礦大GPS第一章緒論1-衛(wèi)星定位基礎(chǔ)

礦大GPS第一章緒論1-衛(wèi)星定位基礎(chǔ)衛(wèi)星定位技術(shù)概述GPS系統(tǒng)基本原理衛(wèi)星導(dǎo)航基礎(chǔ)知識接收機技術(shù)簡介差分GPS技術(shù)及其應(yīng)用挑戰(zhàn)、問題與發(fā)展趨勢contents目錄01衛(wèi)星定位技術(shù)概述衛(wèi)星定位技術(shù)是一種利用人造地球衛(wèi)星進行點位測量的技術(shù)，通過對衛(wèi)星信號的接收和處理，確定地面或空中目標(biāo)的位置、速度和時間等信息。定義自20世紀(jì)70年代美國成功發(fā)射GPS衛(wèi)星以來，衛(wèi)星定位技術(shù)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展，逐漸形成了全球覆蓋、高精度、多功能的定位系統(tǒng)。目前，全球主要的衛(wèi)星定位系統(tǒng)包括美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo和中國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等。發(fā)展歷程定義與發(fā)展歷程主要應(yīng)用領(lǐng)域衛(wèi)星定位技術(shù)已廣泛應(yīng)用于軍事、民用和科學(xué)研究等領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域，衛(wèi)星定位技術(shù)可用于導(dǎo)航、定位、偵察和打擊等；在民用領(lǐng)域，衛(wèi)星定位技術(shù)已滲透到交通、農(nóng)業(yè)、測繪、環(huán)保、氣象和應(yīng)急救援等各個方面；在科學(xué)研究領(lǐng)域，衛(wèi)星定位技術(shù)為地球科學(xué)、天文學(xué)、空間科學(xué)等學(xué)科的研究提供了重要手段。要點一要點二價值衛(wèi)星定位技術(shù)的價值主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是提高了定位精度和效率，為各種應(yīng)用提供了更為準(zhǔn)確和可靠的位置信息；二是擴大了應(yīng)用范圍，使得許多以前難以實現(xiàn)的應(yīng)用成為可能；三是促進了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如衛(wèi)星制造、發(fā)射服務(wù)、終端設(shè)備制造和服務(wù)等；四是提高了國家安全保障能力，為國家的軍事、政治和經(jīng)濟安全提供了有力支撐。主要應(yīng)用領(lǐng)域及價值國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國自20世紀(jì)80年代開始研究衛(wèi)星定位技術(shù)，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已形成了完整的衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)體系。目前，我國已成功發(fā)射了多顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，并計劃在未來幾年內(nèi)實現(xiàn)全球覆蓋。同時，國內(nèi)眾多高校和科研機構(gòu)也在積極開展衛(wèi)星定位技術(shù)的研究工作，取得了一系列重要成果。國外研究現(xiàn)狀國外在衛(wèi)星定位技術(shù)方面的研究起步較早，技術(shù)相對成熟。目前，美國的GPS系統(tǒng)是全球應(yīng)用最廣泛的衛(wèi)星定位系統(tǒng)之一，其定位精度和穩(wěn)定性得到了廣泛認可。此外，歐洲、俄羅斯和日本等國家也在積極發(fā)展自己的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，并加強與國際合作。國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢02GPS系統(tǒng)基本原理地面控制部分包括1個主控站、5個監(jiān)測站和3個注入站，負責(zé)監(jiān)測衛(wèi)星狀態(tài)、計算星歷和時鐘參數(shù)，并將導(dǎo)航信息注入衛(wèi)星?？臻g部分由24顆工作衛(wèi)星組成，分布在6個軌道平面上，每個軌道上分布4顆衛(wèi)星，確保全球覆蓋。用戶部分由GPS接收機和數(shù)據(jù)處理軟件組成，用于接收衛(wèi)星信號并解算出位置、速度和時間等信息。GPS系統(tǒng)組成與功能GPS衛(wèi)星向地面發(fā)射L波段的無線電信號，包括導(dǎo)航電文和測距碼。信號傳輸信號接收信號處理用戶接收機捕獲并跟蹤衛(wèi)星信號，通過解碼獲得導(dǎo)航電文和測距碼信息。接收機對接收到的信號進行處理，包括去除噪聲、解調(diào)、解碼等操作，以獲得準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。030201信號傳輸與接收過程定位原理利用三角測量原理，通過測量至少4顆衛(wèi)星到用戶接收機的距離，解算出用戶的三維坐標(biāo)和時間信息。誤差來源包括衛(wèi)星時鐘誤差、星歷誤差、大氣層延遲誤差、多路徑效應(yīng)誤差以及接收機噪聲等。這些誤差會影響定位精度和可靠性，需要通過相應(yīng)的方法進行修正和補償。定位原理及誤差來源分析03衛(wèi)星導(dǎo)航基礎(chǔ)知識地球形狀描述01地球并非嚴(yán)格的球體，而是橢球體，具有長半軸和短半軸之分。坐標(biāo)系的建立02為了描述地球上任意一點的位置，需要建立地理坐標(biāo)系和地心地固坐標(biāo)系等。其中，地理坐標(biāo)系以經(jīng)緯度表示地面點位置，地心地固坐標(biāo)系則以三維坐標(biāo)表示。坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換03由于不同坐標(biāo)系之間存在差異，需要進行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，如將地理坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地心地固坐標(biāo)系等。地球形狀與坐標(biāo)系建立

時間系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換關(guān)系時間系統(tǒng)定義衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)涉及多個時間系統(tǒng)，如世界時、原子時、協(xié)調(diào)世界時等。這些時間系統(tǒng)具有不同的定義和計量方式。時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換關(guān)系不同時間系統(tǒng)之間存在差異，需要進行時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。例如，將世界時轉(zhuǎn)換為原子時，或?qū)⒃訒r轉(zhuǎn)換為協(xié)調(diào)世界時等。時間同步方法為了實現(xiàn)不同時間系統(tǒng)之間的同步，需要采用高精度的時間同步方法，如利用衛(wèi)星鐘差進行時間同步等。導(dǎo)航電文定義導(dǎo)航電文是指由衛(wèi)星向地面用戶播發(fā)的用于定位和導(dǎo)航的數(shù)據(jù)信息。這些數(shù)據(jù)包括衛(wèi)星星歷、時鐘校正參數(shù)、電離層延遲模型等。導(dǎo)航電文格式導(dǎo)航電文通常采用特定的數(shù)據(jù)格式進行編碼和傳輸，如GPS采用的導(dǎo)航電文格式包括幀結(jié)構(gòu)、子幀結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)位等。導(dǎo)航電文內(nèi)容解讀地面用戶在接收到導(dǎo)航電文后，需要對其進行解碼和解讀，以獲取所需的定位和導(dǎo)航信息。例如，通過解析衛(wèi)星星歷可以獲取衛(wèi)星的位置和速度信息，通過解析時鐘校正參數(shù)可以獲取衛(wèi)星鐘差信息等。導(dǎo)航電文格式與內(nèi)容解讀04接收機技術(shù)簡介導(dǎo)航型接收機、測地型接收機、授時型接收機等，各類接收機在精度、動態(tài)性能等方面有所差異。按用途分類單頻接收機、雙頻接收機等，雙頻接收機可消除電離層誤差，提高定位精度。按接收頻率分類多通道接收機可同時接收多顆衛(wèi)星信號，提高定位可靠性和精度。按通道數(shù)分類接收機類型及特點分析通過搜索衛(wèi)星信號頻率和碼相位，實現(xiàn)信號的快速捕獲。信號捕獲在捕獲信號后，對信號進行穩(wěn)定跟蹤，以獲取連續(xù)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。信號跟蹤將接收到的衛(wèi)星信號進行解調(diào)，提取出導(dǎo)航電文，以供后續(xù)定位解算使用。解調(diào)過程信號捕獲、跟蹤和解調(diào)過程性能評價指標(biāo)與方法衡量接收機接收微弱信號的能力，通常以信噪比或載噪比表示。反映接收機定位結(jié)果的準(zhǔn)確程度，包括水平精度和垂直精度等。評價接收機在動態(tài)環(huán)境下的定位穩(wěn)定性、可靠性和響應(yīng)速度等。衡量接收機在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力，如抗多徑干擾、抗電磁干擾等。接收靈敏度定位精度動態(tài)性能抗干擾能力05差分GPS技術(shù)及其應(yīng)用差分GPS（DGPS）是通過在已知精確位置的基準(zhǔn)站上安裝GPS接收機，接收衛(wèi)星信號并計算出誤差，然后將誤差信息實時或事后傳送給用戶，以提高用戶定位的精度。DGPS主要由基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)鏈和用戶部分組成?；鶞?zhǔn)站接收衛(wèi)星信號并計算出偽距誤差或位置誤差，通過數(shù)據(jù)鏈將誤差信息發(fā)送給用戶接收機，用戶接收機利用這些誤差信息對自身的觀測值進行修正，從而得到更精確的定位結(jié)果。差分GPS基本原理介紹RTK（Real-TimeKinematic）技術(shù)是一種實時動態(tài)差分GPS技術(shù)，它能夠在野外實時得到厘米級定位精度的測量方法。RTK系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)站接收機、數(shù)據(jù)鏈和用戶接收機三部分組成?；鶞?zhǔn)站接收機設(shè)在具有已知精確坐標(biāo)的參考點上，連續(xù)接收所有可視GPS衛(wèi)星信號，并將測定的偽距觀測值、載波相位觀測值、衛(wèi)星跟蹤狀態(tài)及接收機工作狀態(tài)等通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)送給用戶接收機。用戶接收機在接收GPS衛(wèi)星信號的同時，還通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的信息，并根據(jù)相對定位原理實時解算出流動站的三維坐標(biāo)及其精度。實時動態(tài)差分RTK技術(shù)在測量和導(dǎo)航領(lǐng)域中的應(yīng)用差分GPS技術(shù)廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、地形測繪等領(lǐng)域。例如，在土地測繪中，利用RTK技術(shù)可以實時得到高精度的土地界址點坐標(biāo)，大大提高了測繪效率和精度。測量領(lǐng)域差分GPS技術(shù)也廣泛應(yīng)用于車輛導(dǎo)航、船舶導(dǎo)航、航空導(dǎo)航等領(lǐng)域。例如，在航空導(dǎo)航中，利用差分GPS技術(shù)可以提高飛機著陸的精度和安全性。此外，差分GPS技術(shù)還可以用于智能交通系統(tǒng)（ITS）中，為車輛提供實時的高精度定位和導(dǎo)航服務(wù)。導(dǎo)航領(lǐng)域06挑戰(zhàn)、問題與發(fā)展趨勢123在城市峽谷、隧道、室內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境中，GPS信號易受到遮擋和反射，導(dǎo)致定位精度下降甚至無法定位。信號遮擋與多路徑效應(yīng)許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)PS定位精度要求越來越高，但高精度定位設(shè)備成本較高，難以普及。高精度需求與低成本矛盾GPS系統(tǒng)依賴于衛(wèi)星信號，存在被干擾、欺騙等安全隱患，需要采取措施提高系統(tǒng)魯棒性和安全性。系統(tǒng)脆弱性與安全性問題當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn)和問題03伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)歐洲伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)致力于提供民用高精度定位服務(wù)，推動全球衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的發(fā)展。01北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)全球組網(wǎng)，提供高精度、高可靠的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)。02格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也在不斷完善和發(fā)展，與GPS系統(tǒng)形成競爭態(tài)勢。新型衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展動態(tài)高精度定位技術(shù)普及隨著芯片技術(shù)、算法優(yōu)化等