第一章GPS系统简介

第一章GPS系统简介•第一节.GPS发展史•第二节.GPS全球定位系•第三节.其他的卫星导航系统第一节GPS发展史•1.测绘技术的发展•2.早期的卫星定位技术•3.GPS的老祖先--NNSS系统测绘技术的发展一、测绘的概念为研究和描述全球或区域地形而获得数字信息和图形信息，并指导工程放样。二、测绘任务可以分为两个方面1、获得数字信息和图形信息2、放样测量采数手段的变革电子式（GPS接收机...）光机电式（全站仪…）光机式（经纬仪...）机械式（钢尺...）传统的导航和测量技术一、传统技术：一）光电仪器测量技术1、测量原理：通过测边、测角、三角高差、水准高差来测量未知点坐标2、缺陷:1).因光学分辨率、障碍物等影响通视,同步测量距离短，搬站频繁、积累误差大。.2)效率低，人力耗用高。二）空间天文大地测量：1）、原理：使用经纬仪，通过不同时间对几个恒星方位角的测量，交会地面点的天文大地坐标（经度、纬度），计算两个点的大地方位等。大地测量起始方位的来源。2）缺点：（1）可观测恒星少。（2）机会很少。(3)光学测量、通视条件要求高。早期的导航技术•导航（navigation）:实时地测定运动载体在行进时的位置和速度，引导运动载体沿一定航线经济而安全得到达目的地•制导：利用导航定位的测量数据，通过姿态控制和平移，将运动载体引导至预定的轨道二）导航工具：1、航海：罗兰C导航仪：使用岸台上（2-3个）信标台作为基准，用电波纯粹测边，前方交会船只、近海的陆地载体等的坐标位置。要求载体距离海岸线距离300海里之内。导航精度低（300米之内）。2、航空：陀螺仪：由密度很高的物质做成，可以高速运转来保持姿态和按设定定向、导航；随着载体运行距离将长，误差积累性大，价格昂贵。很难普遍使用。早期的卫星定位技术•卫星定位：利用人造卫星进行点位测量，确定测站点的位置•卫星导航：接受导航卫星发送的导航定位信号，以其作为动态已知点，实时测定运动载体的在航位置和速度1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”从拜科努尔发射场升空。虽然这颗卫星只会在太空噼啪作响，但它标志着人类的活动疆域已经从陆地、海洋、大气层扩大到了宇宙空间，人类从此打开天门，放眼宇宙小资料•第二次世界大战末期，德国战败。德国科学家冯·布劳恩等一百多名火箭专家被美国人捕获，转到美国继续从事火箭研究。苏联迟了一步，没有抓到重要的专家，但也得到了一些德制V—2火箭和工厂的设备。•战后，两国在空间技术领域展开了激烈的竞争。苏联科学家在科罗列夫的领导下，很快地掌握了V—2导弹的制造技术。•1956年，苏联成功地发射了第一枚洲际导弹“苏联1号”，表明苏联的火箭技术领先于美国。在研制洲际导弹的过程中，苏联的火箭技术有了极大发展。1957年，苏联科学家研制的火箭，其速度已经达到每秒8千米，已经具有摆脱地球引力、冲出地球的轨道速度，苏联的航天计划得以迈出重要的一步。同年10月4日，苏联用“苏联1号”三级火箭成功地发射了第一颗人造地球卫星。这颗卫星被命名为“旅行者1号”，它重83．6千克，直径58厘米，中间装有一台能发射电码的发报机，以证明卫星的存在。这颗卫星发射成功后，世界各地的监测站便收到了来自太空的电码，各国科学家纷纷向苏联表示祝贺；只有美国政府感到十分狼狈，此后加紧调整政策，同苏联开展空间技术方面的竞赛。•原理：以人造卫星为观测目标，由地面测站观测到卫星的：a.方向三角网b.距离测距网实现常规大地测量难以实现的大陆与海岛的远距离连测陆岛联测弊端：1.天气影响巨大2.定位精度较低3.不能得到地心坐标卫星三角测量很快就被卫星多普勒定位所取代！卫星多普勒定位系统观测目标动态已知点（轨道参数）卫星卫星多普勒定位进入卫星定位的高级阶段！NNSS系统•一.概述•美国海军导航系统（navynavigationsatellitesystem）:1958年12月，美国海军和jnhns.hopkins大学物理实验室研制。NavyNavigationSatelliteSystem子午卫星地面跟踪网多普勒接受机二）、系统组成1、空间部分卫星：太阳能、稳定杆朝向地球。卫星星座：内容名称TRANSIT卫星数(颗)6轨道数(个)6卫星高度(公里)10100运行周期(分钟)107载波频率(兆赫)400，1502、控制部分1）、卫星跟踪站：2）、计算中心：3）、注入站：4）、控制中心：5）、海军天文台：计算卫星钟、频率改正数。3、用户部分：接收机、气象仪、读带机、微机。接收机：天线及放大器接收单元微机及微处理器输出设备：存储。四）、定位方法1、单点定位：100次卫星通过，精度3-5米。导航。2、联测定位:精度公式：m=(1.5m+4.4×10-6×D)/n1/23、短弧定位：将卫星坐标作为未知数求定。RS1S2S3S4S1AS2S3S4B△X,△Y,△ZCICADA系统•1965年，原苏联海军建立的一个与NNSS相似的多普勒定位系统•由于此系统的导航电文没有公开，许多技术资料和用户设备至今鲜为人知DORIS系统•20世纪80年代由法国国家空间中心和国家大地测量研究所共同研发。它采用定位的“反向”工作模式多普勒定位的优点：经济快速精度较高不受天气和时间限制可获得测站的三维地心坐标因此世界很多国家和地区都引进了卫星多普勒技术为本国服务！对导航定位技术的发展具有划时代的意义衡量卫星导定位系统的项四技术指标可用性（availability）精度（accuracy）完好性（integrity）连续性（continuity）多普勒定位的缺点：1.卫星少，不能连续实时导航定位2.轨道低，难以实现精密定轨3.频率低，难以补偿电离层效应的影响它的上述缺陷造成了应用上的巨大限制，为满足军事和民用部门对连续实时定位和导航的需求，便产生了第二代卫星定位导航系统－GPS卫星全球定位系统第二节.GPS全球定位系统•GPS系统简介•GPS系统组成•GPS系统的特点•GPS系统的未来一.GPS系统简介：•1973年12月美国国防部批准它的陆海空三军联合研制一种新的卫星全球导航系统－NAVSTAR/GPS系统总投资300亿美元，由专设的联合办公室负责实施GPS系统的研制计划方案论证工程研制生产作业系统改进二.GPS系统组成：卫星部分地面监控部分用户设备空间部分（SpaceSegment）1、GPS卫星星座内容名称GPS卫星数(颗)21+3轨道数(个)6卫星高度(公里)20200运行周期(分钟)720（12恒星时）载波频率(兆赫)1575，12272GPS卫星类型(1)试验卫星：BlockⅠ(2)工作卫星：BlockⅡBlockⅡ存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力BlockⅡA（Advanced）卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜BlockⅡR（Replacement/Replenishment）卫星间可以相互跟踪相互通讯BlockⅡF（FollowOn）新一代的民用卫星，增设民用频率GPSConstellationBlockI•vehiclenumbers(SVN)1through11•launchedbetween1978and1985•conceptvalidationsatellites•developedbyRockwellInternational•circularorbits•inclination63deg•oneCesiumandtwoRubidiumclocks•designlifeof5years(majorityperformedwellbeyondtheirlifeexpectancy)GPSConstellationBlockII•vehiclenumbers(SVN)13through21•launchedbetween1989and1990•fullscaleoperationalsatellites•developedbyRockwellInternational•nearlycircularorbits•inclination55deg•twoCesiumandtwoRubidiumclocks•designlifeof7.3years•AS/SAcapabilitiesGPSConstellationBlockIIA•vehiclenumbers(SVN)22through40•launchedsince1990(18outof19)•secondseriesofoperationalsatellites•developedbyRockwellInternational•nearlycircularorbits•inclination55deg•twoCesiumandtwoRubidiumclocks•designlifeof7.3years•AS/SAcapabilitiesGPSConstellationBlockIIR•vehiclenumbers(SVN)41through62•totalof6launched(1unsuccessful)•operationalreplenishmentsatellites•developedbyLockheedMartin•nearlycircularorbits•inclination55deg•oneCesiumandtwoRubidiumclocks•designlifeof7.8years•AS/SAcapabilitiesGPSConstellationBlockIIF•willbelaunchedbetween2003and2010•operationalfollowonsatellites•nearlycircularorbits•inclination55deg•designlifeof10years•willcarryaninertialnavigationsystem•willhaveanaugmentedsignalstructure(thirdfrequency)asof2005GPSConstellationBlockIIIInNovember2000,LockheedMartinandBoeingwereeachawardeda$16-million,12-monthstudycontractbytheAirForcetoconceptualizethenextgenerationGPSsatellite,whichwillbeknownasGPSBlock-3.Firstlaunchexpectedin2009.3GPS卫星主要设备太阳能电池板原子钟（2台铯钟、2台铷钟、氢钟）信号生成与发射装置4GPS卫星作用发送导航定位信号接收地面注入站发送到卫星的导航电文和其他有关信息接收地面主控站通过注入站发送到卫星调度命令利用原子钟提供精密的时间标准，启用备用时钟地面部分(ControlSegment)夏威夷阿松森岛科罗拉多狄哥加西亚卡瓦加兰1个主控站:位于美国本土：由科罗拉多监控站兼任。1）.监测整个系统2）.编算导航电文3）.提供时间基准4）.诊断状态调度卫星3个注入站:将主控站传送来的导航电文发送给卫星.5个监测站:夏威夷阿松森岛科罗拉多狄哥加西亚卡瓦加兰1）、监测到卫星的伪距和积分多普勒。2）、监测卫星时钟和工作状态数据3）、监测监测站自身的状态数据用户部分（UserSegment）用户通过接收设备接受GPS信号，实现导航和定位!thecoolmanGPS信号接收机其它仪器设备一.用户1.军方2.民间用户二.接收设备硬件：GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机软件：数据处理软件GPS信号接收机它是实现GPS卫星导航定位的终端仪器它是一种能够接受、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接受设备1.概述既具有常用无线电接收的共性又具有捕捉、跟踪和处理卫星微弱信号的特性2.接收机分类GPS信号接收机接收机