导航原理 4.3 GPS全球定位系统

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1、GPS全球定位系统西安电子科技大学电子工程学院探测制导系二0一二年主要内容了解GPS的发展与现状GPS的前身GPS的原理简介GPS计划的变更GPS计划的实施GPS卫星GPS的组成GPS的现代化GPSIII熟悉GPS的基础概念掌握GPS定位与导航的原理了解GPS的作用和应用领域2GPS的前身近、现代的常规定位方法采用的仪器设备尺：铟钢尺光学仪器：经纬仪，水准仪电磁波或激光仪器：测距仪综合多种技术仪器：全站仪观测值角度或方向观测距离观测天文观测方法3GPS的前身需要事先布设大量的地面控制点/地面站无法同时精确确

2、定点的三维坐标观测受气候、环境条件限制观测点之间需要保证通视需要修建标志/架设高大的天线边长受到限制观测难度大效率低：无用的中间过渡点受系统误差影响大，如地球旁折光难以确定地心坐标4GPS的前身1957年，前苏联成功发射第一枚人造卫星“斯普特尼克”1号(Sputnik-1)进入轨道后不久，美国詹斯·霍普金斯（JohnsHopkins）大学应用物理实验室（APL）两位科学家在跟踪这颗苏联卫星时无意中发现，他们收到的无线电信号有多普勒频移效应，即卫星在飞近地面时，接收机收到的无线电频率逐渐增高，飞远时则逐渐降低

3、。科学家研究后产生灵感，卫星的轨道可由地面站测得的多普勒频移曲线确定，若知道卫星的精确轨道，不就能确定地面接收机的位置了吗?5GPS的前身美国科学家们随即倡议利用卫星，为其核动力弹道导弹潜艇进行定位导航，以修正惯性导航系统的时间累积误差。1958年底，美国海军研究实验室（NavalResearchLaboratory——NRL）提出利用“多普勒频移效应”与“标准时间差”定位原理的卫星定位系统构想，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统NNSS——“海军导航卫星系统”（NavyNavigationSatel

4、liteSystem）。该系统卫星都通过地极，也称“子午仪卫星系统(Transit)”。6GPS的前身1960年4月开始发射首颗卫星，1964年1月正式运行，开始提供军用服务，1967年7月系统解密，开放给民间使用，此后曾进行两次改进，使系统精度有所提高。1988年8月进行最后一次发射，2000年系统报废。NNSS在导航技术的发展中具有划时代的意义，研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。7GPS的前身但该系统卫星数目少（5-6颗），运行轨道低（

5、1000km），观测时间长（1.5小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观测1-2天；精度低，单点定位精度3-5m，相对定位精度1m，使得在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到很大限制。8GPS的前身卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性,且子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面巨大缺陷。为此美国海军研究实验室（NRL）提出了Tinmation计划，用12到18颗卫星组成1万km高度

6、的全球定位网计划，于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星。在这些卫星上初步试验了星载原子钟计时系统，成为GPS系统精确定位的基础。9GPS的前身美国空军也提出了代号为621B的卫星定位系统的概念研究，以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道。卫星采用伪随机码（PRN）调制传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的１％时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的又一个重要基础。10GPS的前身海军的计划

7、主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务。然而系统过于复杂，又由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，而且这两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以1969年美国国防部长办公室建立了国防卫星计划，将陆海空等各军种的研制工作统一起来，以形成联合使用的系统。11GPS计划的提出1973年美国国防部将2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（JPO）领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代

8、表。为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年12月，经过美国国防部批准，正式进行GPS系统的研制。12GPS计划的提出GPS，即“导航卫星授时测距/全球定位系统”（NavigationSatelliteTimingandranging/GlobalPositioningSystem），简称全球定位系统，是一种定时和测距的空间交会定点导航系统。GPS是美国继阿波罗登月计划、航天飞机计划之后的又一项