测量第一章绪论

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1、GPS全球定位系统 原理与应用,李淑慧 中国地质大学,Slide 2,第一章 绪论,GPS定位技术及其发展 GPS能做什么？ 本课程的主要内容 GPS系统的组成 其他的卫星定位系统,Slide 3,第一节 GPS定位技术的发展,GPS是什么？ GPS技术的发展 其他的GNSS系统,Slide 4,一、GPS是什么？,GPSGlobal Positioning System 定义：GPS是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三位速度和时间信息。,Slide 5,在测绘学科中的位置,应用大地测量学,传统大地测量,椭球大地测量学,天文大地测量学,重力大地测

2、量学,测量平差,卫星定位；卫星测高；卫星激光测距；激光测月；VLBI,INSAR,Slide 6,二、卫星定位的发展,1768年，欧拉与拉普拉斯各自提出了卫星定位技术的基本思想； 最早的卫星定位技术是卫星方向测量； 19世纪60年代末，出现了卫星测距网； 随后出现了利用距离差测量的多普勒测频法； 最新的卫星定位技术是距离测量的方法；,Slide 7,卫星定位技术的发展,最早的卫星定位技术是卫星方向测量；,Slide 8,卫星定位技术的发展,19世纪60年代末，出现了卫星测距网；,Slide 9,卫星定位技术的发展,随后出现了利用距离差测量的多普勒测频法；,Slide 10,卫星定位技术的发展,

3、最新的卫星定位技术是距离测量的方法；,GNSS=Global Navigation Satellite System,Slide 11,三、从导航技术看GPS技术的发展,最古老，最简单的导航方法是星历导航;,Slide 12,从导航技术看GPS技术的发展,最早的导航仪是中国人发明的指南针；,Slide 13,从导航技术看GPS技术的发展,进入20世纪，人们逐渐发现发明了很多新的技术： 1、海员通过测量船体的速度进行外推确定位置；,Slide 14,从导航技术看GPS技术的发展,2、惯性导航技术,Slide 15,从导航技术看GPS技术的发展,由于电子技术和电磁波技术的发展，产生了电子导航系统；

4、如罗兰-C。,焦點1,焦點2,P,Slide 16,从导航技术看GPS技术的发展,1957年，苏联发射了世界上第一颗人造卫星， “人造地球卫星(Spuntnik)-1”号,Slide 17,从导航技术看GPS技术的发展,1958年，美国着手建立为军用舰艇导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统（Nava Navigationing Satellite System NNSS）,也称子午卫星系统。 1960年发射第一颗卫星。 1964年1月该系统正式运行。 1967年7月系统解密以供民用。 前苏联于1965年建立了一个 类似的系统：CICADA,Slide 18,从导航技术看GPS技术的发展,19

5、73年，美国DOD批准其海陆空三军联合研制第二代卫星导航系统GPS，设计24颗卫星，投资300亿美元，分三个阶段： 第一阶段：方案论证（19741978）； 第二阶段：系统论证（19791987）； 第三阶段：生产实验（19881993）；,1995年7月，GPS达到FOC(Full Operational Capability),Slide 19,思考,GPS有什么缺点吗？,Slide 20,GPS的缺点之一,Slide 21,四、其他的GNSS系统,GLONASS 全球导航卫星系统 Galileo系统 北斗系统：我国的第一代卫星导航系统,Slide 22,1、GLONASS,类似于GPS，

6、是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统； 其前身CICADA与子午系统同期，于1965年设计，有12颗卫星； 20世纪70年代中期开始启动GLONASS计划 1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星 1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力 由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星仅为11颗。,Global Orbiting Navigation Satellite System,Slide 23,GLONASS,Slide 24,2、Galileo,背景：GLONASS在轨卫星缺失，GPS独霸市场 GLONASS、GPS均由军方控制 欧盟：要建立国际民间控

7、制的或欧盟自己的民用 导航系统 特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于 海陆空的系统。参股共建，收费。,Slide 25,Galileo,阶段： （一）2000年前，可行性评估或定义 （二）20012005，开发和检测 （三）20062007，部署 （四）2008，商业运行,Slide 26,Galileo系统的概况,投资预计36亿欧元左右； 30颗卫星组成； 三个轨道面；2.4万多公里； 预计在2008年布置完成；,Slide 27,Galileo系统的服务,向用户提供三种信号： ）免费使用的信号； ）加密且需交费使用的信号； ）加密且需满足更高要求的信号。,1m,6m,Slide 2

8、8,中国与Galileo,2003年底，中国与欧盟签署了就“伽利略”卫星导航计划进行合作的双边协议。协议规定： 中欧双方将在卫星导航技术、工业制造、服务和市场开发、产品标准化和频率等方面进行合作。 此外，中国还将在“伽利略联合企业”中投入约2亿欧元，并在其中持有相应的股份。,Slide 29,Galileo最新动态,2004年6月22日，美国国务院及欧洲联盟执行委员会官员表示，双方已经达成最后协议，解决大西洋两岸在卫星定位系统上的争议，确保美国的全球定位系统与欧洲的伽利略计划能够兼容且不会互相干扰。,Slide 30,3、北斗一号,两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日

9、发射升空 第三颗“北斗一号”卫星于2003年5月25日发射升空,Slide 31,北斗系统,目的： 快速定位、 实时导航， 简短通讯， 精密授时,Slide 32,定位工作主要在中心站完成，属于主动式导航定位系统 二维导航和定位，高程结果需要由其他途径获得 主要的优势在于军用：通讯、集团用户的调度和派遣,北斗系统定位的特点,Slide 33,北斗系统的应用案例,“陕南水利雨量监测速报系统”由西安山脉公司和北斗星通共同建造，依托北斗卫星导航定位系统，通过北斗卫星链路，实现了陕南汉中安康商洛三地市用户所需的水文水情信息的实时传输。 “边防信息化管控”安装了“北斗一号”车载指挥终端设备的巡逻车沿着边

10、境线例行巡逻。指挥控制中心的屏幕上，“北斗一号”卫星巡逻检查系统显示着车辆移动运动轨迹。 ,Slide 34,第二节 GPS系统的组成,Slide 35,GPS系统的组成,（一）由GPS卫星组成的空间部分 Space Segment （二）由若干地面站组成的控制部分 Control Segment （三）以接收机为主体的广大用户部分 User Segment,Slide 36,（一）空间部分,GPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫星星座。,Slide 37,1、GPS卫星,铯原子钟 计算机 2块7m2的太阳能翼板 无线电收发两用机 导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据） 姿态控制和太阳

11、能板指向系统,Slide 38,GPS卫星的发展,BLOCK I初期的概念证实卫星 1995年秋清除 BLOCK II初期的生产卫星 存储14天星历 BLOCK IIA升级的生产卫星 存储180天星历 BLOCK IIR再补充的卫星 存储180天星历 BLOCK IIF后续/维持卫星,Block ,Block II,Slide 39,GPS星座,卫星：24 颗 轨道面:6个 长 半 轴：26609km 偏 心 率：0.0080.004 轨道面相对赤道面的倾角：55 卫星高度：20200km 卫星运行周期：11小时58分钟,Slide 40,接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令（钟，轨道

12、，卫星）; 飞越注入站上空时，接收地面注入站用S波段发送到卫星的导航信息，和其他有关信息，并通过GPS信号形成导航电文; 向广大用户连续不断发送导航定位信号，并用导航电文中的星历和历书分别报导自己的现势位置，以及其他在轨卫星的位置;,空间部分的作用,Slide 41,GNSS系统参数比较,Slide 42,（二）控制部分,Transmits information,Slide 43,控制部分的组成,一个主控站 五个监控站 三个注入站,Slide 44,控制部分的作用,负责监控全球定位系统的工作： 监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行 跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文

13、发送给用户 保持各颗卫星的时间同步 必要时对卫星进行调度,Slide 45,控制部分的运行机制,GPS卫星,Slide 46,（三）用户部分,APP,1,GPS接收机 接收、跟踪、变换和测量GPS信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作,Slide 47,GPS接收机,DSNP LEICA GARMIN,TRIMBLE ASHTECH JAVAD,Slide 48,系统的运行机制,GPS卫星星座,GPS信号接收机,地面监控系统,24颗卫星 广播轨道时间数据以及辅助资料信息,接收设备 接收卫星信号,中央控制系统 时间同步 跟踪卫星定轨,Slide 49,北斗系统的组成和运

14、行,Slide 50,区别：,1）“北斗一号”定位终端是有源终端，而美国的GPS终端是无源的监听者； 2）“北斗一号”定位终端使用时是双向通信，时延长（秒级）。而美国的GPS终端是在终端解算定位信息，反应时间只与终端的运算速度相关（毫秒级）。 3）由于“北斗一号”的定位过程需要地面控制中心与定位终端之间进行通信，同时服务的终端数有限（百台级）！而美国的GPS工作原理是无源定位、分散运算。 4）战时“北斗一号”系统极易被阻塞而发挥不到作用。 5）由于“北斗一号”定位终端需要有发射单元，成本高、使用条件受约束大。 6）如果战时地面控制站被破坏，则全系统将瘫痪。,Slide 51,第三节 GPS的功

15、能用途,向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三位速度和时间信息,Navigation Satellite Timing and Range NAVSTAR,Slide 52,一、GPS的特点,全球性连续覆盖，全天候工作,定位精度高,观测时间短,测站间无需通视,可提供三维坐标,操作简便,功能多，用途广,Slide 53,1、军事上的应用,协同作战方面 GPS可为各级指挥系统提供各种目标及事件所发生的时间和地点 导弹的制导，提高命中目标的精度 美伊战争70%左右使用GPS辅助制导，使战斧式巡航导弹从1600公里的地方准确打击一个小房子的目标。 搜索、救援人员野外定位 在茫茫的沙漠上，没有任

16、何标志，主要靠导航卫星进行定位，知道自己在什么地方,Slide 54,现代装备的美军士兵,Slide 55,2、海陆空的导航应用,海洋运输，利用GPS提供的位置信息，选择最佳路径，节省时间，燃料，并保障安全 1、使用GPS，一艘大型油轮横渡大西洋一次可节省17000美元 2、沿海渔船上装上GPS可方便准确的导航，避免进入国外领海，实现远海捕鱼,Slide 56,海陆空的导航应用,陆地车辆导航 1、对特种车辆进行跟踪、监控、保障其安全运钞车 2、公交系统、出租车系统利用GPS随时知道每辆车的具体方位和行驶状况，随时安排调度 3、北京的奥运交通投资900亿，其中一个内容是四环以内的公交、出租全部都装上GPS监控系统,Slide 57,上海的110指挥中心,Slide 58,海陆空的导航应用,空中导航 1、空