GPS概論-第一章-緒論(上)課件

全球定位系統(tǒng)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院林承達(dá)linchengda@

1全球定位系統(tǒng)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)1科學(xué)與技術(shù)衛(wèi)星1995年2科學(xué)與技術(shù)衛(wèi)星1995年21957年31957年3科學(xué)與技術(shù)衛(wèi)星1999年4科學(xué)與技術(shù)衛(wèi)星1999年4地球（海洋）資源衛(wèi)星1999年5地球（海洋）資源衛(wèi)星1999年5地球（海洋）資源衛(wèi)星中國(guó)、巴西“資源一號(hào)”地球資源衛(wèi)星(CBERS-1)19996地球（海洋）資源衛(wèi)星中國(guó)、巴西“資源一號(hào)”地球資源衛(wèi)星(CB2010年3月5日，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用“長(zhǎng)征四號(hào)丙”運(yùn)載火箭成功地將“遙感衛(wèi)星九號(hào)”送入太空預(yù)定軌道72010年3月5日，我國(guó)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用“長(zhǎng)征四號(hào)丙”運(yùn)氣象衛(wèi)星1969年8氣象衛(wèi)星1969年8氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)（奧運(yùn)星）2008.59氣象衛(wèi)星風(fēng)云三號(hào)（奧運(yùn)星）2008.59導(dǎo)航衛(wèi)星、軍事衛(wèi)星10導(dǎo)航衛(wèi)星、軍事衛(wèi)星10太空站前蘇聯(lián)和平號(hào)空間站1986年發(fā)射，2001年墜毀11太空站前蘇聯(lián)和平號(hào)空間站1986年發(fā)射，2001年墜毀11第一章 緒論§1.1全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景§1.2GPS在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用12第一章 緒論§1.1全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景1什么是GPS？GPS的英文全稱(chēng)是

NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem 簡(jiǎn)稱(chēng)GPS，有時(shí)也被稱(chēng)作NAVSTARGPS。其意為“導(dǎo)航星測(cè)時(shí)與測(cè)距全球定位系統(tǒng)”，或簡(jiǎn)稱(chēng)全球定位系統(tǒng)。13什么是GPS？GPS的英文全稱(chēng)是其意為“導(dǎo)航星測(cè)時(shí)與測(cè)距全球GPS概述①建立國(guó)家美國(guó)目的在全球范圍內(nèi)，提供實(shí)時(shí)、連續(xù)、全天候的導(dǎo)航定位及授時(shí)服務(wù)開(kāi)始籌建時(shí)間1973年完全建成時(shí)間1995年14GPS概述①建立國(guó)家14GPS概述②系統(tǒng)構(gòu)成空間部分、地面控制部分、用戶(hù)部分服務(wù)方式通過(guò)由多顆衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星星座提供導(dǎo)航定位服務(wù)定位原理距離交會(huì)測(cè)距原理被動(dòng)式電磁波測(cè)距特點(diǎn)全球覆蓋、全天候、不間斷、精度高15GPS概述②系統(tǒng)構(gòu)成15常規(guī)（地面）定位方法近、現(xiàn)代的常規(guī)定位方法采用的儀器設(shè)備尺：銦鋼尺光學(xué)儀器：經(jīng)緯儀，水準(zhǔn)儀電磁波或激光儀器：測(cè)距儀綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀觀測(cè)值角度或方向觀測(cè)距離觀測(cè)天文觀測(cè)方法16常規(guī)（地面）定位方法近、現(xiàn)代的常規(guī)定位方法16常規(guī)定位方法的局限性需要事先布設(shè)大量的地面控制點(diǎn)/地面站無(wú)法同時(shí)精確確定點(diǎn)的三維坐標(biāo)觀測(cè)受氣候、環(huán)境條件限制觀測(cè)點(diǎn)之間需要保證通視需要修建覘標(biāo)/架設(shè)高大的天線邊長(zhǎng)受到限制觀測(cè)難度大效率低：無(wú)用的中間過(guò)渡點(diǎn)受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光難以確定地心坐標(biāo)17常規(guī)定位方法的局限性需要事先布設(shè)大量的地面控制點(diǎn)/地面站17子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性系統(tǒng)簡(jiǎn)介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)），由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱(chēng)為T(mén)ransit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）采用利用多普勒效應(yīng)進(jìn)行導(dǎo)航定位，也被稱(chēng)為多普勒定位系統(tǒng)美國(guó)研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座18子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性系統(tǒng)簡(jiǎn)介子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座18子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性系統(tǒng)組成空間部分衛(wèi)星：發(fā)送導(dǎo)航定位信號(hào)（信號(hào)：4.9996MHz30=149.988MHz；4.9996MHz80=399.968MHz；星歷）衛(wèi)星星座–由6顆衛(wèi)星構(gòu)成，6軌道面，軌道高度1075km地面控制部分包括：跟蹤站、計(jì)算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺(tái)用戶(hù)部分多普勒接收機(jī)大地測(cè)量多普勒接收機(jī)-1（MX1502）大地測(cè)量多普勒接收機(jī)-2（CMA751）19子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性系統(tǒng)組成大地測(cè)量多普勒接收機(jī)-1大子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性應(yīng)用領(lǐng)域海上船舶的定位大地測(cè)量精度單點(diǎn)定位：15次合格衛(wèi)星通過(guò)（兩次通過(guò)之間的時(shí)間間隔為0.8h~1.6h），精度約為10m聯(lián)測(cè)定位：各站共同觀測(cè)17次合格衛(wèi)星通過(guò)，精度約為0.5m多普勒聯(lián)測(cè)定位多普勒單點(diǎn)定位20子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性應(yīng)用領(lǐng)域多普勒聯(lián)測(cè)定位多普勒單點(diǎn)定位2子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性系統(tǒng)缺陷衛(wèi)星少，觀測(cè)時(shí)間和間隔時(shí)間長(zhǎng)，無(wú)法提供實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位服務(wù)導(dǎo)航定位精度低衛(wèi)星信號(hào)頻率低，不利于補(bǔ)償電離層折射效應(yīng)的影響衛(wèi)星軌道低，難以進(jìn)行精密定軌TRANSIT系統(tǒng)衛(wèi)星：6顆極地軌道軌道高度：1075km信號(hào)頻率：400MHz、150MHz絕對(duì)定位精度：1m相對(duì)定位精度：0.1m~0.5m定位原理：多普勒定位存在問(wèn)題：衛(wèi)星少，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位；軌道低，難以精密定軌；頻率低，難以消除電離層影響。21子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性系統(tǒng)缺陷TRANSIT系統(tǒng)21GPS的發(fā)展簡(jiǎn)史——方案論證階段1973年12月，美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)研制GPS。1978年2月22日，第1顆GPS試驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射成功。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星。研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)。22GPS的發(fā)展簡(jiǎn)史——方案論證階段1973年12月，美國(guó)國(guó)防GPS的發(fā)展簡(jiǎn)史——全面研制和試驗(yàn)階段從1979年到1987年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。23GPS的發(fā)展簡(jiǎn)史——全面研制和試驗(yàn)階段從1979年到198GPS的發(fā)展簡(jiǎn)史——實(shí)用組網(wǎng)階段1989年2月14日，第1顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功。1991年，在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，GPS首次大規(guī)模用于實(shí)戰(zhàn)。1993年底實(shí)用的GPS網(wǎng)，即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。1995年7月17日，GPS達(dá)到FOC–完全運(yùn)行能力（FullOperationalCapability）。24GPS的發(fā)展簡(jiǎn)史——實(shí)用組網(wǎng)階段1989年2月14日，第1其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GLONASS（俄）-GlobalNavigationSatelliteSystem衛(wèi)星：21+3軌道高度：19100km信號(hào)頻率：1602~1616MHz、1246~1256MHzGalileo（歐）25其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)GLONASS（俄）-GlobalGLONASS全球軌道

導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS在系統(tǒng)組成及定位原理上極為相似通信方式不同：GLONASS：頻分多址FDMAGPS：碼分多址CDMAGLONASS衛(wèi)星星座一直處于降效運(yùn)行狀態(tài)。GLONASS的精度要比GPS系統(tǒng)的精度低。26GLONASS全球軌道

導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與GPS在系統(tǒng)組成及定位其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——GLONASS衛(wèi)星運(yùn)行狀況從1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星起，至1995年12月14日共發(fā)射了73顆衛(wèi)星。由于衛(wèi)星壽命過(guò)短，加之俄羅斯前一段時(shí)間經(jīng)濟(jì)狀況欠佳，無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充新衛(wèi)星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作。到目前為止（2006年3月20日）,GLONASS系統(tǒng)共有17顆衛(wèi)星在軌。其中有11顆衛(wèi)星處于工作狀態(tài)，2顆備用，4顆已過(guò)期而停止使用。俄羅斯計(jì)劃到2007年使GLONASS系統(tǒng)的工作衛(wèi)星數(shù)量至少達(dá)到18顆，開(kāi)始發(fā)揮導(dǎo)航定位功能。27其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——GLONASS衛(wèi)星運(yùn)行狀況27GLONASS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的比較一是衛(wèi)星發(fā)射頻率不同。GPS的衛(wèi)星信號(hào)采用碼分多址體制。而GLONASS采用頻分多址體制，GLONASS可以防止整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)被敵方干擾，因而，具有更強(qiáng)的抗干擾能力。二是坐標(biāo)系不同。GPS使用世界大地坐標(biāo)系（WGS-84），而GLONASS使用前蘇聯(lián)地心坐標(biāo)系（PE-90）。三是時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)不同。GPS系統(tǒng)時(shí)與世界協(xié)調(diào)時(shí)相關(guān)聯(lián)，而GLONASS則與莫斯科標(biāo)準(zhǔn)時(shí)相關(guān)聯(lián)。28GLONASS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的比較一是衛(wèi)星發(fā)射頻率不同。2929GLONASS系統(tǒng)的問(wèn)題1．目前GLONASS工作不穩(wěn)定，衛(wèi)星工作壽命短，在軌衛(wèi)星只17顆，實(shí)際滿負(fù)荷運(yùn)行只有8顆；2．GLONASS用戶(hù)設(shè)備發(fā)展緩慢，生產(chǎn)廠家少，設(shè)備體積大而笨重；3．由于GLONASS采用的是FDMA，所以用戶(hù)接收機(jī)中頻率綜合器復(fù)雜；4．對(duì)GPS/GLONASS兼容接收機(jī)，需解決兩系統(tǒng)的時(shí)間和坐標(biāo)系統(tǒng)問(wèn)題。30GLONASS系統(tǒng)的問(wèn)題1．目前GLONASS工作不穩(wěn)定，衛(wèi)“伽利略計(jì)劃(GALILEO)”

伽利略計(jì)劃，實(shí)際上是一個(gè)歐洲的全球?qū)Ш椒?wù)計(jì)劃。它是世界上笫一個(gè)專(zhuān)門(mén)為民用目的設(shè)計(jì)的全球性衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，與現(xiàn)在普遍使用的GPS相比，它將更顯先進(jìn)、更加有效、更為可靠。 按照規(guī)劃，“伽利略”計(jì)劃將耗資約27億美元，星座由30顆衛(wèi)星組成。

“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已陷入困境，不僅經(jīng)費(fèi)難以為繼，連頻率也被“北斗二代”優(yōu)先占用。

31“伽利略計(jì)劃(GALILEO)” 伽利略計(jì)劃，實(shí)際上是一個(gè)“伽利略計(jì)劃(GALILEO)”簡(jiǎn)介伽俐略（Galileo）衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)2002年3月24日歐盟決定研制組建自己的民用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——Galileo系統(tǒng)。Galileo衛(wèi)星星座將由27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這30顆衛(wèi)星將均勻分布在3個(gè)軌道平面上，衛(wèi)星高度為23616km，軌道傾角為56°。Galileo系統(tǒng)是一種多功能的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有公開(kāi)服務(wù)、安全服務(wù)、商業(yè)服務(wù)和政府服務(wù)等功能，但只有前兩種服務(wù)是自由公開(kāi)的，后兩種服務(wù)則需經(jīng)過(guò)批準(zhǔn)后才能使用。32“伽利略計(jì)劃(GALILEO)”簡(jiǎn)介伽俐略（GalileotheGalileosatelliteconstellation

其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——Galileo33theGalileosatelliteconstell中歐伽利略計(jì)劃34中歐伽利伽利略全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)首顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星升空電腦示意圖

35伽利略全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)首顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星升空電腦示意圖35伽利略計(jì)劃首顆衛(wèi)星在拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)第六發(fā)射平臺(tái)整裝待發(fā)

36伽利略計(jì)劃首顆衛(wèi)星在拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)第六發(fā)射平臺(tái)整裝待發(fā)其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——Galileo2005年12月28日第一顆Galileo試驗(yàn)衛(wèi)星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功進(jìn)入高度為2.3萬(wàn)Km的預(yù)定軌道。2006年1月12日，GlOVE-A已開(kāi)始向地面發(fā)送信號(hào)。這標(biāo)志著總投資為34億歐元（約合41億美元）的計(jì)劃已進(jìn)入實(shí)施階段。到2010年歐洲將發(fā)射30顆服役期約為20年的正式衛(wèi)星，完成伽利略衛(wèi)星星座的部署工作。2008年4月27日，“伽利略”系統(tǒng)的第二顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星才升空，此時(shí)距上次發(fā)射已經(jīng)有差不多四年時(shí)間，這樣的進(jìn)度，比最初的計(jì)劃推遲了整整五年。

37其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——Galileo2005年12月28日GIOVEAGIOVEBtheGIOVESatellite其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——GalileoGIOVE的主要目標(biāo):頻率信號(hào)測(cè)試；驗(yàn)證一些關(guān)鍵技術(shù)（比如銣原子鐘、氫原子鐘）；軌道環(huán)境特征測(cè)試；并行2或3通道信號(hào)傳輸測(cè)試。38GIOVEAGIOVEBtheGIOVESa中歐導(dǎo)航系統(tǒng)之爭(zhēng)“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已陷入困境，不僅經(jīng)費(fèi)難以為繼，連頻率也被“北斗二代”優(yōu)先占用。

中國(guó)的“北斗”衛(wèi)星依照“誰(shuí)先用誰(shuí)先得”的原則，已使用了原本“伽利略”系統(tǒng)計(jì)劃使用的頻率?！百だ浴庇?jì)劃排擠中國(guó)自己反被排擠

39中歐導(dǎo)航系統(tǒng)之爭(zhēng)“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)目前已陷入困境，不僅經(jīng)中歐導(dǎo)航系統(tǒng)之爭(zhēng)中歐衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率爭(zhēng)奪歷程蜜月期（2003年-2004年）中歐優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)反對(duì)單極世界轉(zhuǎn)折期（2005年-2007年）歐洲政治轉(zhuǎn)向聯(lián)美排擠中國(guó)競(jìng)爭(zhēng)期（2008年-2009年）“北斗”橫空出世技?jí)骸皻W系”衛(wèi)星

40中歐導(dǎo)航系統(tǒng)之爭(zhēng)中歐衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)頻率爭(zhēng)奪歷程40北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)北斗定位系統(tǒng)可向終端設(shè)備提供全天候、24小時(shí)的即時(shí)定位服務(wù)，定位最高精度可達(dá)10米，其精度與GPS相當(dāng)?！氨倍芬惶?hào)”導(dǎo)航定位衛(wèi)星由中國(guó)空間技術(shù)研究院研究制造。3顆導(dǎo)航定位衛(wèi)星的發(fā)射時(shí)間分別為：2000年10月31日；2000年12月21日；2003年5月25日，第三顆是備用衛(wèi)星。標(biāo)志著我國(guó)擁有了自己的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)——BD–1。北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是覆蓋我國(guó)本土的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。41北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)北斗定位系統(tǒng)可向終端設(shè)備提供全天候、24小時(shí)北斗1代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成圖其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)”系統(tǒng)是由空間衛(wèi)星、地面控制中心站和北斗用戶(hù)終端三部分構(gòu)成?？臻g部分包括兩顆地球同步軌道衛(wèi)星（GEO）組成。衛(wèi)星上帶有信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)裝置，完成地面控制中心站和用戶(hù)終端之間的雙向無(wú)線電信號(hào)的中繼任務(wù)。42北斗1代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組成圖其它衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——北斗衛(wèi)星導(dǎo)北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)原理 基于三球交會(huì)原理，即以2顆衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心，各以測(cè)定的本星至用戶(hù)機(jī)距離為半徑，形成2個(gè)球面，用戶(hù)機(jī)必然位于這2個(gè)球面交線的圓弧上。中心站電子高程地圖庫(kù)提供的是一個(gè)以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。求解圓弧線與地球表面交點(diǎn)，即可獲得用戶(hù)的二維位置。 其高程可以從電子高程地圖庫(kù)查詢(xún)，也可以從氣壓測(cè)高計(jì)讀取。43北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)原理 基于三球交會(huì)原理，即以2顆衛(wèi)星的已知坐國(guó)產(chǎn)北斗一號(hào)導(dǎo)航定位衛(wèi)星工作示意圖44國(guó)產(chǎn)北斗一號(hào)導(dǎo)航定位衛(wèi)星工作示意圖44北斗系統(tǒng)與GPS的區(qū)別1、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)具備定位與雙向通信能力；GPS系統(tǒng)本身不具備通信能力。2、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)是全球性導(dǎo)航系統(tǒng)。3、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由我國(guó)自主控制，GPS系統(tǒng)則是由美國(guó)軍方控制。4、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)用戶(hù)數(shù)量受到限制，GPS的用戶(hù)數(shù)量不受限制。5、北斗導(dǎo)航用戶(hù)機(jī)無(wú)導(dǎo)航處理器，GPS接收機(jī)有。45北斗系統(tǒng)與GPS的區(qū)別1、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)具備定位與雙