19GPS发展简史与服务概述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,GPS导航原理,控制理论与制导技术研究中心,1,19GPS发展简史与服务概述,控制理论与制导技术研究中心,2,本次课的主要内容,1. GPS简介,2. GPS发展历史,3. GPS应用概述,4. 参考书目,3,GPS,简介,GPS,中文名称：,(导航星),全球定位系统,GPS,英文名称：,(NAVSTAR ),Global Positioning System,基本用途：,定位,技术途径：,利用卫星,使用范围：,全球,用户范围：全球用户,由美国国防部控制,类别从属,卫星导航系统,导航：指引某运动体，由某位置出发，达到某目标点。,常用导航系统：惯性导航、无线电导航、天文导航、卫星导航等 。,4,几个相似的缩写代表完全不同的概念,GPS,GIS: Geographic Information System,地理信息系统(本质是一个数据库管理系统),GPRS: General Packet Radio Service通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。,GPS ONE(A-GPS): 需要手机运营商提供支持，将GPS技术与手机无线信号定位技术结合，实现户外、室内定位。,I-GPS:室内GPS,5,GPS技术的影响,应用,二次开发，应用广泛,技术扩展,室内,GPS,火星车的导航,6,各类导航系统的,优缺点,惯性导航,优点,：,自主、区域极广、实时,惯性导航缺点：,误差随时间积累,7,各类导航系统的,优缺点,天文导航,优点,：,误差不积累、区域极广,天文导航缺点：,定位间隔时间长、动态低、需要星图受天气影响,8,各类导航系统的,优缺点,无线电导航：区域受限,卫星导航：,与无线电导航系统比，有效区域广，具有全球定位能力；,与惯导比：误差不随时间积累；,与天文导航比：全天候。,缺点：实时性、动态较差，信号易受干扰遮蔽，受政治因素影响。,9,现有,卫星导航系统,简介,美国,-GPS：若干地面支持设施，24颗卫星，分6个轨道面，由美国国防部操作，军民两用，通讯使用L1,L2两个载波频率，码分多址(CDMA)技术。实际在轨卫星数目多于24颗。,俄罗斯,-GLONASS: 若干地面支持设施，24颗卫星，分3个轨道面，由俄罗斯国防部操作，军民两用，通讯使用频分多址技术。轨道低，卫星寿命短，需经常补网。由于受俄经济状况影响，导航星座不全。2011年已经重新恢复全工作能力。,10,现有,卫星导航系统,简介,欧洲,-GNSS:,建设中，第二阶段Galileo计划，2002年3月26日正式批准启动。,GNSS组成示意图,中国,-,北斗系统：,一代,2,颗卫星定位，亚太地区定位,.,发射,4,颗星：,2000,年,10,月,31,日；,2000,年,12,月,21,日；,2003,年,5,月,25,日（,2,工作，,1,备份）,2007,年,4,月,14,日零时,28,分，发射第四颗北斗导航试验卫星（二代第,1,颗）。,2012,年达到,16,颗在轨。,中国北斗一代系统定位示意图,11,北斗二代,类似GPS：定位精度优于20m，授时精度优于100ns。,2011年12月（10颗星左右）的误差水平：平面10m,高程15m,测速0.2m/s,授时50ns.,建设原则,开放性,独立性,兼容性,渐进性,计划,2012年覆盖亚太地区,2020年覆盖全球,目前：10月25日23时33分，发射北斗2代第16颗卫星。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。,12,GPS提供的,服务,GPS,的基本功能,输出,PVT,提供的基本服务（美国国防部与交通部规定）,PPS,（精密定位服务,/Precise Positioning Service,）,服务对象：美国军方，政府特别批准的民用用户,1995,年春达到全工作能力,定位精度：水平,22m,，垂直,27.7m,，授时精度,200ns,（,2drms,95%,）,SPS,（标准定位服务,/Standard Positioning Service,）,服务对象：全球民用用户,1993,年,12,月达到全工作能力,定位精度：水平,100m,，垂直,156m,，授时精度,340ns,（,2drms,95%,）,定位,测速,授时,&,&,13,定位基本原理,平面,2点,定位,R1,R2,用户,已知位置,1,已知位置,2,14,定位基本原理,空间,3点,定位,已知空间某固定点(卫星)坐标,已知用户与该点距离R,用户必然在以卫星为球心，半径为R的球面上。,15,定位基本原理,空间,3点,定位,分别已知空间某,2,个固定点,(,卫星,),坐标,分别已知用户与,2,颗卫星距离,用户必然在左图,2,个球面的交线上,16,定位基本原理,空间3点,定位,分别已知空间某,3,个固定点,(,卫星,),坐标,分别已知用户与,3,颗卫星距离,用户必然在左图,3,个球面的交点上,实际使用,4,颗卫星定位,17,GPS服务的,特点,定位,高精度,：mm30m,一般手持机能够达到12m误差左右；,根据FAA（Federal Aviation Administration）的数据，某些高品质接收机SPS定位精度可优于3m。,无源,：接收机本身不发射信号，保密性好,免费,：用户只需购买接收机，即可享受免费定位服务,全天候,、,全球,18,GPS发展历史（1）,前期：,1957年10月，苏联发射世界上第一颗人造卫星。,美国霍普金斯大学应用物理实验室苇芬巴赫（G.C.Weiffenbach）,利用多普勒频移定轨。,同实验室的麦克雷(F.T.Meclure)提出了反问题，成为最早的利用人造卫星进行定位的设想。,1958,年底，美国海军武器实验室对该实验室的研究进行了资助,海军导航卫星系统,(NNSSNavy Navigation Satellite System),的诞生。,1959,年九月发射第一颗卫星。,1964,年交付美国海军使用。,1967,年,7,月，正式组网允许民用。,由于轨道通过地极，因此又称子午仪系统（,Transit,） 。,19,GPS发展历史（2）,子午仪系统的特点：,组成：,6颗卫星，近圆形轨道，轨道倾角90deg左右，周期107min，轨道高度1000km。,定位精度对运动舰船为200m至80m；而对固定点可达100m至0.1m。,全球、全天候二维定位。,为北极星核潜艇提供定位服务。,我国在上世纪70年代引入使用。,南极长城站的定位就使用了子午仪系统。,中国长城站,S621259.811 0.015 ,W58 5752.665 0.019 ,缺点：,定位时间长、动态低,两次定位间隔时间,1.54,小时,。,定位一次需要的测量为,2,分钟,以上。,一台接收机需要,15,次,合格观测才能达到,10m,精度。,20,GPS发展历史（3）,看到了卫星导航的巨大潜力：上世纪60年代，美国海、空军开始独立发展自己的卫星导航系统。,海军,TIMATION,计划,TIMATION,：,1218,颗卫星，卫星高度约,10000km,，近圆形。周期,8,小时，,1967,年和,1969,年先后发射两颗试验卫星。（不能满足空军的高动态应用要求）,空军,621B,计划,621B,计划,:34,个星群，每个星群,45,颗卫星。同步轨道。每个星群需要一个地面控制站为它服务。,(,通过伪卫星技术进行了验证,),1973,年,12,月合并，成立联合计划局，在洛杉矶空军航天处内设立办事机构，组成人员包括美国陆、海军、海军陆战队、国防制图局、交通部、北大西洋公约组织和澳大利亚代表。,GPS,21,GPS发展历史（4）,GPS,实施计划共分三个阶段：,第一阶段为方案论证和初步设计阶段（,1978年1979年）。,发射4颗试验卫星（,BLOCK I,）。,建立地面跟踪网。,研制地面GPS接收机。,对系统软、硬件进行试验。,第二阶段为全面研制和试验阶段(1979年1984年)。,陆续发射7颗试验卫星(,BLOCK I,)。,研制各种类型接收机。,第三阶段为实用组网阶段。,1999,年提出,GPS,卫星现代化。,22,实施,SA,（选择可用性,/Selective Availability,）与,AS,（反电子欺骗,/Anti-Spoofing,）政策，,SA,政策在,C/A,码中人为引入了误差，使水平定位精度下降到,100,米，垂直定位精度下降到,157,米；,AS,政策则对,P,码实行加密。,GPS发展历史（5）,后果：远远不能满足民用需要。自动车辆驾驶，船舶停靠，飞机进场，精细农业等即使无SA，也不能得到满足。,第,2,阶段实验表明，,GPS,粗码定位精度可达,14m,，,P,码可达,3m,，远远超过设计标准（粗码,100m,）。,目前的精度：粗码定位误差,12m,，授时误差,20ns,。,23,GPS发展历史（6）,应对SA,的对策：,各家公司和研究单位纷纷研制在实施,SA政策下提高实时定位精度的技术。代表差分技术。,建设国际化导航卫星星座：GNSS,24,GPS发展历史（7）,差分技术,坐标差分,伪距差分,广域差分,载波相位差分,差分技术的影响：,几乎去除,SA政策的影响,大幅减小电离层、对流层影响,25,GPS发展历史（8）,建设国际化导航卫星星座：GNSS,在承认GPS和GLONASS已经存在的前提下，首先把GPS和GLONASS作为主体使用，然后逐步增加民间成分，在增发民间卫星的基础上逐渐减少对某一国军方控制系统的依赖，最终试图实现一个民间化，国际化的GNSS星座。,26,GPS发展历史（9）,美国对策：,GNSS方案遭到美国国防部的指责。,美联邦航空局（FAA）提出WAAS（广域增强系统），但WAAS给美国和国际安全带来威胁。,美国国防部表示“暂时同意按计划实施WAAS，但WAAS能否投入使用取决于该系统的试验结果和政府、军队高层部门和评估意见”。,国防部还保留根据试验结果在战时或在特定地域对WAAS信号进行干扰的权利。同时要求GNSS保留SA与AS能力。,1999年提出GPS现代化。,27,GPS发展历史（10）,GPS现代化,1999年1月25日美国副总统以文告的形式发表 。,内涵 ：,一是保护，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；,二是阻止：即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，AS等；,三是保持，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。,28,GPS发展历史（11）,措施（军用）：,1. 增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力。,2. 在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），要与民用码分开。M码要有更好的抗破译的保密和安全性能。,3. 军事用户的接受设备要比民用的有更好的保护装置，特别是抗干扰能力和快速初始化功能,4. 创造新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS。,29,GPS发展历史（12）,措施（民用）：,1.,2000年5月1日零点开始取消SA。,美国不打算重新启用全球性的SA政策，在BLOCK III中去除了相关特性；但美军方已经掌握了对局部区域GPS施加干扰的技术(,localized denial)，,即GPS可以在局部区域内使敌对方利用GPS时严重降低定位精度，无法用于军事行动，却不影响其它区域的用户正常使用。,2. 在L2频道上增加第二民用码，即L2C(C/A at L2)码。这样用户就可以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电离层的改正。 (2005，BLOCK IIR(M)开始有，但目前未调制有用导航数据),3. 增加L5民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。,目的：改善民用导航和定位的精度； 扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性； 提高导航的完好性（integrity）； 保持GPS在全球定位系统中技术和销售的领先地位；,30,2009年3月24日，GPS IIR-20(M),发射升空。,带有,L5演示试验载荷，1176.45MHz。,星历不完整，为未来的GPS IIF 和GPS III做准备。,31,SA取消的影响,民用定位精度提高。,无需差分的条件下精度也可满足许多民用需要。,32,GPS的应用概述（1）,3S的支柱技术之一,3SGPS,GIS(地理信息系统/Geography Information System) ,RS(遥感/Remote Sensing),民用：为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航 。如：,1.船舶远洋导航和进港引导,2.飞机航路引导和进场降落,3.汽车自主导航,4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理：出租、警用车辆、运钞车、私家车辆、公共汽车、消防、救护,5.紧急救生,6.个人旅游及野外探险,7.个人通讯终端（与手机，电子地图等集成一体）,33,GPS的应用概述（2）,测地应用,机载应用,车载应用,手持应用,34,GPS的应用概述（3）,航天,国际空间站,科学卫星,航天飞机在轨、再入、着陆,军用,精密制导武器：灵巧炸弹等,飞机、战车,单兵装备,35,GPS的应用概述（4）,其它,1. 电力，邮电，通讯等网络的时间同步,2.准确时间的授入,3.准确频率的授入,4.各种等级的大地测量，控制测量,5.道路和各种线路放样,6.水下地形测量,7.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测,9.工程机械控制,10.精细农业,36,本章小结,涉及到的基本概念：,目前世界上建成和正在建设中的几个卫星导航系统：,GPS、GLONASS、GNSS、北斗系统,GPS可提供的服务PPS、SPS,区别：pps (pulse per second),GPS的基本功能：PVT测量,37,课程的特点,GPS技术受政治因素影响大。其技术的发展、取舍与国家间的安全、利益矛盾转化发展息息相关。,技术发展灵活多变，涉及的应用领域众多，与其它专业的结合点众多。,卫星导航技术前景广阔。,仍在发展的热门技术，以社会需求为导向。,学习建议,1）听课,2）主要是概念的理解，术语、缩写的积累与记忆,3）平时注意收集材料,38,主要参考书目,(任选一本即可),GPS原理与应用. Elliott D. Kaplan 著, 邱致和, 王万义 译. 电子工业出版社, 2002年8月第一版.,GPS/INS组合导航定位及其应用. 董绪荣, 张守信, 华中春编著. 国防科技大学出版社, 1998年6月第一版.,差分GPS定位技术与应用. 王广运, 郭秉义, 李洪涛编著, 电子工业出版社, 1996年3月第一版.,GPS在飞行器定位导航中的应用. 袁建平, 方群, 郑谔 著, 西北工业大学出版社, 2000年1月第一版.,车辆定位与导航系统. 赵亦林 著, 谭国真 译. 电子工业出版社. 1999年4月第一版.,39,