武汉大学GPS课件总

武汉大学测绘学院GPS原理及其应用课程组GPS原理及其应用(一)GPS原理及其应用第一章绪论§1.1全球定位系统的产生、发展及前景§1.2GPS在各个领域中的应用GPS原理及其应用§1.1全球定位系统的产生、发展及前景GPS原理及其应用什么是GPS？•GPS的英文全称是NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。绪论全球定位系统的产生、发展及前景什么是全球定位系统GPS原理及其应用GPS概述①•建立国家–美国•目的–在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务•开始筹建时间–1973年•完全建成时间–1995年绪论全球定位系统的产生、发展及前景GPS概述①GPS原理及其应用GPS概述②•系统构成–空间部分、地面控制部分、用户部分•服务方式–通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务•定位原理–距离交会•测距原理–被动式电磁波测距•特点–全球覆盖、全天候、不间断、精度高绪论绪论全球定位系统的产生、发展及前景GPS概述②GPS原理及其应用常规（地面）定位方法•近、现代的常规定位方法–采用的仪器设备•尺：铟钢尺•光学仪器：经纬仪，水准仪•电磁波或激光仪器：测距仪•综合多种技术的仪器：全站仪–观测值•角度或方向观测•距离观测•天文观测方法绪论全球定位系统的产生、发展及前景常规（地面）定位方法GPS原理及其应用常规定位方法的局限性•需要事先布设大量的地面控制点/地面站•无法同时精确确定点的三维坐标•观测受气候、环境条件限制•观测点之间需要保证通视–需要修建觇标/架设高大的天线–边长受到限制–观测难度大–效率低：无用的中间过渡点•受系统误差影响大，如地球旁折光•难以确定地心坐标绪论全球定位系统的产生、发展及前景常规（地面）定位方法的局限性GPS原理及其应用子午卫星系统及其局限性•系统简介–NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）–采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统–美国研制、建立–1964年1月建成–1967年7月解密供民用子午卫星子午卫星星座绪论全球定位系统的产生、发展及前景子午卫星系统及其局限性GPS原理及其应用子午卫星系统及其局限性•系统组成–空间部分•卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz30=149.988MHz；4.9996MHz80=399.968MHz；星历）•卫星星座–由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km–地面控制部分•包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台–用户部分•多普勒接收机大地测量多普勒接收机-1（MX1502）大地测量多普勒接收机-2（CMA751）绪论全球定位系统的产生、发展及前景子午卫星系统及其局限性GPS原理及其应用子午卫星系统及其局限性•应用领域–海上船舶的定位–大地测量•精度–单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h~1.6h），精度约为10m–联测定位：各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m多普勒联测定位多普勒单点定位绪论全球定位系统的产生、发展及前景子午卫星系统及其局限性GPS原理及其应用子午卫星系统及其局限性•系统缺陷–卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务–导航定位精度低–卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响–卫星轨道低，难以进行精密定轨TRANSIT系统卫星：6颗极地轨道轨道高度：1075km信号频率：400MHz、150MHz绝对定位精度：1m相对定位精度：0.1m~0.5m定位原理：多普勒定位存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。绪论全球定位系统的产生、发展及前景子午卫星系统及其局限性GPS原理及其应用GPS的发展简史——方案论证阶段•1973年12月，美国国防部批准研制GPS。•1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。•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。绪论全球定位系统的产生、发展及前景GPS的发展简史GPS原理及其应用GPS的发展简史——全面研制和试验阶段•从1979年到1987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。绪论全球定位系统的产生、发展及前景GPS的发展简史GPS原理及其应用GPS的发展简史——实用组网阶段•1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。•1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。•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。•1995年7月17日，GPS达到FOC–完全运行能力（FullOperationalCapability）。绪论全球定位系统的产生、发展及前景GPS的发展简史GPS原理及其应用§1.2GPS在各个领域中的应用GPS原理及其应用GPS在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹配备GPS的士兵美国海军核潜艇绪论GPS在各个领域中的应用GPS原理及其应用GPS在交通运输业中的应用•航运、航空搜索•陆路交通（车辆导航、监控）•船舶远洋导航和进港引水车辆导航管理对航空器的定位及导航车辆导航配备GPS的巡警绪论GPS在各个领域中的应用GPS原理及其应用GPS在测量中的应用•建立和维持全球性的参考框架绪论GPS在各个领域中的应用GPS原理及其应用GPS在测量中的应用•板块运动和监测绪论GPS在各个领域中的应用GPS原理及其应用GPS在测量中的应用•建立各级国家平面控制网绪论GPS在各个领域中的应用GPS原理及其应用GPS在测量中的应用•布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量市话网市话网市话网市话网市话网深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结构及通信网络示意图市电信局监控分析中心卫星定位信号发射台FM电台基准站1基准站2基准站3基准站4基准站5进入移动电话系统用户用户全向天线定向天线Modem绪论GPS在各个领域中的应用GPS原理及其应用GPS在测量中的应用•在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用绪论GPS在各个领域中的应用GPS原理及其应用GPS在其他领域中的应用•精细农业•遥感•卫星定轨•资源勘探•个人旅游及野外探险•电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递•….绪论GPS在各个领域中的应用武汉大学测绘学院GPS原理及其应用课程组GPS原理及其应用(二)GPS原理及其应用第一章绪论§1.3美国政府的GPS政策§1.4其它卫星导航定位系统GPS原理及其应用§1.3美国政府的GPS政策GPS原理及其应用美国政府的GPS政策•SPS与PPS–SPS–标准定位服务•使用C/A码，民用•2DRMS水平=100m•2DRMS垂直=150-170m•2DRMS时间=340ns–PPS–精密定位服务•可使用P码，军用•2DRMS水平=22m•2DRMS垂直=27.7m•2DRMS时间=200ns绪论美国政府的GPS政策GPS原理及其应用美国政府的GPS政策•SA技术（1990.3.25~2000.5.1）–SelectiveAvailability–选择可用性–人为降低普通用户的测量精度。方法:•ε技术：降低星历精度（加入随机变化）•δ技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）•AS技术（1994.1.31~至今）–Anti-Spoofing–反电子欺骗–P码加密，P+WY绪论美国政府的GPS政策GPS原理及其应用GPS现代化•1999年1月25日，美国副总统戈尔宣布，将斥资40亿美元，进行GPS现代化。•GPS现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。绪论美国政府的GPS政策GPS原理及其应用GPS现代化•GPS现代化的内涵：–保护。即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；–阻止。即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；–保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。绪论美国政府的GPS政策GPS原理及其应用GPS现代化•GPS现代化第一阶段–发射12颗改进型的BLOCKⅡR型卫星。•GPS现代化第二阶段–发射6颗GPSBLOCKⅡF（“ⅡFLite”）。•GPS现代化计划的第三阶段–发射GPSBLOCKⅢ型卫星，在2003年前完成代号为GPSⅢ的GPS完全现代化计划设计工作。绪论美国政府的GPS政策GPS原理及其应用§1.4其他卫星导航定位系统的概况GPS原理及其应用其它卫星导航定位系统——GLONASS•GLONASS－GlobalNavigationSatelliteSystem（全球导航卫星系统）•开发者–俄罗斯（前苏联）•系统构成–卫星星座–地面控制部分–用户设备绪论其它卫星导航定位系统GLONASSGPS原理及其应用GLONASSconstellationGLONASSsatelliteP24绪论其它卫星导航定位系统GLONASS其它卫星导航定位系统——GLONASSGPS原理及其应用•GLONASS与GPS的比较参数GLONASSNAVSTARGPS系统中的卫星数21＋321＋3轨道平面数36轨道倾角64.8°55°轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率1602~1615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率1246~1256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz绪论其它卫星导航定位系统GLONASSGPS原理及其应用其它卫星导航定位系统——GLONASS•卫星运行状况–从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。–由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。–到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。绪论其它卫星导航定位系统GLONASSGPS原理及其应用其它卫星导航定位系统——Galileo•伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统–2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统——Galileo系统。–Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°。–Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。绪论其它卫星导航定位系统GalileoGPS原理及其应用theGalileosatelliteconstellationaltitude~23616kmSMA29993.707kminclination56degrees•period14hours4min•groundtrackrepeatabout10daysGGALILEOALILEODATADATA27+3satellitesinthreeMediumEarthOrbits(MEO)Walker27/3/1ConstellationP26其它卫星导航定位系统——Galileo绪论其它卫星导航定位系统GalileoGPS原理及其应用其它卫星导航定位系统——Galileo•2005年12