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1、,GPS技术的发展及其应用 党国锋 西北师范大学地理与环境科学学院 2009.6.3,报告内容： 一、GPS简介 二、GPS的发展 三、GPS在全球的应用,一、GPS简介,1.GPS及其组成 1.1 什么是GPS GPS即全球定位系统（Global Positioning System）是美国从20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。 GPS是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。,一、GPS简介,1.2 GPS的组成 GP
2、S系统包括三大部分： 1.空间部分GPS卫星星座； 2.地面控制部分地面监控系统； 3.用户设备部分GPS信号接收机。,一、GPS简介,一、GPS简介,一、GPS卫星星座 1.工作卫星 GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度， 即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度， 一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。,卫星星座,一、GPS简介,GPS BLOCK II R 卫星,2.定位星座与间隙
3、段 定位星座：在用GPS信号导航定位时，为了解算测站的三维坐标，必须观测4颗 GPS卫星，称为定位星座。 间隙段：这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。,一、GPS简介,一、GPS简介,3.GPS卫星的作用 （1）用L波段的两个无线载波（19cm和24cm）向用户连续不断地提供导航定位信号； （2）在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段（10cm）发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时地发送给广大用户； （3）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，适时地改正运行偏
4、差或起用备用时钟等。,一、GPS简介,二、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。,一、GPS简介,地面监控系统的作用 （1）监控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； （2）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。,一、GPS简介,GPS地面监控系统组成： 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。 1.
5、主控站：设在科罗拉多的法尔孔（Falcon）空军基地。主控站除协调和管理地面监控系统外，其主要任务是： （1）根据本站和其他监测站的所有资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据送到注入站；,第二节 GPS系统组成,（2）提供全球定位系统的时间基准。各测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，或测出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电文，送到注入站； （3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行； （4）启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。,2.监测站 监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和
6、若干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测，以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准，而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料有计算机进行初步处理，并存储和传送到主控站，用以确定卫星的轨道。,GPS监测站分布图,第一章 绪论,一、GPS简介,3.注入站 共有三个，分别设在印度洋的迭哥加西亚（Diego Garcia）、南大西洋的阿松森岛（Ascension）和南太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein）。 设备：包括一台直径3.6m的天线，一台C波段发射机和一台计算机。 任务：在主控站控制下将主控站推算的编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等，注入到相应卫星的存
7、储系统，并检测注入星系的正确性。 地面监控系统只用主控站有人值守。,一、GPS简介,三、用户部分GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。 它的作用是接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。 以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。,一、GPS简介,GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。 大地型接收机又分单频型和双频型。,手持型GPS接收机,桂冠,展望,车载接收机,车载接收机,导航型GPS机,手持型GPS机,车载型GPS机,航空型GPS接收机,航海型型GPS接收机,测量型GPS接收机,单频机,双频机,测量型GPS接收机,测
8、量型GPS接收机,测量型GPS接收机,测量型GPS接收机,测量型GPS接收机,RTK测量模式,二、GPS的发展,1.GPS技术发展过程 1.1 人类最初的导航，只能通过石头、树、山脉等作为参照物，渐渐发展到天文观测法，即通过天上的太阳，月亮和星星来判断位置。而中国四大发明之一的指南针是人类导航领域的一个里程碑。 1.2 20世纪20年代，第一个无线电导航系统-无线电信标的问世，开创了海洋船舶和航空飞行器导航的新篇章； 1.3 1957年10月4日，原苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星，开创了空间技术造福人类的新时代。,第一颗人造卫星斯普特尼克 1957年10月4日由P-7捆绑式洲际 导弹送
9、入轨道，正常工作了3个月,二、GPS的发展,1.4 子午卫星导航系统的应用及其缺陷 第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite System NNSS）。在该系统中卫星的轨道都通过地极，故也称“子午仪（Transit）卫星系统”。 1964年该系统建成后即被美国军方使用，1967年将星历解密而提供民用服务。实践表明，子午仪卫星系统具有精度均匀、不受时间和天气限制等优点，只要系统的卫星在视界内，就可在地球表面任何地方进行单点定位或联测定位，从而获得观测点的三维地心坐标。,二、GPS的发展
10、,子午卫星导航系统的缺陷： 尽管子午仪卫星系统具有以往导航系统所无法比拟的优越性，但也存在一些严重的缺陷，这主要是由于该系统卫星数目较少（56颗），运行高度较低（平均约为1000Km），从地面观测到卫星的时间间隔较长（平均1.5小时），因而无法连续地提供实时三维定位信息，难以充分满足军事用户和某些民事用户的定位要求。,二、GPS的发展,2. GPS全球定位系统的建立 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，
11、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。,二、GPS的发展,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，宣告了GPS系统进入了工程建设阶段，这种工作卫星称为Block 和BlockA型卫星。这两组卫星差别是：Block 只能存储14天用的导航电文（每天更新三次）；而BlockA卫星能存储180天用的导航电文，确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即(21+3)GPS星座已建立，今后将根据计划更换失效的卫星。,二、GPS的发展,3.其他导航定位系统的建立 3.1 GLONASS（ the Global Navigation Satel
12、lite System ）全球导航卫星系统 本世纪70年代，作为对美国宣布建立和发展GPS的反应，前苏联国防部构想了GLONASS。该系统是82年底由前苏联开始承建，期间因苏联解体，几经周折最后由俄罗斯于96年建成全球导航定位系统。 在1993年，俄罗斯政府正式将GLONASS交由俄空军（VKS）负责。VKS负责GLONASS的航天器部署及在轨维护，并通过科学信息中心将GLONASS的信息传播给公众。,二、GPS的发展,GLONASS卫星系统的组成： 与GPS一样，GLONASS也由三部分组成： 空间部分 ； 控制部分； 用户部分。,二、GPS的发展,GPS星座,GLONASS星座,二、GPS
13、的发展,3.2 GPS+GLONASS系统： 1.可见卫星数增加一倍：GLONASS卫星星座组网完成后，可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。在地平线以上的可见卫星数纯GPS系统时，一般为7-11颗；GPS+GLONASS系统则可达到14-20颗。 2.提高观测结果的可靠性：用卫星系统进行测量定位的观测结果的可靠性主要决定于用于定位计算的卫星颗数。,二、GPS的发展,3.提高生产效率：观测时间越长或可观测到的卫星数越多，则用于求解载波相位整周模糊度的数据也就越多，求解结果的可靠性越好。 4.提高观测结果的精度：观测卫星相对于测站的几何分布(DOP值)直接影响观测结果的精度。,二、GPS的发展,3
14、.3 伽利略（Galileo）GNSS系统 欧盟在1999年2月首次提出“伽利略”计划。 计划分成四个阶段： 论证阶段，时间为2000年； 系统研制和在轨确认阶段，包括研制卫星及地面设施，系统在轨确认，时间为2001年至2005年； 星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006年至2007年；,二、GPS的发展,运营阶段，从2008年开始。 2000年度的论证工作为“伽利略”计划勾画出一个轮廓。论证报告指出，计划投入36亿欧元的资金（中国拟投资2亿欧元），服务范围覆盖全球，可以提供导航、定位、时间、通信等项服务。 其服务方式包括开放服务、商业服务与官方服务三个方面。
15、,二、GPS的发展,系统组成： 卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星） 。卫星的轨道倾角i =56；卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km 。 地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。 定位原理：与GPS相同。 定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。,二、GPS的发展,提供服务 免费信号使用服务：OSA(开放服务) 收费信号使用服务：CAS(管制服务) - CAS 1 : 商业服务 - CAS 2 - SAS : 高精密服务- CAS 2 - GAS : 用于非民用领域的政府服务(使用密码的信号),
16、欧洲卫星导航系统EGNOS 2004年7月13日，第一个欧洲卫星导航系统-EGNOS的主控中心将在位于意大利罗马附近的Ciampino，由意大利空中导航服务局运营的空中控制中心开始运营。EGNOS是欧洲正在开发的全球导航系统伽利略的前身。2004年年底，EGNOS由三颗地球同步卫星和一个地面站网络组成。 目前部署的其他EGNOS设施包括两个主控中心和一个遍布欧洲的地面站网。两个主控中心分别位于法兰克福附近的德国空中控制中心和马德里附近的西班牙空中控制中心。使用EGNOS系统，欧洲能够通过自己的网络传送定位信号，接收者能够追踪信号。意大利的主控中心为欧洲在卫星导航方面向伽利略系统发展迈出了坚实的第一步。,二、GPS的发展,3.4 中国北斗卫星导航系统 1982年7月，美国L.A.Lvarez和C.Trophy及F.Rose三位科学家提出主动式卫星导航通信系统，并于1982年12月完成了总体设计,定名为GE
