全球定位系统及应用汇编

《全球定位系统及应用汇编》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全球定位系统及应用汇编（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第三章第三节 全球定位系统及其应用 一、全球定位系统 （一）全球定位系统的概念（一）全球定位系统的概念 全球定位系统 (Global positioning system，简称GPS)是具有 在海、陆、空进行全方位 、实时三维导航与定位功 能的新一代卫星导航与定 位系统。 跨越障碍跨越障碍 全球定位系统的特点是什全球定位系统的特点是什 么么 (1)全球，全天候工作。 (2)能为用户提供连续、实时的三维位 置、三维速度和精密时间，不受天气的影响 。 (3)定位精度高：单机定位精度优于10 米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米 级。 (4)功能多，应用广：随着人们对GPS认 识的加深，GPS不仅

2、在测量、导航、测速、测 时等方面取得更广泛的应用而且其应用领 域不断扩大。 阅读指导阅读指导 GPSGPS的起源的起源 在卫星定位系统出现之 前，远程导航与定位主要用无线 电导航系统。 1无线电导航系统 缺点：覆盖的工作区域小； 电波传播受大气影响；定位精度 不高。 全球定位系统是美国从本世纪70年代开始研 制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面 建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导 航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。目 前的全球覆盖率为98%。 能实时测量“四度”：经度、纬度、高度、速度。 在美国,GPS全球卫星定位技术与“阿波罗”飞船登月,航天 飞机升空, 同列为2

3、0世纪“三大航天工程” 2卫星定位系统 最早的卫星定位系统是美国的子午 仪系统(TRANSIT)，1958年研制1964年 正式投入使用。由于该系统卫星数目较 少(56颗)，运行高度较低(平均1 000 km)，从地面站观测到卫星的时间间隔较 长(平均15 h)，因而它无法提供连续 的实时三维导航，而且精度较低。为满 足军事部门和民用部门对连续实时和三 维导航的迫切要求，1973年美国国防部 制定了GPS计划。 3GPS发展历程 GPS实施计划共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶 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。 第二阶段为全

4、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。研制了各种用途的接收机。实 验表明，GPS定位精度远远超过设计标准 。 第三阶段为实用组网阶段。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 。 （二）全球定位系统的组成（二）全球定位系统的组成 系统结构 空间 位置 组成和分布 全 球 定 位 系 统 GPS卫 星星 座 地面 监控 系统 GPS信 号接收 机 空 间 由2l颗工作卫星和3颗在轨备用卫 星组成，24颗卫星均匀分布在6个 轨

5、道平面内 地 面 由分布在全球的5个地面站(包括5个监控 站、1个主控站和3个注入站，主控站和 注入站都位于监控站里)组成 用 户 导航型接收机、测地型接 收机、授时接收机 请思考：读 右图，相 邻两个GPS星 座卫星轨道 平面之间的 夹角是多少 度?( ) 每个卫星 轨道上各有 几颗卫星?它 们两两相隔 多少度? ( ) 60 4颗； 90 (1)GPS(1)GPS卫星星座卫星星座 由21颗工作卫星和3颗在轨备用 卫星组成。GPS卫星星座记作(2l+3)GPS 星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平各 个轨道平面之间的夹角为60度 然后你又遇到了另外一个路 人，他告诉你距离李家村15千 米。你

6、按同样的方法，绘制第 二个圆（图）。现在，你 得到了两个交点，你必定处在 其中一个点的位置。 假如你在野外迷了路，为了确定你所 处的位置，你向一个路人询问，他告 诉你这里离王家村10千米。你于是打开 地图，找到王家村，以它为圆心，按比 例尺在地图上画一个半径相当于10千米 的圆 这时，你向第三个人 打听到，这里距离张 家村10千米。当你把 这个圆在地图上画好 后，你的位置也就一 目了然了（图）。 这就是三边测量术的原理。 GPS的定位原理与“ 三边测量术”原理相似 。不同的是3颗卫星 代替了3个村子,地图 上平面圆变成了三维 球面。 如图GPS接收机接收GPS卫星A、B、C传来的信号，计 算出

7、接收机与它们之间的距离，然后分别以3颗卫星为球 心，以该卫星到接收机之间的距离为半径，“绘制”3个巨 大的球体。3个球体会交于两点，其中那个与地球表面相 交的点就是这台GPS接收机所处的位置，然后通过计算得 到该接收机所处的经纬度。卫星D测量GPS接收机所在的 高程。 (2)(2)地面监控系统地面监控系统 对于导航定位来说 GPS卫星是一动态已知点。星 的位置是依据卫星发射的星历 描述卫星运动及其轨道的 参数算得的。每颗GPS卫星所 播发的星历是由地面监控系统 提供的。 卫星上的各种设备是否正常工作以及卫 星是否一直沿着预定轨道运行，都要由 地面设备进行监测和控制。地面监控系 统另一重要作用是

8、保持各颗卫星处于同 一时间标准GPS时间系统。这就需要 地面站监测各颗卫星的时间求出钟差。 然后由地面注入站发给卫星，卫星再由 导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的 地面监控系统包括一个主控站、三个注 入站和五个监测站。 地面监控系统 （1）主控站 （2）监测站 （3）注入站 请你说说各自的组成和功能? 监测站获取GPS数据,并将 数据送至主控站。 主控站-控制、调度卫星。 注入站 将主控站的改正参 数等注入每颗卫星。 美国全球定位系统地面监控系统 由均匀分布在美国本土和三大洋的美 军基地上的1个主控站、3个注入站、5个 监测站构成。该系统的功能是：对空间 卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫

9、 星注入更新的导航电文。 主控站位于美国科罗拉多的斯平士（ Colorado Springs）的联合空间执行中心（ CSOC），三个注入站分别设在大西洋、印度洋 和太平洋的三个美国军事基地上，即大西洋的 阿松森岛（Ascension）、印度洋的迭哥伽 西亚(岛Diego Garcia)和太平洋的夸贾林岛 Kwajalein),五个监测站设在主控站和三个注 入站以及夏威夷岛。 (3)GPS(3)GPS信号接收机信号接收机 组成:GPS卫星接收机硬件 GPS数据处理软件 任务:能够捕获到按一定卫星高度截止 角所选择的待测卫星的信号，实时地计 算出测站的三维坐标，甚至三维速度和 时间。 GPS卫星发

10、送的导航定位信号，是一种可 供无数用户共享的信息资源。对于陆地 、海洋和空间的广大用户，只要用户拥 有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号 的接收设备即GPS信号接收机。可以在任 何时候用GPS信号进行导航定位测量。根 据使用目的的不同，用户要求的GPS信号 接收机也各有差异。目前世界上已有几 十家工厂生产GPS接收机，产品也有几百 种。这些产品可以按照原理、用途、功 能等来分类。 GPS 信 号 接 收 机 ( (三三) . GPS ) . GPS 接收机的类型接收机的类型 类型应 用特点 导航型 接收机 测地型 接收机 授时接 收机 阅读指导阅读指导手持型手持型 CPS CPS 接收机接收

11、机 应用领域性能优点功能 手持型 GPS 接收机 多为导 航使用 液晶显 示，导 航画面 清晰， 配有背 景灯， 方便夜 问操作 功能键 齐全 不需要地 面辅助设 备，只要 收到卫星 信号，就 能快速定 位，不受 天气、行 政区域的 限制 能够计算当地的 国际标准时问， 处于运动状态还 能指出 i 北方 向，并将经过的 地点、路线记录 下来，方便返回 时用；计算两点 间的距离，实现 坐标系间的相互 转换；计算日出、 日落时间 二、二、GPSGPS的应用领域的应用领域 1、GPS在军事上的应用 3、GPS在交通上的应用 4、GPS在旅游探险中的应用 2、民用GPS 1 1、GPSGPS在军事上的

12、应用在军事上的应用 军事是GPS技术最早的应用领域,主要是为 各种军事活动提供定位导航.在现代战争中， 不仅陆、海、空三军，而且许多高科技武器弹 药等，也都开始采用GPS技术进行定位导航。 目前精确制导武器复合制导的重要技术手 段。装备GPS制导系统之前,美军BGM-10C“战斧 ”巡航导弹误差约为9米；在其“惯性和地形匹 配”制导系统中加入GPS后，误差降至3米，制 导精度大大提高。 2、民用GPS 主要用于交通车辆导航管理 、航空器定位及导航，以及大地 测量野外勘测、紧急求援、旅游 探险、农业监测、生态研究等方 面。 3、GPS在交通上的应用 余纯顺(1951.12-1996.6.13)，

13、上海人，大 学本科。1988年7月1日开始孤身徒步全 中国的旅行，足迹踏遍23个省市自治区。 已访问过33个少数民族，发表游记40余万 字。沿途拍摄照片8千余张，为沿途人们 作了150余场题为“壮心献给父母之邦”的 演讲。尤其是完成了人类首次孤身徒步穿 过川藏、青藏、西藏、滇藏、中尼公路全 程。征服“世界第三极”的壮举，1996年6 月13日在即将完成徒步穿越新疆罗布泊全 境的壮举时，不幸在罗布泊西遇难。 4、户外旅游探险： 余纯顺在罗布泊探险遇难时离最近的补给站 仅几百米。风沙淹埋了前人走过的足迹，在茫茫荒 漠中又渴又饿的他终于倒下了。如果当时他有一台 GPS接收机，惨剧又何以发生？ 在地广

14、人稀没有任何参照物可用以辨别方向 的情况下，危险无时无刻不在,手持GPS接收机沿 着机中记录的安全轨迹小心行进，可安全返航。 目前，许多休闲俱乐部围绕GPS功能相继推出 “穿越”、“寻宝”、“野外拓展”等都市游戏，丰富 了人们周末生活，提高了人们生活品位，深得户 外运动爱好者的欢迎。 内置天线 翻页 光标键 定位键 输入键 显示屏 导航键 开机键 退出键 图1-1 地平线 卫星编号 卫星信号 图1-2 C:定位键，显示标定位置画面如图1-4所 示，经纬度为N3203.232，E11845.923 海拔高度17米等信息 图1-4 第三章第三节 全球定位系统及其应用 二、全球定位系统与定位导航 1

15、 . GPS 静态导航定位与动态导航定位 静态定位中， GPS 接收机在 捕获和跟踪 GPS 卫星的过程 中固定不变，接收机高精度地 测量 GPS 信号的传播时间， 利用 GPS 卫星在轨的已知位 置，解算出接收机天线所在位 置的三维坐标。 而动态定位则是用 GPS 接收机侧定 一个运动物体的运行轨迹。 GPS 信 号接收机所位于的运动物体叫做载 体（如航行中的船舰，空中的飞机 ，行走的车辆等）。载体上的 GPS 接收机天线在跟踪 GPS 卫星的过程 中相对地球而运动，接收机用 GPS 信号实时地测得运动载体的状态参 数（瞬间三维位置和三维速度） 2 . GPS 2 . GPS 的用途的用途

16、GPS 最初就是为军方提供精 确定位而建立的，至今它仍然由 美国军方控制。军用 GPS 产品 主要用来确定并跟踪在野外行进 中的士兵和装备的坐标、给海中 的军舰导航、为军用飞机提供位 置和导航信息等。 2 . GPS 2 . GPS 的用途的用途 目前 GPS 系统的应用已 经十分广泛，我们可以应 用 GPS 信号进行海空和陆 地的导航、导弹的制导、 大地测量和工程侧量的精 密定位、时间的传递和速 度的测量等。 【 阅读指导阅读指导 】 车载车载 GPS GPS 的功用的功用 信息接收信息发射应用领域 通过车载 GPS, 可以在显示屏 上及时查看车 辆所在的经纬 度、运行轨迹、 速度、行进方 向等 车载电台把定 位信息发送给 监控中心，在 电子地图上 显 示出来，可对