时 32学时 二、内容 课程说明 GPS发展背景及历史 GPS所需要基本知识 GPS信号及接收机介绍 GPS定位基本原理
05:22:20 课程说明 一、课时 32学时 二、内容 GPS发展背景及历史 GPS所需要基本知识 GPS信号及接收机介绍 GPS定位基本原理 GPS定位误差介绍 GPS差分定位技术基本原理 GPS的一般应用（导航、地理测量等） GPS与其他系统结合的综合应用 2018/9/20

3 教材：《GPS测量原理及其应用》 胡伍生编 人民交通出版社 2002 参考书目：
三、参考书目 教材：《GPS测量原理及其应用》 胡伍生编 人民交通出版社 2002 参考书目： 《GPS测量与数据处理 》李征航、黄劲松 编武汉大学出版社 2005 《GPS导航原理与应用》 王惠南编 科学出版社 2003 《GPS卫星导航原理与方法 》刘基余著 科学出版社 2003 《GPS: Theory and Practice, 5th, Revised Edition》B. H.-W., H. Lichtenegger, and J. Collins, Spring-Verlag Wien 2001 《GPS Satellite Surveying, 3rd Edition》Leick, Alfred. Wiley 2004 2018/9/20

4 相关网站： 中国全球定位系统技术应用协会：http://www.gps.org.cn/
麻省理工（MIT）： Modern Navigation GPS: Civilian Tool or Military Weapon 武汉大学：GPS测量原理及其应用（2006年国家精品课程） 西南交通大学：卫星定位技术与方法（GPS） 长安大学： GPS原理及应用 成都理工大学：GPS测量原理与数据处理 淮阴工学院 ：GPS定位与导航 （2006年国家精品课程） 黄河水利职业技术学院 ：GPS测量定位技术 （2005年国家精品课程） 中国全球定位系统技术应用协会： 武汉大学GPS中心： International GNSS Service（IGS）： GPS World Magazine： 2018/9/20

5 第一章 GPS系统概述 GPS是英文Navigation Satellite Timing and Ranging/Global positioning System（导航卫星定时测距全球定位系统）的字头缩写,它的含义是利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。现在国际上已经公认，将这一全球定位系统简称NAVSTAR/GPS。 2018/9/20

6 GPRS？ General Packet Radio Service 通用分组无线业务
是在现有GSM系统上发展起来的一种新的承载业务,主要用于无线电通信 2.5G 2018/9/20

7 GPS:Global positioning System
What is position? 2018/9/20

8 position 1. 位置 2. 立场；见解；态度 3. 姿势；姿态 4. 论旨；主张 5. 方位（尤指相对位置） 6. 适当位置
7. 形势；状况 8. 阵地；阵势 9. 阶级；阶层 10. 地位 11. 职位；工作 12. 长期（或短期）贸易约定 13. 头寸 2018/9/20

9 Navigation Navigation: knowing where you are, where you want to go, and how to get there – Also useful: knowing how long it will take – To achieve these goals in a general way; a coordinate system is needed that allow quantitative calculations 2018/9/20

10 一、前期导航定位历史 1．早期：指南针、罗盘 2．近代非电类导航：陀螺仪、惯性导航系统 3．无线电导航系统
在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线导航系统。 ● 罗兰--C：工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM，一般精度 M。 ● Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。 ● 多普勒系统：利用多普勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。 缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。 2018/9/20

11 二、卫星导航定位系统发展历史 1．早期卫星定位技术
1957年，前苏联发射第一颗人造地球卫星。利用卫星为参照物的定位技术出现，称为卫星三角测量定位，是卫星定位的低级阶段。 2．卫星多普勒定位系统 美国于1958年研制为海军服务，称为“美国海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System），简称NNSS。由于卫星轨道与地球子午线重合，又称为子午仪（Transit）卫星导航系统。64年正式投入使用。由于该系统卫星数目较少（5-6颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星的时间隔比较长（平均1.5h），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。 2018/9/20

12 Transit Development 2018/9/20

13 2018/9/20

14 为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求。1973年美国国防部制定了GPS计划。 3．GPS全球定位系统
采用双频伪随机码测距被动式定位体制。 首先利用C/A码捕获、跟踪4颗以上的GPS卫星，然后，用P码测量伪距和载波多普勒频移，实现连续、实时导航定位。 GPS提供的信息不仅可以利用伪随机码测量伪距，还可以利用载波信号，进行载波相位测量和积分多普勒测量，进行定位。 载波相位测量具有很高的定位精度，广泛用于高精度测量定位。 2018/9/20

15 History of Satellite Navigation
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16 所谓全球定位系统，它使你在全地球任何地点，都能凭借其确定你所处的实时方位。 全球定位系统不止一个。 GPS为美国发展的全球定位系统名称。
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17 What is GPS? User Segment Control Segment Space Segment
05:22:20 What is GPS? The Global Positioning System (GPS) A Constellation of Earth-Orbiting Satellites Maintained by the United States Government for the Purpose of Defining Geographic Positions On and Above the Surface of the Earth. It consists of Three Segments: developed by the US Department of Defense as a worldwide navigation resource for military and civilian use. User Segment Control Segment Space Segment 2018/9/20

18 How does GPS work? 2018/9/20

19 How does GPS work? 2018/9/20

20 How does GPS work? 2018/9/20

21 How does GPS work? 2018/9/20

22 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。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。
4．GPS实施计划共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。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。 第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984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。 第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。 1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。 卫星类型 卫星颗数 发射时间 用途 第一代 Block I 11 1978~1984 实验性 第二代 Block II Block II A 28 1989~1994 正式工作 第三代 Block III Block II R 20 90年代末 改进系统 2018/9/20

23 GPS Lineage Phase 1: 1973-1979 CONCEPT VALIDATION
05:22:20 GPS Lineage Phase 1: CONCEPT VALIDATION 1978- First Launch of Block 1 SV Phase 2: FULL DEVELOPMENT AND TESTS Phase 3: Present PRODUCTION AND DEPLOYMENT 1993-IOC FOC The important thing to note is that GPS is a type of radio navigation, and that it was specifically designed to eliminate the disadvantages of all the other radio systems we've used for the last 50 years or so. All of the others have at least one weakness, such as interference in bad weather, limited local coverage, etc. The reason we are so interested in GPS at DMS is that it represents a dramatic change in the way people find their way around the world. 2018/9/20

24 4) GPS现代化计划更新阶段（2000~2010） 根据1996年美国的总统决定建立了国防部和交通部组成的联合管理GPS事务局（IGEB），在IGEB的主持下于1997、1998年期间讨论了增加GPS民用信号，从而改进民用和商用目的的GPS状况，并与空军已经开始的计划相结合，形成了更新GPS运行要求的文献ORD（Operational Requirements Document），其内容即为目前的GPS现代化计划，并于1999年1月由美国副总统戈尔以“GPS现代化”的名称发布通告，其具体实施是以2000年5月2日取消SA政策为标志。 GPS现代化的主要目的有三点：保护美国及其盟军的军用服务，防止敌方使用，保持并增强明用服务。 2018/9/20

25 表 GPS现代化 改进计划项目 时间 取消SA 2000年5月 GPS IIR 增强 --L2上加C/A码 --L1及L2上加M码
GPS IIF 增强 --L5 GPS III 增强 --L1及L2上加M码，增大信号能量 --其他未来能力 2010- OCS 增强 2018/9/20

26 图 GPS信号结构 GPS现代化实施之前 2003年以后 L2增加C/A码 2005年以后 增加L5,M码 2018/9/20

27 三、GPS定位系统的组成 2018/9/20

28 Three Segments of the GPS
Space Segment User Segment Control Segment Ground Antennas 2018/9/20 Master Station Monitor Stations

29 星座分系统中星上的装备有：铯原子钟，72m2太阳能电池帆板，电子设备。
1．空间星座部分： GPS卫星均匀分布在地表上空20200km高度，6条近圆轨道上。卫星环绕地球周期为11h58m，系统共有24颗星，4颗备用。在用的24颗星均匀分布在6个倾角为55°的轨道平面上，每条轨道4颗。 星座分系统中星上的装备有：铯原子钟，72m2太阳能电池帆板，电子设备。 2018/9/20

30 GPS的空间部分 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
保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星 当前星座：28颗 2018/9/20

31 Space Segment 24+ satellites 6 planes with 55° inclination
05:22:20 Space Segment 24+ satellites 6 planes with 55° inclination Each plane has 4-5 satellites Broadcasting position and time info on 2 frequencies Constellation has spares 2018/9/20

32 Space Segment Very high orbit Considerations 20,200 km
05:22:20 Space Segment Very high orbit 20,200 km 1 revolution in approximately 12 hrs Travel approx. 7,000mph Considerations Accuracy Survivability Coverage 2018/9/20

33 05:22:20 Ground tracks 2018/9/20

34 GPS卫星的地面轨迹 2018/9/20

35 GPS的空间部分 GPS卫星 作用： 主要设备 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（采用双相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。 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 2018/9/20

36 GPS的空间部分 GPS卫星（续） 类型 试验卫星：Block Ⅰ 工作卫星：Block Ⅱ
Block Ⅱ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力 Block ⅡA （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜 Block ⅡR （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯 Block ⅡF（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率 2018/9/20

37 GPS的空间部分 Block IIR Block IIA Block IIF 不同类型的GPS卫星 2018/9/20

38 2.GPS的地面监控部分 地面监控部分 （Ground Segment） 组成 主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统
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39 GPS的地面监控部分 监测站（5个） 作用： 接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。 地点：
05:22:20 GPS的地面监控部分 监测站（5个） 作用： 接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。 地点： 夏威夷、主控站及三个注入站。 [节] 要点 GPS的特性 受美国控制 卫星系统 作用是用于导航、定位和授时 全天侯、连续、实时、三维 2018/9/20

40 GPS的地面监控部分 主控站（1个） 作用： 地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。 管理、协调地面监控系统各部分的工作，
收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星， 监控卫星状态，向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况的处理。 地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。 2018/9/20

41 GPS的地面监控部分 注入站（3个） 作用： 将导航电文注入GPS卫星。 地点：
阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋） 2018/9/20

42 Control Segment Monitor and Control Colorado Springs Kwajalein
05:22:20 Control Segment Monitor and Control Colorado Springs Ascension Islands Hawaii Kwajalein The second segment we'll talk about is the Operational Control Segment. This segment consists of 5 Monitor Stations on islands near the equator (Hawaii, Ascension, Diego Garcia, and Kwajelin) and one Master Control Station located at Falcon AFB, CO. All of these stations track the GPS signals, and send them back to the Master Control Station at Falcon. A backup MCS exists at Loral Federal System in Gaithersburg, MD. The four stations track and monitor the where-abouts of each GPS satellite each day. Then land-based and space-based communications are used to connect the monitoring stations with MCS. Diego Garcia Master Control Station Monitor Station Ground Antenna 2018/9/20

43 Control Segment Correct Orbit and clock errors Observe Create new
05:22:20 Control Segment Correct Orbit and clock errors Create new navigation message Observe ephemeris and clock The MCS, at Falcon AFB, is responsible for the overall command and control, which includes maintaining the exact orbits of each satellite and determining any timing errors that may be present in the highly accurate atomic clocks. The errors are corrected by Falcon with updated orbits and clock corrections relayed once a day to each satellite via four ground antennas. In the future, more monitor stations will be added to further refine the system. Military customers get better than required accuracy as a result. It is important to note that even though the Air Force operates the constellation of satellites on a day-to-day basis, the overall GPS program is jointly managed. The unit that develops the hardware (both military receivers and the actual satellites) is the GPS Joint Program Office (JPO) at Los Angeles AFB. There are, among others, Army, Navy, DoT, and even DMA Deputy Program Managers. Upload Station (5) Monitor Stations Falcon AFB 2018/9/20

44 由天线、接收机、微处理机和输入输出设备组成。用户分系统用于测定解算方位参数。
3．用户设备部分： 由天线、接收机、微处理机和输入输出设备组成。用户分系统用于测定解算方位参数。 2018/9/20

45 GPS的用户部分 组成 用户 接收设备 GPS信号接收机 其它仪器设备 2018/9/20

46 GPS的用户部分 GPS信号接收机 组成 天线单元 接收单元 带前置放大器 接收天线 信号通道 存储器 微处理器 输入输出设备 电源
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47 GPS的用户部分 天线单元 类型 单极天线 微带天线 锥形（螺旋）天线 背腔平面盘旋天线 四丝螺旋天线 空间螺旋天线 GPS天线
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48 GPS的用户部分 天线单元（续） 特点 单极天线 微带天线 锥形（螺旋）天线 背腔平面盘旋天线
单频或双频（双极结构）、需要较大的底板、相位中心稳定、结构简单 微带天线 结构简单、单频或双频、侧视角低（适合于机载应用）、低增益、应用最为广泛 锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线 – 单频、难以调整相位和极化方式、非方位对称、增益特性好、不需要底板 空间螺旋天线 – 双频、增益特性好、侧视角高、非方位对称 背腔平面盘旋天线 2018/9/20

49 GPS的用户部分 天线单元 天线特性 相位中心 相位中心、增益方式、带宽、极化 平均相位中心与几何中心 相位中心的偏移
L2的平均相位中心 1 2 L1的平均相位中心 r1 r2 天线单元 天线特性 相位中心、增益方式、带宽、极化 相位中心 平均相位中心与几何中心 相位中心的偏移 相位中心偏移的消除：归心改正、消去法 天线高 – 标志至平均相位中心所在平面的垂直距离 H’ H H h R 2018/9/20

50 GPS的用户部分 接收单元 接收（信号）通道 存储器 微处理器 输入输出设备 电源
定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。 类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等 存储器 微处理器 作用：数据处理、控制 输入输出设备 电源 2018/9/20

51 GPS的用户部分 2018/9/20

52 Third Component of GPS: User Segment
User segment comprises receivers that have been designed to decode signals transmitted from satellites for purposes of determining position, velocity or time. Receiver must perform the following tasks: select one or more satellites in view acquire GPS signals measure and track signal recover navigational data 2018/9/20

53 05:22:20 GPS - user segment 2018/9/20

54 四、GPS系统的功能及特点 基本功能：定位、定航迹、定姿态、定时授时
1．定位精度 静态相对定位，小于50KM基线上精度为1ppm，100~500KM基线上为0.1ppm，大于1000KM基线上可达0.01ppm。单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。 2．全球全天候定位 能为用户提供连续，实时的三维位置，三维速度和精密时间。不受天气的影响。 3．功能多，应用广泛 随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量，导航，测速，测时等方面得到更广泛的应用，而且其应用领域不断扩大。 2018/9/20

55 GPS advantages 2018/9/20

56 GPS disadvantages 2018/9/20

57 五、GPS用途概述 GPS是目前在用同类系统中最完善，应用最广泛的一个定位系统，由美国开发和布设完成并拥有的，但在一定程度上是全球共享的一个全球定位系统。 1．军事应用 对于美国政府来说，从一开始研制发展GPS系统，其军事应用目的就相当明确。毋庸置疑，现在各国对GPS的军、民用途认识已十分深刻，其实际应用也已十分广泛。其实，即使是在军事应用领域，使GPS大放异彩的也是在90~91年的海湾战争期间。原来认为GPS的应用主要是在后勤保障等非作战方面，海陆空三军作战部队装备的并不多。结果海湾战争成了GPS系统最大的，最真实的，充分发挥其效用的，广泛发掘其应用潜力的实验场。事实上在海湾战争后期，美军的所有作战部队及其舰船飞机都装备了GPS设备。 2018/9/20

58 GPS系统作为一种定位工具，其所以能发展起来并给予世界经济、军事、科技、人类生活带来巨大的广泛的影响，与社会经济的发展需要是离不开的。
现在其军事用途几乎无所不包。如侦察、为机船导航、精确制导武器的投放、执行战斗任务时为在航路或航道以外行驶的载体提供必须的实时定位信息，使之及时准确地到达目的地或返回基地。为近距离战斗中的的敌友双方提供精确定位，以确保远距离火力支援不误伤。尤其是在敌战区执行任务时，还要选择避开敌方火力范围，敌方所设雷区或设伏区，沿敌方不易发现或有地形隐蔽的航线达到目的地，因此也要为之提供实时的定位信息。 2．民用用途 GPS系统作为一种定位工具，其所以能发展起来并给予世界经济、军事、科技、人类生活带来巨大的广泛的影响，与社会经济的发展需要是离不开的。 A．导航 导航最基本的作用是为运载体提供的航向。引导飞机、船舰、车辆（总的称作运载体），还有个人，安全准确地沿着所选定的路线，准时地到达目的地。这一功能现在利用GPS系统提供的精确实时的位置参数能更有效的实现。 2018/9/20

59 为了满足各种要求，能统一的为各种需求提供服务，问题就逐步归结为：为运载体提供的实时位置参数。
过去也有各种导航系统在应用，但人类活动发展自20世纪以来，活动范围急剧扩大，不但是大范围的，而且是跨国界、跨洲际的，并且远涉及到了太空。人类活动依赖的工具从汽车、火车、轮船、飞机、直至宇宙飞船，速度越来越快。为了提高安全性和经济性，虽然将天空划分为联接地市间的一条条具有一定宽度和高度的航路，近海和港口内也规定船只只能沿有一定宽度的航道行驶。但大量的活动仍是在航道以外或是跨航道的。同时对长距离活动的精确性要求也越高，这个精确性还包括时间的准确性要求。尤其是自动化运载工具的运用，对运载过程的实时监控、航程及目的地位置和时间的确定，精确性要求更是极高。对此仅提供航向信息不能全部满足需求。 为了满足各种要求，能统一的为各种需求提供服务，问题就逐步归结为：为运载体提供的实时位置参数。 导航从低级到高级发展，对导航要求提高的结果是，使导航的功能从主要为运载体提供的航向转变为主要提供位置信息。例如美国海军1958年开始实施的NNSS海军卫星导航系统。在GPS诞生后已经宣布将停止使用。 2018/9/20

60 B．其它应用 90年代以来，随着卫星星座趋于完善，GPS的应用迅速扩展了，随着GPS宣布投入初步运行，其应用正在迅速扩张到国民经济各方面。除导航应用外，大地测绘，资源探查，交通管制、探险、抢险救灾，授时、通信、乃至旅游生活等多方面，皆对定位或是说将对定位提出越来越高，越来越多的要求。定位的需求必将越来越广泛。有说法是，定位的应用可以广泛到只是受人类想象力限制而已。 2018/9/20

61 Four Basic Functions of GPS
Position and coordinates. The distance and direction between any two waypoints, or a position and a waypoint. Travel progress reports. Accurate time measurement. 2018/9/20

62 Common Uses for GPS Land, Sea and Air Navigation and Tracking
05:22:20 Common Uses for GPS Land, Sea and Air Navigation and Tracking Surveying/ Mapping Military Applications Recreational Uses Collision avoidance, cargo monitoring, vehicle tracking, search and rescue operations, etc. Includes geophysical and resource surveys, GIS data capture surveys, etc 2018/9/20

63 Common Uses for GPS Military Specific: Navigation Surveying
05:22:20 Common Uses for GPS Military Specific: Navigation Surveying Target acquisition and destruction Missile Guidance Systems Joint Direct Attack Munition (JDAM) Tomahawk III Joint Stand Off Weapon (JSOW) Data Collection Integration with INS(Integrated Navigation System ) for High dynamic environment Search & Rescue Ops Summary Using GPS for mapping allows for the quick and effective capture of data in the field. Summary Complete definition of features and attributes prior to field work, means no time is wasted capturing the wrong information. GPS can be used not only for data capture, but also for navigation and GIS update. Different products are available for different applications. 2018/9/20

64 Commercial GPS Applications Span A Wide Range of Economic Activities
05:22:20 Satellite Ops: Ephemeris, Timing Power Grid Interfaces Personal Navigation Surveying & Mapping Trucking & Shipping Aviation Communications: Network Timing, Synchronization Recreation Railroads Fishing & Boating Off shore Drilling 2018/9/20

65 New Commercial Applications Are Developed Every Day
05:22:20 New Commercial Applications Are Developed Every Day Open pit mining Child safety Automatic snowplow guidance Spacecraft control Power grid management 2018/9/20

66 六、美国的GPS政策 GPS系统定位精度非常高，实时性又好，美国政府认为，这将对美国自身安全构成威胁。因此采取了一些政策措施对其应用精度加以限制。主要包括以下三方面 1．两种服务 GPS被设计成可提供提供两种定位服务：C/A码标准定位服务（SPS）和P（Y）码精密定位服务（PPS）。其中C/A码标准定位服务（SPS）为共享服务。 2．限制性措施SA政策 SA是为控制非授权用户得到高精度而采用的方法。SA（Selective Availability）即选择可用，是通过在非精密导航信息（民用码）里人为地加入高频干扰信号和降低卫星星历精度，从而降低了普通用户的定位精度，使民用单点定位误差达到100米。SA政策是影响民用定位精度的主要原因。2000年5月1日，克林顿总统宣布取消SA干扰，使GPS单点定位精度提高了10倍。 2018/9/20

67 SPS在未加选择可用性（SA）时，SPS服务精度可达：水平方向20～40m（2Drms），垂直方向45m（2σ），测速0
SPS在未加选择可用性（SA）时，SPS服务精度可达：水平方向20～40m（2Drms），垂直方向45m（2σ），测速0.2m/s（2σ），测时精度0.2μs（2σ）。如果用户有效的结合自建的地面系统，利用差分定位原理，可使实时定位精度提高到厘米量级。采取SA措施后， SPS服务的精度降低为：水平方向100m（2Drms），高度156m（2σ），测速0.3m/s（2σ），测时精度340ns（2σ）。 3．精测距码（P码）加密措施A-S技术 A-S（Anti-Spoofing）措施是用来反电子诱骗的。其目的是防止敌人仿真GPS信号和用干扰机对P码定位进行干扰。其方法是，将P码与机密的W码进行模2和而形成Y码。据透露，W码将严格保密，只有在国家紧急状态下或者短期试验时，才启用W码，形成Y码。 2018/9/20

68 Standard Positioning Service (SPS)
05:22:20 Standard Positioning Service (SPS) Available to all users Accuracy degraded by Selective Availability until 2 May 2000 Horizontal Accuracy: 100m Now has roughly same accuracy as PPS 2018/9/20

69 Selective Availability (S/A)
The Defense Department dithered the satellite time message, reducing position accuracy to some GPS users. S/A was designed to prevent America’s enemies from using GPS against us and allies. In May 2000 the Pentagon reduced S/A to zero meters error. S/A could be reactivated at any time by the Pentagon. 2018/9/20

70 Precise Positioning System (PPS)
05:22:20 Precise Positioning System (PPS) Authorized users ONLY U. S. and Allied military Requires cryptographic equipment, specially equipped receivers Accurate to 21 meters 95% of time 2018/9/20

71 05:22:20 Anti-Spoofing (A-S) P-Code +W-Key Y-Code Protects military receivers from receiving a “fake” P-Code P-Code modulation on both L1 and L2 No plans to phase out Continuously on since January 31, 1994 Anti-Spoofing (A-S) is done not to prevent others from reading the P-code, but to prevent them from broadcasting a fake P-code. Ever since Feb 94, A-S has been on continuously. At the SV, the P-codes are encrypted with a W-code, and broadcast as Y-codes. Numerous DoD directives say that U.S. military forces will not operate on the battlefield with receivers that are not capable of reading and un-encrypting the Y-code. To do this, the receiver needs a special circuit that is only available in military UE sets, and a current crypto key. There are several types of keys, but they all allow the military UE set to read the encrypted codes, and remove the effects of SA. Every once in awhile, A-S is turned off for short periods for testing and other classified purposes. Two types of keys are Group Unique Variable and the Crypto Variable Weekly GUV key lasts 54 weeks and is transmitted from the transmitters every 12 1/2 minutes. A GUV key decrypts the daily key sent by the satellites. CVW automatically generate daily keys in the PLGR and don’t require the daily key from the satellites. 2018/9/20

72 Resistance to Jamming Low power signal is vulnerable to jamming
05:22:20 Resistance to Jamming Low power signal is vulnerable to jamming Intentional or unintentional jamming Theater wide jamming Local area jamming The P-Code is phase modulated to provide better resistance to jamming DoD working on electronic warfare enhancements to deny disruption and spoofing. Direct Y-Code Receivers Theater jamming capability Electronic interference is transmitted power that impairs reception of GPS satellite signals. The power can be from natural or man made sources. It consists of interfering, typically noise like, signals being transmitted at frequencies in the frequency band of the receiver. Jamming signals are generally only effective along “Lines of Sight” depending upon the strength of the jammed signal. The positional accuracy usually decreases as electronic interference increases. An SPS receiver will have difficulty locking on to and tracking satellite signals at low jamming levels. At medium or high jamming levels this C/A code will not be able to lock on or track at all. A PPS receiver will be effected ranging from not being effected to greatly reducing the accuracy and satellite tracking capability of the receiver. Having the encryption loaded, a PPS receiver can track and decode Y code signals enabling your receiver to remove the selective availability (SA) errors, implement its anti-spoofing (A/S) function, and provide minimal protection against jamming. This is a direct cause of the encrypted receiver having the capability of demodulating the Y code that was modulated on the signal at the satellite. 2018/9/20

73 七、反限制性政策的措施 为了突破美国的控制和限制，各国学者、专家包括美国的一些用户，纷纷研究克服美国控制措施的技术，以充分开发、应用GPS资源。 1．建立独立的GPS卫星测轨系统 精确测定GPS卫星的星历，供非特许用户使用 2．建立独立的卫星导航与定位系统 前苏联GLONASS全球卫星导航系统 欧洲NAVSAT（伽利略卫星导航定位系统计划） 3．开发GPS与GLONASS兼容接收机 4．发展差分GPS定位技术 差分定位是在一个已知点上设立基准站，跟踪观测GPS卫星，测定各卫星伪距观测值的修正值；通过差分数据传输系统，实时发送给活动站；活动站观测GPS卫星伪距，经差分修正后，进行定位解算。DGPS可消除SA的影响，还可消除电离层和对流延迟误差，其实时定位精度可达10～15m，事后处理可达3～5m。其作用距离为300~500km。 2018/9/20

74 八、其它国家的GPS 1、俄罗斯用20年时间发射76颗GLONASS卫星。1995年完成24颗中高度圆轨道卫星加1颗备用卫星组网，耗资30多亿美元，由俄罗斯国防部控制。GLONASS空间部分也由24颗卫星组成。GLONASS未达到GPS的导航精度。 其应用普及情况远不及GPS。 前一时期由于经济困难无力补网，原来在轨卫星陆续退役，目前在轨道上只有6颗星可用，不能独立组网，只能与GPS联合使用。 GPS定位精度可达15米，测速精度0.1米／秒；GLONASS导航定位精度约为30—100米，测速精度0.15米／秒。 2018/9/20

75 2、欧洲伽利略导航卫星系统计划 如果人们能免费喝到 可口可乐，他们何至于自掏腰包买百事可乐呢？”
欧洲1999年初正式推出伽利略导航卫星系统计划。该方案由21颗以上中高度圆轨道核心星座组成，另加3颗覆盖欧洲的地球静止轨道卫星，辅以GPS和本地差分增强系统，首先满足欧洲需求，位置精度达几米。计划在2001年4月5日欧盟交通部长会议上获得批准，确定30颗卫星总投资为35亿欧元。预计系统于2008年投入运行。伽利略系统独立于GPS，频段分开，但将与GPS系统兼容和相互操作。根据欧委会的文件，伽利略虽是民间系统，但仍受控使用，采取反欺骗、反滥用和反干扰措施，在战时可以对敌方关闭。 成本？ 如果人们能免费喝到 可口可乐，他们何至于自掏腰包买百事可乐呢？” 2007年05月13日 “美报称伽利略计划有可能陷入无人接手的危机 ” 2018/9/20

76 九、我国GPS的发展 1、北斗一号 “北斗一号”卫星导航系统正是80年代提出的“双星快速定位系统”的发展计划。突出持点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站。 从2000年到2003年5月，我国共发射3颗空间卫星，组成了完整的卫星导航定位系统，确保全天候、全天时提供卫星导航信息。社会效益远大于经济效益。 标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家，该系统的建立对我国国民国防和经济建设将起到积极作用。 “北斗一号”的定位精度为水平精度100米(1σ)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率： MHz。系统能容纳的最大用户数为每小时540000户 2018/9/20

77 “北斗一号”导航系统与GPS和GLONASS有很大的不同
二 是卫星的数量和轨道是不同的。“北斗一号”是3颗，位于高度近36000千米的地球同步轨道。 三 是定位原理不同。“北斗一号”是用户先应发射需要定位的信号，通过卫星转发至地面控制中心，地面控制中心解算出位置后再通过卫星转发给用户；而GPS和GLONASS只需要接收4个卫星的位置信息，由自己解算出三维坐标。 2018/9/20

78 北斗应用有五大优势 一，它同时具备定位与通讯功能，不需要其他通讯系统支持。而GPS只能定位。
二，覆盖范围大，没有通讯盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务。三，特别适合于集团用户大范围监控管理和数据采集用户数据传输应用。 四，融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，因此也可利用GPS使之应用更加丰富。 五，自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用。 2018/9/20

79 “北斗”一号定位系统几个致命缺点 一、用户部分不能无线电静默，需要时时和卫星和地面站之间有信息传递。在战场意味着容易被干扰和攻击。 二、主控站位置容易暴露受攻击，卫星太少。一句话，系统生存能力比较低。 三、这种原理的定位误差的可控性不能无限制的提高。 2018/9/20

80 2、北斗二号 2007年4月14日4时11分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将一颗北斗导航卫星送入太空。这次发射的北斗导航卫星（ＣＯＭＰＡＳＳ－Ｍ1），是中国北斗导航系统（ＣＯＭＰＡＳＳ）建设计划的一颗卫星，飞行在高度为21500千米的中圆轨道。 2007年2月3日在西昌成功发射一颗北斗导航试验卫星，卫星准确入轨，目前星地试验工作顺利。 2018/9/20

81 正在建设的北斗2号卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度0．2米／秒。 将在未来几年里陆续发射系列北斗导航卫星，计划2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求，并进行系统组网和试验，逐步扩展为全球卫星导航系统。这个系统将主要用于国家经济建设，为交通运输、气象、石油、海洋、森林、通信、公安等部门以及其他特殊行业提供高效的导航定位服务。 2018/9/20

82 十、其它定位技术 位置业务（LBS，Location Based Service）是指移动网络通过特定的定位技术来获取移动终端的位置信息
从而为终端用户提供附加服务的一种增值业务 可广泛应用于紧急救援、导航追踪、运输调度、移动黄页等诸多方面。 2018/9/20

83 1 基于网络的CELL-ID定位技术 基于网络的CELL-ID定位技术
一种最简单的定位技术，适用于所有蜂窝网络，且无需对手机和网络进行修改，就可以向当前的移动用户提供自动定位业务。 根据移动终端所处的蜂窝小区ID号来确定用户的位置，因此其定位精度完全取决于移动终端所处蜂窝小区半径的大小，从几百米到几十公里不等。 与其它技术相比，该技术投资较少，定位响应时间较短，一般在3s以内，但其精度最低，误差较大。 2018/9/20

84 2 OTDOA定位技术 OTDOA（Observed Time Difference of Arrival）
是一种应用于3G网络的定位方式。 通过移动终端测量不同基站的下行导频信号的到达时刻（TOA，Time of Arrival）实现定位 其定位精度较高，定位范围约为100～200m 对时间基准的依赖性较强，同时受多径干扰的影响也较大 OTDOA定位响应时间比CELL-ID略长，大约要10s。 该技术无需对手机进行修改而只需修改网络，即可直接向现有用户提供服务。 2018/9/20

85 3 A-GPS定位技术 A-GPS（Assisted Global Positioning System） 即网络辅助的全球定位系统
是一种结合了网络基站信息和GPS信息对移动终端进行定位的技术，可以在2G和3G网络中使用。 优势主要在其定位精度上，在室外等空旷地区，正常工作环境下其精度可达5～10m，堪称目前定位精度最高的一种定位技术。 利用网络传来的辅助信息可以增强TTFF（Time To First Fix），其首次捕获GPS信号的时间大大减小，一般仅需几秒，而不像GPS的首次捕获时间可能需要2～3min。 A-GPS定位响应时间为3～10s之间。 2018/9/20

86 为了解决终端在室内以及在城市中被建筑物遮挡而难以接收GPS信号的缺陷，一般A-GPS技术解决方案还考虑了CELL-ID定位技术作为备用方案，这样就大大提升了A-GPS的定位能力。
2018/9/20

87 TD—SCDMA采用智能天线，不仅知道离基站有多远，而且知道方位（角），角度加上时间，加上基站的识别码，可以很精确的定位。
低成本下TD定位精确度和GPS相当 2018/9/20

88 十一 GPS市场动态 United States GPS Policy
05:22:20 十一 GPS市场动态 United States GPS Policy “Our goals are to: …Encourage private sector investment in and use of U.S. GPS technologies and services.” 2018/9/20

89 Interagency GPS Executive Board
05:22:20 Interagency GPS Executive Board Defense Transportation State Commerce Interior Agriculture In fact, the offices of the IGEB are located at the Department of Commerce building in Washington, D.C., and I have the pleasure of serving there for the past two and a half years. Joint Chiefs of Staff NASA Justice 2018/9/20

90 Why Department of Commerce?
05:22:20 Primary mission: promote commercial market growth and trade DOC represents the largest GPS constituency Commercial industry Commercial end users National Geodetic Survey, National Weather Service, NOAA Corps, National Institute of Standards and Technology, Census Bureau GPS Interagency Advisory Committee DOC operates CORS (Continuous Operational Reference System ) augmentation system DOC manages federal radio spectrum 2018/9/20

91 Huge Potential Exists in the Market for Value Added Services
Software development Embedded applications Localized GIS (Geographic Information System ) databases Internet integration Wireless markets M-Commerce 2018/9/20

92 Commercial Applications Dominate the GPS Market
05:22:20 Commercial Applications Dominate the GPS Market Data for Year 2000 Source: DOC, 1998 2018/9/20

93 Worldwide GPS Hardware Sales Expected to Exceed $9B in 2002
05:22:20 Worldwide GPS Hardware Sales Expected to Exceed $9B in 2002 (Projected) $Billions Figures represent GPS hardware producer revenues. They do not include revenues from the space segment or from value-added services. Previous studies included value-added services, which is why these numbers seem lower. 2018/9/20 Source: DOC, 2001

94 2018/9/20

95 2018/9/20

96 Unit Cost of Receivers Is Falling at ~30% Per Year
05:22:20 Unit Cost of Receivers Is Falling at ~30% Per Year $800 $600 $400 $200 1991 1993 1995 1997 1999 Source: U.S. GPS Industry Council, 1995 2018/9/20

97 1美元蓝牙＋GPS单芯片方案 2018/9/20

98 GPS Sales by Geographic Region
05:22:20 GPS Sales by Geographic Region  1998  U.S. Japan 32% 47%  2003  U.S. Japan Europe Asia 30% 44% 18% Other 2% 1% Europe 23% Other Asia 1% 2% Source: DOC, 1998 2018/9/20

99 U.S. Policy Promotes Global Market Growth
05:22:20 U.S. Policy Promotes Global Market Growth Free signals from space (current and future) Openly published documentation enabling anyone to build receivers -- no licensing fees Promotion of GPS as a world standard leads to economies of scale in receiver production -- lower costs for producers and consumers Deactivation of Selective Availability fueled consumer demand by dramatically improving basic service 2018/9/20

100 Commerce Department Roles in Fostering GPS Market Growth
05:22:20 Commerce Department Roles in Fostering GPS Market Growth Uphold and promote the successful U.S. GPS policy both domestically and internationally Eliminate trade barriers to accelerate worldwide sales of GPS goods and services Publish statistical analyses and forecasts of the GPS market for use by investors and decision makers Participate in conferences, workshops, site visits to keep finger on pulse of industry Educate audiences worldwide on existing opportunities for GPS market development Convey industry desires and concerns to IGEB to keep system responsive to user needs 2018/9/20

101 Commercial Interests Influence the Future of GPS and GPS Management
05:22:20 Commercial Interests Influence the Future of GPS and GPS Management GPS modernization User requirements for future generations of GPS New signal designs Implementation schedules Program funding Galileo cooperation Protecting interests, investments of GPS user base Ensuring level playing field for commerce Maximizing benefits of combined GPS-Galileo service Spectrum protection GPS information dissemination Protection of the user base means: No degradation of service Freedom of choice for end users Lower costs through free market competition Ensuring a level playing field for commerce means: Nondiscriminatory access to specifications Nondiscriminatory access to markets Maximizing benefits of combined GPS-Galileo means: Interoperability Simplified receiver design 2018/9/20

102 DOC Roles in GPS Modernization
05:22:20 DOC Roles in GPS Modernization Helped collect and advocate civilian user needs for the future GPS service Early proponent of a third civilian signal Participated in the design and frequency selection for the two new civil signals Led studies and analyses demonstrating the economic benefits of GPS modernization Endorsed high-level recommendations to the White House to deactivate SA and accelerate implementation of civilian capabilities Participated in Congressional outreach 2018/9/20

103 GPS-Galileo Negotiations: Commercial Issues at Stake
05:22:20 GPS-Galileo Negotiations: Commercial Issues at Stake Interoperability Reuse of GPS frequencies may simplify GPS-Galileo receiver design Degradation of service for existing GPS users must be avoided Access to Galileo specifications U.S. seeking equal access to all documentation needed to build Galileo receivers Access to markets U.S. seeking to prevent any discriminatory barriers to trade within Europe U.S. concerned that Europe may push standards, regulations that effectively mandate use of Galileo 2018/9/20

104 中国市场 到2006年汽车量突破3300万辆 保持10％至15％的增长速度 截至２００５年底，中国配备ＧＰＳ导航设备的汽车不足１０万辆
日本的ＧＰＳ系统车载使用率高达５９％，欧美约为２５％。 07年整个GPS市场有望达到200亿元的规模 中国经济时报 ：中国将成全球最大ＧＰＳ市场  2018/9/20

105 制约车载GPS消费市场的四大因素 1、 消费需求不强烈。美国、日本，日常开车出行半径在数百公里，而中国大多数日常出行半径里程仅为其1／10
2、缺乏行业标准。标准化问题是GPS车辆跟踪系统产业化的核心问题。目前，不同公司的GPS产品及运营系统不能通用、兼容、联网。 3、产品价格过高。高端8000元，中端5000元低端2000元左右。 4、地图有待开放。在GPS导航系统中，最重要的就是该产品所提供的电子地图了。在中国出于国家安全的考虑，政府对地图数据进行严格控制。另外，由于中国正在对基础设施和道路进行大规模的升级改造，所以需要经常对地图进行更新。这就造成了电子地图的制作和更新成本居高不下，无法进行市场化运作。 2018/9/20

106 手机＋GPS？ 手机定位？ 2018/9/20