GPS原理及应用导论

1,第1章 GPS的原理与应用,1.1 GPS定位技术的发展 1.2 GPS组成及原理 1.3 GPS的应用,2,1.1 GPS定位技术的发展,1957年10月，世界上（前苏联）第一颗人造地球卫星发射成功，标志着空间科学技术的发展跨入了一个崭新的时代。随着人造地球卫星的不断发射，利用卫星进行定位测量已成为现实。 第一阶段：卫星仅作为观测目标 第二阶段：多普勒卫星定位 第三阶段：GPS定位系统,3,一、早期的定位技术（第一代卫星大地测量）,第一代（1960年）： 卫星仅作为观测目标，建立卫星三角网或卫星测距网。,观测方法： 通过地面点对卫星的观测，可将卫星实际运行的轨道确定，然后根据卫星的位置再确定地面 点的位置。,4,人造卫星激光测距,5,人卫激光测距,6,优点：实现了陆岛联测。 缺点：受卫星可见条件及天气的影响，费时费 力，定位精度低，不能测得点位的地心 坐标。,大陆,岛屿,7,二、子午卫星导航系统（第二代）,20世纪50年代末期，美国的科学家对空中的卫 星进行监测，发现了卫星信号频率出现了变化，称 为频移现象（多普勒效应）。,随着卫星运动的速度、方 向、距离的变化，可建立频移f与v、s(t)之间的函数关系。,随后，美国开始研制用多普勒定位技术进行测速定位的卫星导航系统（子午卫星导航系统）。开始主要用于军用。,8,子午卫星导航系统的组成： 卫星轨道均在子午面上。子午卫星导航系统采用6颗卫星，并都通过地球的南北极运行。,1、空间部分: 卫星：太阳能、稳定杆朝向地球。,9,2、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。,10,3、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。,11,4、定位方法,（1）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。 （2）联测定位: 各站共同观测17次合格卫星通过，精度可达0.5m,12,优点：经济快速、精度均匀、不受天气和时间的 限制、可在地球表面的任何地方进行单点定位和联测定位。 缺点：卫星少，不能实时定位；只能提供二维坐标（经度和纬度）；轨道高度10100 公里,太低,因为地球引力、摄动影响，卫星难以精密定轨；频率低，难以补偿电离层折射的影响；定位精度低。 上世纪70年代中期，我国引进多普勒接收机，实现了南沙群岛与陆地的联测。,13,三、GPS全球定位系统的建立（第三代）,1973年12月，美国国防部出于军事战略的考 虑，决定建立Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System(导航卫星测时与测距全球定位系统，简称全球定位系统),简称GPS,有时也称NAVSTAR GPS。 GPS计划经历了以下三个 阶段： 第一阶段：方案论证和初步设计阶段。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。,14,第二阶段：全面研制和试验阶段。从1979年到1984 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。 第三阶段：实用组网阶段。1989年2月4日第一颗 GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统 进入工程建设阶段。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。,整个系统分为卫星星座、地面控制和监测站、 用户设备三大部分。 与前两代相比：全球性、全天候、连续性和实时的导 航、定位、定时的功能。,15,GPS卫星星座,24-27颗卫星 2万多公里高度 6个轨道,空间部分,16,四、其他卫星导航系统 1、GLONASS（Global Navigation Satellite System）全球导航卫星系统:,由前苏联建立，起步比GPS晚9年（1982年），1996年1月18日整个系统正常运行。该系统的组成和原理与GPS类似，也是有空间卫星星座、地面控制和用户设备三大部分组成。系统可供国防和民用，不带任何限制，也不计划对用户收费。,GLONASS卫星星座,17,GLONASS卫星,18,地面控制系统：地面控制站组（GCS）包括一个系 统控制中心，设在莫斯科；一个指令跟踪站 （CTS），网络分布于俄罗斯境内。指令跟踪站 （CTS）跟踪GLONASS可视卫星，它遥测所有卫 星，进行测距数据的采集和处理，并向各卫星发送 控制指令和导航信息。 用户设备：GLONASS接收机接收GLONASS 卫星信号并测量其伪距和速度，同时从卫星信号中选出并处理导航电文。接收机内的计算机对所有数据处理并算出位置坐标的三个分量、速度矢量的三个分量和时间。,19,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，其中有效卫星24颗。 20世纪90年代后期，由于卫星寿命过短，加之政治和经济原因，无法及时补充新卫星，故该系统有一段时间曾不能维持正常工作，到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。 2009年俄罗斯的格洛纳斯系统计划终于重上正轨，12月14号发射了三颗型号为GLONASS-M的导航卫星，2010年2月又进行第二次发射。现有23颗卫星在工作。,20,2、伽利略（Galileo）系统： 1994年开始系统方案论证。2002年3月，欧盟15国交通部长一致同意该系统的建设。计划2012年前完成系统部署并投入使用。 Galileo系统的主要设计 思想：与GPS/GLONASS 不同，完全从民用出发； 可与GPS/GLONASS系 统兼容；有偿的对民用 开放（商用），高精度。,21,2005年11月 28日凌晨3时， 哈萨克斯坦境内 拜科努尔航天发 射场发射了欧洲 “伽利略”卫星定 位系统首颗实验 卫星。,GPS克星 “伽利略”卫星定位系统,22,伽利略卫星,23,3、北斗卫星导航系统（双星导航定位系统）：,24,北斗一号卫星,前两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和 12月21日发射 升空，第三颗 于2003年5月 25日发射。,25,北斗一号海上救生型用户机,北斗一号实用型车载式用户机,北斗一号指挥型用户机,北斗一号数据传输型用户机,26,珠峰测高中的使用的 北斗一号接收机,2005年3月10日至5月22日观 测，10月9日上午10点公布结果。 原高程： 8848.13米 新高程： 8844.43米,27,北京时间2003年5月25日零时34分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。,28,“北斗一号”导航定位卫星运往发射架途中,29,卫星发射前，科研人员进行卫星与火箭的总装,30,等待升空的“北斗一号”导航定位卫星,31,卫星发射升空后，科研人员在地面进行数据观测。,32,双星导航定位系统空间部分： 由三颗地球静止轨道卫星（一颗备用）组成。 地面中心站：包括地面应用系统和测控系统，具有位 置报告、双向报告通讯及双向授时功能。 用户部分：车辆、船舶、飞机以及各军兵种的动态及 静态导航定位的用户。 服务区域：东经70145度，北纬555度范围（我国 处于东经72136度） 定位精度：平面20米，高程10米。,33,“北斗一号”卫星定位系统是利用地球同步卫星为用 户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种 全天候、区域性的卫星定位系统。系统的主要功能是： 1、定位：快速确定用户所在地的地理位置，向用户 及主管部门提供导航信息。 2、通讯：用户与用户、用户与中心控制系统间均可 实现双向简短数字报文通信。 3、授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时 用户提供时延修正值。,34,35,36,基于“北斗一号”的指挥控制系统,37,“北斗一号”海上安全与管理系统,38,“北斗一号”卫星定位系统的工作过程： 1、首先由中心控制系统向两颗卫星同时发送询问 信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。 2、用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向 两颗卫星发送响应信号，经卫星转发回中心控 制系统。 3、中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然 后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处 理。,39,4、对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟： 即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫 星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经 同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从 中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达 用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发 回中心控制系统的延迟。,40,5、由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的， 因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星 的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道 用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和 以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。 6、另外中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形 图查寻到用户高程值，又可知道用户处于某一与地 球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统 可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经 加密由出站信号发送给用户。,41,定位的基本原理： 空间球面交会测量原理。 与GPS定位系统的区别： 定位区域不同（在本土），定位原理不同，具有通讯功能。（76年的唐山大地震，所有通讯设施全被破坏，工作人员只有坐车向国务院求救，如果当时有双星导航系统，只要有双星导航接收机就可以与外界随时取得联系。）北斗，张少中谈北斗1，2，3，4，5，6 2012-2发射第11 颗北斗 专家在线谈北斗-,42,空间部分GPS卫星星座 三大部分 地面控制部分地面监控系统 用户设备部分GPS信号接收机,1.2 GPS系统组成,43,44,卫星星座的基本参数： 21+3颗卫星，6个 轨道面，卫星高度 20200km，轨道倾 角55度，卫星运行 周期11小时58分， 载波频率为1575.42 和1227.60MHz。,一、GPS工作卫星及其星座,45,GPS卫星,46,卫星在GPS系统中的作用： （1）用两个频率向用户连 续发送信号，通知其卫 星当前位置和工作情况； （2）接收地面注入站发射 的导航电文和其他有 关信息，实时的发给 广大用户； （3）接收地面主控站通过注入站发送给卫星的调度指 令，适时修正卫星运行的偏差。,47,美国GPS卫星工作想像图,48,美国GPS卫星工作想像图,49,49,一个主控站 三个注入站 五个监测站,二、地面监控系统,夏威夷监,科罗拉多主,卡瓦加兰注+监,迪戈加西亚注+监,阿森松岛注+监,地面监控系统的组成,50,主控站：设在美国本土科罗拉多。其主要任务： （1）协调和管理地面监控系统工作； （2）根据本站和其他监测站的所有观测资料，推算 编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正 参数等，并把这些数据传送到注入站； （3）提供全球定位系统的时间基准。各测站和GPS卫 星的原子钟、均应与主控站的原子钟同步，或测 出其间的钟差，并把这些钟差信息编入导航电 文，送到注入站； （4）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行； （5）启用备用卫星，以代替失效的工作卫星。,51,注入站：三个分别设在印度洋的迭哥加西亚、南大西洋的阿松森岛、南太平洋的卡瓦加兰。 其主要任务： 在主控站的控制下将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控 制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并检测注入星系的正确性。,52,监测站： 五个分别设在美国本土科罗拉多、印度洋的迭哥加西亚、南大西洋的阿松森岛、南太平洋的卡瓦加兰、夏威夷。 其主要任务：为主控站提供卫星的观测数据。,地面控制系统的工作程序：,监测站检测 卫星的位置,主控站，利用检测站的已知位置，编算卫星未来的位置,注入站，利用大功率发射机发射给卫星,是一个循环、闭合的过程,53,三、用户设备部分 GPS信号接收机,GPS的空间部分和地面监控部分，是用户应用该 系统定位的基础，而用户只有通过用户设备，才能实 现应用GPS 定位的目的。 GPS信号接收机的主要任务：接收GPS卫星发射的无 线电信号，获得必要的定位信息及观测量并经数据 处理而完成定位工作。（捕获卫星信号，对信号进行 处理，测量出信号传播的时间，解译出GPS卫星所发 送的导航电文，实时的计算出测站的三维信息，甚至 三位速度和时间。,54,用户设备：由GPS接收机硬件（主机、天线和电 源）和数据处理软件，以及微处理机及 其终端设备组成。,各种车载型：,55,56,各种手持机：,57,多普达GPS导航器P800,这是一部融合GPS导航、掌上电脑和手机三者完美的结合的电脑手机。,58,59,一体机：,GJS300 静态接收机,F30静态 接收机,60,Smart3100IS傻瓜型,61,徕卡GPS1200,RTK操作 使用,62,南方测绘S808,63,天测Ashtech,64,易测640单频,65,华测X20 单频,66,华测X90双频 RTK,67,华测X90双频 RTK基准站,68,华测X90双频 RTK移动站,69,单基站CORS系统,70,蓝牙接收机：,71,“天目领航”汽车卫星定位导航系统,72,9800 天王星海洋水上测量系统 (RTK),73,1.3 GPS的应用,（1）定位精度高 单机定位精度优于10m，相对（差分）定位，精度可达厘米级和毫米级。,一、GPS系统的特点,（2）观测时间短 20km以内的相对静态定位，仅需1520 分钟；速静态定位时，流动站距基准站15km 以内时，流动站观测仅需1520分钟；动态 定位仅需几秒钟。,74,（3）测站间无需通视 只需测站上空开阔即可，布点灵活。 （4）可提供三维坐标 经典大地测量将平面与高程分别施测，GPS可同时测定点的三维坐标。 （5）操作简便 随着接收机的不断改进，有的已达“傻瓜化”。 （6）全天候作业 可在一天24小时内任何时间进行。 （7）功能多、应用广 “GPS的应用仅受到人们想象力的限制！”,75,1、GPS系统用途广泛 导航方面、军事方面、测量方面、地球动力学 研究方面、气象、交通管理、农林种植方面等等。 紧急营救：1，2，3，4，5 决胜堰塞湖 1,2,3,4,5,二、GPS系统的应用前景,测绘应用 测绘应用包括大地测量、航测与遥感、工程测 量、地形测量、地籍测量与GIS。 (李德仁院士:1,2,3,4,5,6,7,8,9),76,重点工程任务,全国GPS A、B级网的建立与研究,77,地球动力学应用 GPS测定地球板块和地壳运动 “九五”期间，国家科委批准科学工程中国地壳运动观测网络立项，该项目是十大科学工程之一。网络工程是以GPS观测技术为主构成的大范围、高精度、高时空分辨率。具有连续动态监测功能的地壳运动观测网络。网络中有12个连续观测的GPS全国基准站。50个定期复测的 GPS基本站、 500800个非定期复测的 GPS区域站。,78,广州站,永兴岛,嵩山站,鼎新站,国家大型科学工程项目,中国地壳运动观测网络基准站,79,工程测量应用,80,导航应用,81,在载人航天、舰船入港导航、飞机、汽车导航、紧急搜救、110监控、石油勘探、渔业、旅游观光等有着广泛的应用和很高的应用价值。 E路航使用，KLD1，2，3，4，5,导航应用,82,军事应用,（1）信息战时代GPS技术构筑立体战争新体系 （2）21世纪信息战,83,2、多元化空间资源环境的出现 目前，GPS，GLONASS， Galileo 等系统都具备了导航定位的功能，形成了多元化的空间资源环境。 GPS/GLONASS/ Galileo 将成为国际共有、国际共享的安全资源环境。,84,3、GPS技术的最新进展 GPS技术的最新进展代表了全球卫星导航定位系统 的主要发展方向，目前主要表现为卫星系统、定位方 法和接收机三个方面的迅速发展。 （1）GPS现代化计划 1999年1月25日，戈尔宣布，将斥资40亿美元，进行GPS现代化。 实质：保护、阻止、改善 采取一系列措施保护，不受敌方和黑客干扰。 阻止敌方利用GPS的军用信号 改善定位精度，即：增加新的民用信号和发射 新的卫星,85,“德尔它”2发射,美国东部时间2006年11月17日，“德尔它”2运载火箭从卡纳维拉尔角空军基地，成功地将一颗美国空军现代化GPS卫星GPSIIR发射升空。,86,RTK (Real Time Kinematic) 技术是GPS实时动态定位技术， 它将GPS与数传技术相结合，实 时解算并进行数据处理，在 12s 的时间里得到高精度的位置信息。,RTK工作原理,（2）网络RTK定位技术,87,（3）精密单点定位技术 该技术集成了普通单点定位和差分定位的优点,改变了以往只能使用双差相位定位模式才能到达较高定位精度的现状,是GPS定位技术中继RTK技术后的又一次技术革命。,88,4、发展GPS产业 今后GPS将像目前汽车、无线电通信等一样形 成产业化。 5、GPS的应用将进入人们的日常生活 GPS将改变我们的生活方式。GPS就像移动电话、传真机、计算机互联网对我们的生活的影响一样，人们日常生活将离不开它。例如1、2-3 复习串讲 3S技术-浙江大学通识课,