(2)GPS基本原理培训

GPS基本原理2010.07

概 述 什么是GPS GPS的用途有哪些？ GPS系统及信号 GPS静态测量方式 GPS动态定位

定义 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。

GPS的发展简史(一) 1957年10月4日 第一颗人造卫星 Sputnik I 发射成功。 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。 TRANSIT系统 卫星：6颗

极地轨道 轨道高度：1100km 信号频率：400MHz、150MHz 绝对定位精度：1m 相对定位精度：0.1m~0.5m 定位原理：多普勒定位 存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低， 难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。

GPS的发展简史(二)

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。 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。

GPS的发展简史(三)

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。

其它卫星导航定位系统GLONASS(俄) - Global Navigation Satellite System 卫星：21+3 轨道高度：19100km 信号频率：1602~1616MHz、1246~1256MHz Galileo(欧)

GPS的应用途 军事、国防 陆路交通(车辆导航、监控)、航运、航空 搜索、救援 遥感 测量 卫星定轨 资源勘探 通讯 广播、电视 电力 时间传递 ….

GPS系统及信号 系统构成 工作原理 信号结构 变化中的美国GPS政策 GPS接收机

GPS的系统组成(一)- 系统组成

GPS系统的组成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

GPS的系统组成(二)- 空间部分(1) GPS的空间部分(GPS卫星星座) 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：28颗

GPS的系统组成(三)- 空间部分(2) GPS卫星 作用： 发送用于导航定位的信号 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。

主要设备：原子钟(2台铯钟、2台铷 钟)、信号生成与发射装置 类型 试验卫星：Block Ⅰ 工作卫星：Block Ⅱ – Block Ⅱ – Block ⅡA – Block ⅡR – Block ⅡF(新一代的GPS卫星)

GPS的系统组成(四)- 地面控制部分(1) GPS的地面控制部分(地面监测系统) 组成：主控站(1个)、跟踪站(5个)和注入站 (3个) 作用：监测和控制卫星运行，编算卫星星历(导 航电文),保持系统时间。

GPS的系统组成(四)- 地面控制部分(2) 主控站(1个) 作用： 收集各检测站的数据，编制导航电文，监控卫星状态； 通过注入站将卫星星历注入卫星，向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况的处理。 地点：美国克罗拉多州法尔孔空军基地。 跟踪站(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。 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)。

GPS的系统组成(四)- 用户设备部分 用户设备部分 - GPS信号接收机及相关设备 接收、跟踪、变换和测量GPS信号的设备 多数采用石英钟

GPS的位置基准与时间基准 位置基准 – WGS-84(World Geodetic System - 1984) 广播星历采用 建立：NIMA(DMA) 参考椭球：长半轴：6378137m,扁率：1/298.257223563,大 地水准面：EGM ITRF IGS精密星历采用 建立：IERS 参考椭球：GRS80 时间基准 – GPS时间(GPS Time) 原子时 表示方法：GPS周 + 一周内的秒数 起点：1980年1月6日0时 与UTC的关系： 1980年1月6日0时与UTC一至，目前由于跳秒的原 因，相差32.0秒

GPS工作的基本原理(一) GPS工作的基本原理 – 距离后方交会 已知点：GPS卫星 待定点：接收机(天线)

武汉大学 测绘科学与技术学院 卫星应用研究所

GPS工作的基本原理(二) GPS工作的基本流程

GPS的信号结构(一) GPS信号的基本组成部分(信号分量) 载波(Carrier Phase) 测距码(Ranging Code) 导航电文(Navigation Message/Data Message) 载波 作用：搭载其它信号，也可用于测量(测距)。 类型 目前 L1:频率：1575.43MHz,波长：19cm L2:频率：1227.60MHz,波长：24cm 现代化后 增加L5:1176.45MHz,波长：26cm

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