gps全球定位系统与其应用(ch1-ch10)

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1、,GPS测量原理与应用,测量原理与应用,全 球 定 位 系 统,的测量原理与应用,（ Global Positioning System - GPS）,第一章 绪 论,1.1 卫星定位技术的发展 1.2 GPS系统组成 1.3 GPS在国民经济建设中的应用,1.1 PS卫星定位技术的发展 . 早期的卫星定位技术,缺点： 受可见条件和天气条件影响，费时费力，定位精度低，被多普勒定位技术所代替。,卫星三角网 以人造地球卫星作为空间观测目标，由地面观测站对其进行摄影测量，测定测站至卫星的方向，来确定地面点的位置的三角网。,. 子午卫星导航（多普勒定位）系统及其缺陷,子午卫星导航系统(NNSS) 将卫

2、星作为空间动态已知点，通过在测站上接受子午卫星发射的无线电信号，利用多普勒定位技术，进行测速、定位的卫星导航系统。,优点: 经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制。,缺点: 不能实时定位、定位时间长、定位精度低等缺点。,子午卫星导航系统(NNSS),卫星多普勒定位具有经济、快速、精度均匀、不受天气和时间限制等优点，只要能见到子午卫星，便可在 地球表面的任何地方进行单点定位或联测定位，从而获得测站的三维地心坐标。但仍存在一些明显的缺陷，主要表现在： 卫星少，不能实时定位。 子午卫星导航系统一般采用颗工作卫星，并能通过地球的南北级而运动，以致地面上任一点位所测到子午卫星通过的间隔时间较长，而且随

3、着纬度的不同而变更。 轨道低，难以精密定轨。 子午卫星的飞行高度平均仅达 属于低轨道卫星，难以得到一种高精度的动态定位已知点，致使卫星多普勒定位精度局限在米级水平。 频率低，难以补偿电离层效应的影响。 子午卫星的射电频率分别为：400MHz和150MHz，用这两种频率信号进行双频多普勒定位时，只能削弱电离层效应的低阶项影响，难以削弱电离层效应的高阶项影响。,1.1.3 全球定位系统的建立,从1972年开始至1994年建成，耗资200亿美元 24颗卫星分布在6个轨道平面上 卫星寿命78年 采用码分多址（CDMA）技术 军民两用系统 受美国国防部控制,GPS计划实施的三个阶段,方案论证和初步设计阶

4、段 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。 全面研制和试验阶段 从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。 实用组网阶段 1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。 1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。,全球定位系统的特点,全球通用 24小时可以定位，测速和授时 用户设备成本低廉 确保美国军事安全，服务于全球战略 导航精度可达1020m 取代现存各种导航系统 这种设备可以用来武装战车，舰

5、船和飞机，提高其作战能力，并可广泛用于地面部队。其作用在海湾战争中已得到相当充分的显示。,1.1.4 GLONASS全球导航卫星系统,前苏联于1982年开始发射GLONASS卫星，至1996年共发射24+1颗卫星，经数据加载，调整和检验，于1996年1月18日系统正式运行，主要为军用。,主要特点： 1、GLONASS卫星的识别方法采用频分复用制。 L1频率为1.6021.616GHz,频道间隔为0.5625MHz； L2频率为1.2461.256GHz,频道间隔为0.4375MHz。 2、可进行卫星测距。 3、民用无任何限制，不收费。 4、民用的标准精度通道（CSA）精度为： 水平精度为：50

6、70m 垂直精度为：75m 测速精度为：15cm/s 授时精度为：1s,1.1.5 伽利略(Galileo)GNSS系统,Galileo系统建设始于2002年，计划2008年投入使用，我国参与了该系统的投资建设，是一个全开放型的高精度的民用卫星导航定位系统。 卫星星座： 30颗卫星均匀分布在3个 中高度圆轨道平面上，轨道 高度23616km，倾角56度。 任一地区接收机至少可见 4颗卫星，与 GPS/GLONASS有 机地兼容，增强系统使用的 安全性和完善性。,三种卫星系统比较,1.1.6 双星导航定位系统（北斗一号）,空间部分：2 1(备用)地球同步卫星 地面中心站：地面应用系统、测控系统

7、用户部分：低动态、静态用户机 服务范围：700E1450E，50N550N 定位精度：平面 20m，高程 20m 功能：快速定位、简短通信、精密授时 定位原理：三球交会测量定位 工作步骤： 地面控制中心向两枚卫星发送询问信号； 卫星将询问信号转发给地面用户； 用户响应询问信号，向卫星发回回应信号； 卫星将用户的响应信号转发给地面控制中心； 地面控制中心接收用户的响应信号，并解读出用 户申请的服务内容，计算出相应的内容； 地面控制中心将服务内容经卫星转发给用户。,北斗一号系统组成图,北斗卫星导航系统,北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的全球

8、定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。第八颗和第九颗北斗卫星于2011年被长征三号甲运载火箭送入太空预定转移轨道。2011年12月，北斗卫星导航系统新闻发言人冉承其表示，北斗卫星导航系统将在2020年形成全球覆盖能力。,一 北斗系统介绍,北斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称全球四大卫星导航系统。

9、北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若 干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯”（GLONASS）、欧洲“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。 中国此前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和十颗北斗导航卫星（其中，北斗-1A已经结束任务），将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。 北斗卫星导航系统建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠覆盖全球的导航系统。 北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用

10、产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。 该系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务，并兼具短报文通信能力。中国以后生产定位服务设备的产商，都将会提供对GPS和北斗系统的支持，会提高定位的精确度。而另外一种北斗系统特有的短报文服务功能将收费，这个功能的实用性还有待观察。 2011年12月27日起，开始向中国及周边地区提供连续的导航定位和授时服务。,北斗卫星导航系统示意图,二 系统服务,北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服

11、务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。,三 系统特色,1 特色 北斗导航终端与GPS、“伽利略”和“格洛纳斯”相比，优势在于短信服务和导航结合，增加了通讯功能； 全天候快速定位，极少的通信盲区，精度与GPS相当，而在增强区域也就是亚太地区，甚至会超过GPS；向全世界提供的服务都是免费的，在提供无源定位导航和授时等服务时，用户数量没有限制，且与GPS兼容；特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时

12、解决“我在哪？”和“你在哪？”；自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。 2 劣势北斗一号系统属于有源定位系统，系统容量有限，定位终端比较复杂。北斗一号系统属于区域定位系统，目前只能为中国以及周边地区提供定位服务，且与GPS完善成熟的运营相比，未来处于不断完善之中。,四 发展历程,卫星导航系统是重要的空间信息基础设施，中国高度重视卫星导航系统的建设， 一直在努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾

13、和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。,北斗卫星导航系统示意图,五 建设原则,北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则： 1 开放性 北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。 2 自主性 中国将自

14、主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。 3 兼容性 在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。 4 渐进性 中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。,六 建设计划,从古至今，人类在生产和生活实践中发明了多种导航方法。例如，天文导航是通过观测天体的位置来确定自身的位置和航向，此法设备简单，但受到气象条件的限制；无线电导航是接收海岸电台发出的无线电波来确定舰船自身的位置，它虽不受气象条件的影响，

15、但由于无线电波的传播距离有限，故用于远航时有困难；其他导航方法也不尽如人意。从目前的技术水平和可以预见的将来看，卫星导航技术是一种比较理想的导航工具。卫星导航技术是指利用一组导航卫星，对地面、海洋和空间用全户进行精确的定位。它具有全时空、全天候、高精度、连续实时地提供导航、定位和授时的特点，已成为应用广泛的导航定位技术。卫星 北斗导航卫星行走轨迹 导航定位系统是重要的空间基础设施，可提供高精度的定位、测速和授时服务，能带来巨大的社会和经济效益。我国高度重视卫星导航系统的建设，一直努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。早在上世纪60年代末，我国就开展了卫星导航系统的研制工作，但由于诸多原

16、因而夭折。自20世纪70年代后期以来，国内开展了探讨适合国情的卫星导航系统的体制研究，先后提出过单星、双星、三星和3-5星的区域性系统方案，以及多星的全球系统的设想，并考虑到导航定位与通信等综合运用问题，但是由于种种原因，这些方案和设想都没能得以实现。在20世纪80年代到90年代，我国就结合国情，科学、合理地提出并制订自主研制实施“北斗”卫星导航系统建设的“三步走”规划：,六 建设计划,第一步是试验阶段，即用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务，为“北斗”卫星导航系统建设积累技术经验、培养人才，研制一些地面应用基础设施设备等； 第二步是到2012年，计划发射10多颗卫星，建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统（即“北斗二号”区域系统）； 第三步是到2020年，建成由5颗静止轨道和30颗非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。,北斗卫星发射计划,1.2