1,第一章 绪 论,1.1 卫星定位技术发展概况 1.2 GPS的特点 1.3 GPS系统的组成 1.4 GPS的应用,2,什么是GPS？,GPS的英文全称是 Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System 简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。,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 什么是全球定位系统,3,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,1.1 卫星定位技术发展概况,4,中国研制的激光测距仪,1.1 卫星定位技术发展概况,5,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,1.1 卫星定位技术发展概况,6,1.1.1初期的卫星定位技术,7,1.1.1初期的卫星定位技术,8,多普勒效应的应用,美国霍普金斯大学利用多普勒效应对苏联第一颗人造卫星进行了跟踪试验，科学家发现，当卫星在近地点时信号频率就增加，远地点时信号频率就降低。因为卫星轨道是已知的，所以接收卫星信号的接收机不论处于何方，它的位置都能被测定。,1.1.2卫星多普勒测量,9,1.1.2卫星多普勒测量,10,子午卫星系统及其局限性,系统简介 NNSS Navy Navigation Satellite System（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） 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,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,11,12,子午卫星导航系统的组成,13,子午卫星系统及其局限性,用户部分 多普勒接收机,大地测量多普勒接收机 - 1 （MX1502）,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,大地测量多普勒接收机 - 2 （CMA751）,14,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,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,15,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,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,16,1.2 GPS的特点,相对于其它导航系统 1 功能多，用途广 2 定位精度高，p3表1-2 3 实时定位,17,1.2 GPS的特点,相对于常规测量 1 观测站之间无需通视 2 定位精度高 3 观测时间短 4 提供三维坐标 5 操作简便 6 全天候作业,18,1.3 GPS系统的组成,19,绪论 GPS系统组成 GPS概述,20,GPS概述,定位原理 距离交会 测距原理 被动式电磁波测距,绪论 GPS系统组成 GPS概述,21,22,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 1.3 GPS的组成 GPS的发展简史,总投资200亿美元。,23,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 1.3 GPS的组成 GPS的发展简史,24,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（Full Operational Capability）。,绪论 1.3 GPS的组成 GPS的发展简史,25,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 1.3 GPS的组成 GPS 现代化,26,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 1.3 GPS的组成 GPS 现代化,27,GPS现代化,GPS现代化第一阶段 发射12颗改进型的BLOCK R型卫星。 GPS现代化第二阶段 发射6颗GPS BLOCK F （“FLite”）。 GPS现代化计划的第三阶段 发射GPS BLOCK 型卫星，在2003年前完成代号为GPS 的 GPS完全现代化计划设计工作。,绪论 1.3 GPS的组成 GPS 现代化,28,GPS的系统组成,GPS系统由三部分组成 空间部分 地面控制部分 用户设备部分,绪论 1.3 GPS的组成,29,GPS的空间部分,GPS的空间部分的组成 GPS卫星星座,绪论 1.3 GPS的组成,6个轨道面 平均轨道高度20200km 轨道倾角55 周期11h 58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）,30,GPS的空间部分,绪论 1.3 GPS的组成,GPS卫星星座 设计星座：21+3 21颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星 保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星 当前星座：28颗,31,GPS星座,32,GPS的空间部分,GPS卫星的地面轨迹,绪论 1.3 GPS的组成,33,GGGGGG,34,GPS的空间部分,GPS卫星 作用： 接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备 太阳能电池板 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 信号生成与发射装置,绪论 1.3 GPS的组成,35,GPS卫星（续） 类型 试验卫星：Block 工作卫星：Block Block ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力 Block A （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 Block R （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯 Block F（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率,GPS的空间部分,绪论 1.3 GPS的组成,36,GPS的空间部分,绪论 1.3 GPS的组成,37,GPS的地面监控部分 ,地面监控部分 （Ground Segment） 组成 主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统,绪论 1.3 GPS的组成,38,GPS的地面监控部分,地面监控部分 （Ground Segment）（续） 分布,绪论 1.3 GPS的组成,39,40,地面监控系统流程图,41,GPS的地面监控部分,监测站（5个） 作用： 接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。 地点： 夏威夷、主控站及三个注入站。,绪论 1.3 GPS的组成,42,43,GPS的地面监控部分,主控站（1个） 作用： 管理、协调地面监控系统各部分的工作， 收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星， 监控卫星状态，向卫星发送控制指令； 卫星维护与异常情况的处理。 地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。,绪论 1.3 GPS的组成,44,GPS的地面监控部分,注入站（3个） 作用： 将导航电文注入GPS卫星。 地点： 阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）,绪论 1.3 GPS的组成,45,GPS的用户部分,组成 用户 接收设备 接收设备 GPS信号接收机 其它仪器设备,绪论 1.3 GPS的组成,46,GPS的用户部分,GPS信号接收机 组成 天线单元 带前置放大器 接收天线 接收单元 信号通道 存储器 微处理器 输入输出设备 电源,天线单元,接收单元,绪论 1.3 GPS的组成,47,GPS的用户部分 ,天线单元 类型 单极天线 微带天线 锥形（螺旋）天线 四丝螺旋天线 空间螺旋天线 背腔平面盘旋天线,GPS天线,绪论 1.3 GPS的组成,48,49,GPS的用户部分,接收单元 接收（信号）通道 定义：接收机中用来跟踪、处理、量测卫星信号的部件，由无线电元器件、数字电路等硬件和专用软件所组成。 类型：根据信号跟踪方式：序惯通道、多路复用通道和多通道；根据工作原理：码相关通道、平方通道等 存储器 微处理器 作用：数据处理、控制 输入输出设备 电源,绪论 1.3 GPS的组成,50,GPS的用户部分,绪论 1.3 GPS的组成,51,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 水平=100 m 垂直=150-170 m 时间=340 ns PPS 精密定位服务 可使用P码，军用 水平=22 m 垂直=27.7 m 时间=200 ns,绪论 美国政府的GPS政策,52,美国政府的GPS政策,SA技术（1990.3.252000.5.1） Selective Availability 选择可用性 人为降低普通用户的测量精度。方法: 技术：降低星历精度（加入随机变化） 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+WY,绪论 美国政府的GPS政策,53,1.4 GPS的应用,54,GPS在军事中的应用,绪论 GPS在各个领域中的应用,55,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,绪论 GPS在各个领域中的应用,56,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,57,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,58,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,59,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,绪论 GPS在各个领域中的应用,60,61,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,62,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,63,其它卫星导航定位系统GLONASS,GLONASS Global Navigation Sat