“卫星定位理论与方法”的课件

测绘学院航海系第01课李建文2007-3-7课程的性质和现状“卫星定位理论与方法”是面向所有测绘的本科课程. 其主要目的是使学生全面系统地掌握卫星导航和定位的基本理论和方法，了解几种主要卫星定位系统的概况，为卫星定位和定位的应用奠定良好的理论基础. 相关技术和卫星大地测量学的进一步研究. 本课程与其他课程之间的关系还适用于“大地测量学”，“卫星导航”，“卫星定位理论和方法”，工具的基础知识，“现代测量”，“误差理论和测量”，“大地测量学的基本调整”“基本”“计算编程语言”，“英语”，“计算机基础”，“高级数学”，“线性代数”，“大学物理”％“卫星定位理论和方法”课程内容第一章概述卫星定位指南第2章坐标系统和时间系统第3章卫星轨道运动第4章卫星定位的基本原理第5章卫星定位的主要误差源第6章卫星差分定位第7章主要卫星定位系统第8章卫星定位应用参考书徐启峰（ 1994），《 GPS卫星导航与精确定位》，人民出版社；周中模等. （1992），“ GPS卫星测量原理和应用”，测绘出版社；刘继玉等. （1995），“全球定位原理和应用”，测绘出版社；徐少全等. （1998），“ GPS测量原理与应用”，武汉测绘大学出版社； 5.张守新（1996），“ GPS卫星测绘的理论与应用”，国防科技大学出版社； 6.高成发（2000），《 GPS测量》，人民交通出版社； 7.方群（1999），“卫星定位与导航基础”，西北工业大学出版社； 8.洪大勇（1998），“ GPS全球定位系统技术与应用”，厦门大学出版社； 9.张凤举等. （1997），《 GPS“定位技术”》，煤炭工业出版社； 10. Bradford W. Parkson，全球定位系统: 理论与应用11.克里斯·里佐斯（Chris Rizos），GPS测量的原理和实践1. 2. 3. 4.参考期刊和网站[1]测绘杂志[2]的公告测绘[3]全球定位系统[4] GPS世界[5]大地测量学杂志http://www.faa.gov第1章卫星定位概述第1章卫星定位概述1.1基本概念1.2对卫星发展的回顾卫星定位1.3卫星定位的主要方法1.4卫星定位的主要测量技术1.5卫星定位的主要特征1.6卫星定位应用简介1.1基本概念1.导航在艺术和科学领域中指导安全，高效地移动物体.

导航的词源（拉丁海军，“船”；敏捷，“向导”）. 传统概念: 这是将船或其他水上交通工具从一个地方引向另一个地方的艺术和科学；现代概念: 引导陆地，空中，水面，水下，太空和其他车辆1.导航思南水上漂浮思南2.定位①使用仪器测量物体的位置②通过测量确定的绝对位置直接确定点指定坐标系中的位置计算坐标差测量下的三维坐标的相对位置，并将指定坐标系下坐标绝对定位所需的条件计算为全局统一坐标系一项需要国家间共同衡量的技术可以在全球范围内简单方便地实施. 或方法. 天文学方法很难实现吗？ 3.导航和定位之间的关系一般需要确定点坐标；实现方法不同. 点精度要求不同的实时性，连续性，不同的可靠性和完整性要求. 4.卫星定位卫星定位以人造地球卫星为观测目标，通过测量用户到卫星的方向gps测量原理及应用土木，距离或距离变化率（距离差），可以对用户坐标和运动状态进行测量和定位. 确定何时知道参与联合测量的卫星坐标或其他台站坐标. ρPR rsSρO的基本原理卫星S的位置矢量: rS站的位置矢量P: R站到卫星的矢量: ρρ= rS？ R4卫星定位NNSSGPS1.2卫星定位的发展回顾1.卫星定位概念的提议1957年10月4日，前苏联在拜科努尔发射场成功发射了世界上第一颗人造地球卫星（Spuntnik），开创了太空新时代技术.

Spuntnik卫星在椭圆轨道上运行，其近地点为215公里，最高点为947公里，轨道倾角为65度，周期为96.2分钟. Spuntnik卫星1.提出了卫星定位的概念. 霍普金斯大学应用物理实验室（APL）对Spuntnik卫星发射的信号进行了跟踪研究，发斯大学应用物理实验室开发了海军导航卫星系统（NNSS）. NNSS于1964年9月成功开发并投入使用； 1967年7月，美国政府宣布该系统也打算用于民用. NNSS是一种使用卫星作为“基站”的距离测量系统. NNSS基于卫星导航. 它改变了使用地面导航站作为定位标准的传统的基于的地面导航. 它在技术上取得了重大突破，并且定位精度有了显着提高.

NNSS卫星NNSS ϵͳNNSS系统的卫星星座由6个分布在6个轨道平面内的低轨道卫星组成. 轨道高度为1075 km，轨道平面倾斜角为90°，运行时间为120分钟. 它的轨道穿过地球的南北两极，并且与地球的子午线一致，因此也称为子午线系统. NNSS已在世界范围内实现了核潜艇，导弹测量船，各种军用和民用船的全天候导航，并已广泛用于大地测量，高精度定时gps测量原理及应用土木，地球自转监测等方面，显示了卫星的优越性导航和定位性别. NNSS系统的优势涵盖了全球全天候统一坐标系. 统一的时间系统具有较高的定位精度和统一性，并且不会随时间变化. NNSS系统的局限性①只能获得二维解（B，L）②观测时间长，无法实现高速定位③卫星数少，高度低，等待时间长卫星较长（间隔较长），无法实现实时定位. ④轨道较低，难以准确确定轨道“单颗卫星，低轨道，速度测量”. 系统确定了上述限制. 3.第二代卫星定位导航系统问: 第一代卫星定位导航系统有上述局限性，如何克服？ “单星，低轨道，速度测量”系统A: 采用“多星，高轨道，测距”系统建立了新一代卫星导航系统GPS. 1964年，美国海军和空军开始研究新一代卫星导航系统. “ 621B”计划和“ TIMATION”计划是分别提出的.

1973年，美国国防部正式批准由海军，陆军和空军联合开发新一代卫星导航系统-全球定位系统（GPS）. 1993年12月8日，GPS系统达到其最初的工作能力，并且该星座已满24颗卫星. 1995年7月17日达到了全部操作能力. GPS的出色性能被誉为导航和定位领域的一次革命； “其应用前景仅受人们的想象力限制”（前副总统阿尔·戈尔）. GPS卫星星座由位于6个轨道平面上的24颗卫星组成，轨道高度约为20,000 km，轨道平面倾斜度为55°，运行时间为11小时58分钟. GPS实现了全球性的，全天候的，连续的，实时的，高精度的导航和定位，这对人类活动产生了很大的影响. 目前，GPS已广泛用于导航，高精度时间服务，大地测量，工程测量，地籍测量和地震监测等各个领域. GPS ϵͳGLONASS ϵͳ前苏联于1976年开始开发GLONASS（全球导航卫星系统，全球导航卫星系统）. 第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射. 1996年1月18日，布局为24 + 1卫星完成后，整个系统开始正常运行. GPS是受美国军事和政治因素控制的美国军事导航系统.

为了摆脱对美国的控制，一些国家或团体已经建立或计划建立满足其应用目的的卫星导航和定位系统. GLONASS ϵͳ GLONASS卫星星座由位于三个轨道平面上的24颗卫星组成，轨道高度约为19000 km，轨道平面倾斜角为64.5°，工作时间为11小时15分钟. GLONASS星座GLONASS卫星Galileo欧洲公司于1994年制定了建立未来全球民航卫星系统的战略计划，计划投资超过30亿欧元，到2010年完成. 2006年，第一颗Galileo测试卫星成功获得了成功. 推出了. 考虑到民用，GPS和GLONASS属于军事导航和定位系统. 为了打破一两个国家军事部门对卫星导航系统的控制并满足民用用户（尤其是航空用户）的要求，国际民航组织，国际海事卫星组织，欧洲等一直在倡导完全控制卫星的发展. 自1990年代以来的平民化全球导航卫星系统. Galileoϵͳ27 / 3/1 3轨道表面56度23616km 20年680千克14h4m载波中心频率: 1176.45，1207.14，1278.75，1575.42 GALILEO DATAaltitude〜23616 km SMA 29993.707 km沃克27/3/1星座倾角56度27 + 3颗卫星在三个中等大小地球轨道（MEO）？期间14小时4分钟？地面轨道重复大约10天，伽利略系统的组成是全球设备区域设施IMS网络IULS本地设施区域上游NAV SIS ICC卫星星座... C波NAV SIS NAV SISS波... IMS NetworkNAV SIS段监控站TTC上行...段ICC IMS上行任务GCCL波段导航COSPAS-SARSATUHF搜救地面设施外部辅助系统全球设施，区域设施，本地设施，用户部分北斗卫星导航系统BD-1卫星导航定位该系统自行发射两颗地球同步导航和定位卫星分别于2000年10月31日和12月21日建立了中国第一代卫星导航和定位系统，真正为中国卫星导航产业的发展掀开了新的篇章. 25日，第三颗“北斗一号”导航定位卫星（备用星）成功发射.

它与“北斗一号”的前两个工作星形成一个完整的卫星导航定位系统，以确保24/7全天候提供卫星导航信息. 2007年3月，第四颗“北斗一号”导航定位卫星（置换卫星）成功发射. BD-2卫星导航和定位系统类似于GPS卫星导航系统. 1.3卫星定位的主要方法1.3卫星定位的主要方法定位方法静态定位动态定位绝对定位相对定位按运动状态分类静态定位在定位过程中保持静止，或者在观察期间可以忽略点位置的变化. 动态定位用户在定位过程中处于运动状态. 根据参考点的位置不同，绝对定位有时称为单点定位. 它使用卫星和用户之间的距离观测值来直接确定相对于坐标系原点（地球质心）的用户天线. 绝对坐标的定位方法. 相对定位相对定位是一种使用卫星定位技术来高精度确定两个点之间的相对位置关系的方法. 1.3卫星定位的主要方法1.4卫星定位的主要测量技术1.4卫星定位的主要测量技术卫星激光测距载波相位测量伪距测量卫星高度测量技术卫星多普勒测量动态实时定位差分卫星定位1.卫星激光测距卫星激光测距仪主要记录从发射激光脉冲的时刻到激光束被卫星反射到反射镜并返回仪器的时间间隔.

此时的卫星与观测站之间的距离可以从时间间隔中得出. 利用这些数据，可以进行卫星轨道确定，台站坐标计算以及广泛的地球动力学研究. 1.卫星激光测距激光测距的精度已达到约1厘米. 卫星激光测距是目前最精确的绝对（地心）定位技术，在定义全球地心参考系统中起着决定性作用. 它还可以准确确定地球的极移和不均匀旋转；卫星重力技术用于确定地球的重力. 低场系数的主要手段是建立地球参考系统（CTS）并将其转换为天参考系统（CIS），以及研究地球动力学的基本手段. 2.卫星多普勒测量在已知卫星的位置，多普勒效应原理用于测量卫星发送的信号的多普勒频移（卫星发送的信号与卫星接收的信号之间的频率差）. ）来确定测量值. 测站的坐标. ρfr = fs（1？）c2. 卫星多普勒勘测卫星多普勒勘测是卫星大地测量的成熟方法之一. 其核心功能是获取站的高精度地心坐标并在大地测量中对其进行控制. ，摄影和地球物理控制点，海洋和极地大地测量学，极移等领域广泛使用ρfr = fs（1？）C3. 伪距测量定位使用接收到的卫星信号，单向测量卫星到的距离，但要通过这种方式来实现定位. 由于一般接收机的时钟与系统时间不同步，因此测得的距离包含了接收机时钟差的影响，称为伪距.

ρ′=（XS？X）+（Y？Y）+（Z？Z）+ c？ δt2 S 2 S 2伪距ρ′，卫星位置（XS，YS，ZS），位置（X，Y，Z），时钟差δt3. 伪距测量定位在伪距测量定位中，可以从导航消息中计算卫星的位置，因此未知量是接收机的三维位置和时钟差. 4次伪距观测以确定未知数. ρ′=（XS？X）+（Y？Y）+（Z？Z）+ c？ δt2 S 2 S 2伪距ρ′，卫星位置（XS，YS，ZS），位置（X，Y，Z），时钟差δt3. 伪距测量和定位GPS使用两个测距码: 粗略采集码（C / A码）和精细码（P码）. 使用C / A代码进行动态单点定位时，民用用户的定位误差为20到30米；对于美国授权用户，使用P代码进行单点定位时的定位精度约为10米. 尽管定位精度不是很高，但是伪距导航仍然是最基本的定位方法之一，因为它具有设备成本低，操作方法灵活，定位速度快以及不存在歧义性的优点. 4.载波相位测量载波相位测量是一种通过对导航卫星发送的信号进行载波相位观测来进行高精度定位的技术.

载波相位观测也是一种距离测量，它是通过卫星广播的正弦波来测量的. GPS载波相位的波长非常小（L1为19 cm，L2为24 cm），因此载波相位观测的测量精度约为毫米，这比伪距观测要高得多. 使用载波相位观测获得的高精度定位结果. 4.载波相位测量载波相位观测的准确性可以实现非常高精度的定位结果. 目前，通过使用载波相位观测可以获得2至3厘米的定位精度. 如果采样了合适的星历数据，观测数据和数据处理软件，则可以获得毫米级的定位精度. 目前，载波相位测量已广泛应用于精密定位，地球动力学等领域. 5.差分卫星定位差分卫星定位在减轻星历误差，卫星信号传播误差和提高定位精度方有明显的作用. 这项技术极大地提高了卫星定位的准确性和完整性. 差分卫星定位的基本思想是在具有已知坐标的基站上安装，以连续观测所有可见卫星，同时根据基站的已知坐标和观测值计算差分校正信息. 广播到流动站. 用户. 根据接收到的校正信息，流动站校正同步观测的相应观测值，然后计算流动站的瞬时位置. 1.5卫星定位的主要特点1.卫星定位的优点是卫星覆盖面大，卫星定位系统范围大，可以用在很难或不可能到达的传统技术中，而且数量很少颗卫星可以实现全球覆盖.

卫星定位系统通常使用可以穿过云层并全天候提供服务的UHF信号. 通常，它可以提供和高精度服务，不仅可以提供位置信息，还可以提供其他信息，例如速度. 站点之间无需相互查看. 能够同时提供三维坐标. 操作简单方便，携带方便. 2.卫星定位优势卫星定位卫星信号不能越过障碍物. 易受干扰和攻击1.6卫星定位应用程序简介1.6卫星定位应用程序简介全球，大地测量学中的空间，陆地和海洋导航应用，大地测量控制网络中的应用，工程勘测和其他领域中的地球动力学应用中的应用使用国家GPS的航天应用（航天应用）；卫星在轨和卫星恢复的实时点确定；测量地球观测卫星的七维状态参数和三维姿态参数；飞船对接. 导航应用在载人航天，船舶导航，飞机，汽车导航，紧急搜救，110监测，石油勘探，渔业，旅游等方有广泛的应用和较高的应用价值. 中国地壳运动观测网参考站定新站松山站松山站广州站永兴岛军事应用（军事应用）摘要1.1基本概念1.2卫星定位发展的回顾1.3卫星定位的主要方法1.4卫星定位的主要测量技术1.5卫星的主要定位特征1.6卫星简介定位应用卫星定位和常规测量定位之间有什么区别？卫星定位有哪些应用？主要定位技术是什么？

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