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1、GPS原理及其应用,陈智勇 Email: Chenzhiyong Tel：18971192285,GPS,首先想到什么？,GPS能够干什么？,谁的手机上有GPS？,谁会用GPS？,GPS的应用,导航,授时,定位测量,导航型GPS接收机 测量型GPS接收机,课程基本情况,教材 GPS测量与数据处理 GPS测量操作与数据处理 考核 平时成绩（考勤、作业、实习） 40% 期末考试 60%,课程主要内容,全球定位系统的组成及信号结构 GPS定位中的误差源 距离测量与GPS定位 GPS定位的坐标系统和时间系统 GPS测量数据处理 GPS测量的技术设计与数据采集,教学日历,第一章 绪 论,全球定位系统的产
2、生、发展 GPS在各个领域中的应用 美国政府的GPS政策 其他卫星导航系统的概况,GPS全称？,1.1 全球定位系统的产生、发展,GPS的含义：,全球定位系统,Navigation System with Timing And Ranging / Global Positioning System NavSTAR/GPS,授时与测距导航系统/全球定位系统,简称GPS,人造地球卫星成功发射后，卫星定位经历了三个发展阶段： 卫星三角测量 卫星多普勒测量 GPS卫星定位测量,1957年苏联官方公布的卫星照片,A,C,B,S1,1、卫星三角测量原理,卫星仅作为一种空间动态观测目标，由地面通过拍摄卫星的
3、位置而测定地面点的坐标。,2、卫星多普勒定位测量,美国约翰霍普金斯大学应用物理实验室的吉尔博士和魏芬巴哈博士指出，利用地面跟踪站上的多普勒测量资料可以精确确定卫星轨道 麦克卢尔博士和克什纳博士指出，对一颗轨道已被确定的卫星进行多普勒测量，则可以确定用户的位置,2、卫星多普勒定位测量,定位原理是基于“多普勒效应”。,3、子午卫星系统简介,NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统） 利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统 美国研制、建立 1958年12月在克什纳博士的领
4、导下开始研究 1964年1月建成 1967年7月解密供民用,3、子午卫星系统简介,系统参数 卫星数：6颗 轨道数：6个 轨道夹角：30 轨道倾角：90 卫星高度：1075km 运行周期：107min 载波频率：400、150MHz,3、子午卫星系统简介,局限性 一次定位所需时间过长 不是连续的、独立的卫星导航系统 效率低、精度低,4、全球定位系统的产生、发展,距离交会,4、全球定位系统的产生、发展,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； 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。 从1979年到
5、1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。,试验表明，GPS定位精度远远超过设计标准,4、全球定位系统的产生、发展,1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战 1993年7月在轨正常运行卫星达到24颗，美国于同年12月宣布，GPS具备IOC（Initial Operational Capability） 1995年4月27日，GPS达到FOC 完全运行能力（Full Operational Capability）,1.2 GPS在各个领域中的应用,1、GPS在军事中的应用,GPS导航的导弹,1.2 GPS在各个领域中
6、的应用,2、GPS在交通运输业中的应用,航运、航空搜索 陆路交通（车辆导航、监控） 船舶远洋导航和进港引水,3、GPS在测量中的应用,建立和维持全球性的参考框架,3、GPS在测量中的应用,板块运动和监测,3、GPS在测量中的应用,建立各级国家平面控制网,3、GPS在测量中的应用,布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量,在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用,4、GPS在其他领域中的应用,精细农业 遥感 卫星定轨 资源勘探 GPS气象学 个人旅游及野外探险 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递 ,1.3 美国政府的GPS政策,1、SPS与PPS,Standard Pos
7、itioning Service (标准定位服务) 使用C/A码，民用 水平100 m 垂直 150-170 m 时间 340 ns Precise Positioning Service (精密定位服务) 可使用P码，军用 水平 22 m 垂直 27.7 m 时间 200 ns,Selective Availability（选择可用性） 1990.3.252000.5.1 人为降低普通用户的测量精度。方法: 技术：降低星历精度（加入随机变化） 技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化） Anti-Spoofing（反电子欺骗） 1994.1.31至今 P码加密，P+WY,2、 SA和AS技术,
8、3、GPS现代化,在Block II卫星的L2载波上调制C/A码，在Block II F卫星中增加 f =1 176.45MHz的民用频率； 增强卫星信号强度，增加抗干扰能力； 增设新的军用码(M码)，与民用码分开，并具有更好的保密性和抗干扰能力； 使用新技术，以阻止或干扰敌方使用GPS； 军用接收机具有更好的保护装置，特别是抗干扰能力，具有快速初始化功能。,1.4 其他卫星导航定位系统概况,开发者：俄罗斯（前苏联） 系统构成：卫星星座、地面控制部分、用户设备 卫星数：24颗 轨道数：3个 轨道倾角：64.8 高度：19 390km 运行周期：11h15min44s,1、GLONASS (GL
9、Obal NAvigation Satellite System),GLONASS 卫星星座,GLONASS 卫星,卫星运行状况 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星 由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作 目前，俄罗斯重新补充了一些新的卫星，GLONASS系统有23颗卫星在轨。,2、伽利略卫星导航定位系统（Galileo）,2002年3月欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统 Galileo系统 Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将
10、均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56 Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用,2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（Galileo In-Orbit Validation Elements-GIOVE-A）成功进入高度为2.3万km的预定轨道。2006年1月12日，GIOVE-A已开始向地面发送信号； 这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽
11、利略卫星星座的部署工作； 伽利略系统建成后，美欧两大相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。,原计划2008年，推迟至2014年,Galileo卫星,3、北斗卫星导航系统,我国自行研制 系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。 空间部分包括23颗地球同步轨道卫星 用户终端分为：定位、通信终端；差分、校时终端；集团用户管理站终端,3、北斗卫星导航系统,与GPS、GLONASS、Galileo等国外的卫星 导航系统相比： BD1有自己的优点：如投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等。 但也存在着明显的不足和差距：如用户隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等。,4、北斗二代,系统构成:卫星星座、地面控制部分、用户设备 卫星数:30颗（3颗备用） 轨道数: 3个 轨道倾角: 55 定位精度：7.5m,已有10颗卫星，2011.12.28开始试运行，覆盖亚太地区 今年开始正式运行，2020年左右覆盖全球,3+x,
