全球定位系统及其应用.ppt

第三节全球定位系统及其应用 教学目的 了解全球定位系统的概念和工作原理 能举例说明全球定位系统在定位导航和日常生活中的应用重点 定位导航与应用难点 工作原理计划课时 4课时 以美国为首的北约悍然使用5枚导弹袭击了中国驻南斯拉夫大使馆 那5枚导弹均匀地分布在我们的大使馆楼顶的扇面上 其中4枚当场爆炸 另有1枚未爆炸 使馆被夷为焦土 3位新闻工作者邵云环 许杏虎 朱颖当场牺牲 一 全球定位系统 GPS Globalpositioningsystem 1 概念 具有海陆空进行全方位 实时三维导航与定位功能的新一带卫星导航与定位系统 通俗地说 利用卫星 在全球范围内适时进行导航 定位的系统 全球定位系统是美国从本世纪70年代开始研制 历时20年 耗资200亿美元 于1994年全面建成 具有在海 陆 空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统 目前的全球覆盖率为98 在美国 GPS全球卫星定位技术与 阿波罗 飞船登月 航天飞机升空 共同给列为20世纪 三大航天工程 它能够实时测量 四度 经度 纬度 高度 速度 一 全球定位系统 二 全球定位系统与定位导航 1 全球定位系统的组成 2 全球定位系统的的基本原理 1 组成 包括三大部分空间部分 地面控制部分 用户设备部分 GPS组成 GPS卫星星座 地面监控系统 GPS信号接收机 返回 空间部分 各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55 轨道平面间距60 在每一轨道平面内 各卫星升交角距差90 为了减少误差 一般要求4颗卫星 用于定位的4颗卫星称为定位星座 返回 地面监控部分 主控站位于美国科罗拉多的斯平士 ColoradoSprings 的联合空间执行中心 CSOC 三个注入站分别设在大西洋 印度洋和太平洋的三个美国军事基地上 即大西洋的阿松森 Ascension 岛 印度洋的狄哥 伽西亚 DiegoGarcia 和太平洋的卡瓦加兰 Kwajalein 五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛 返回 卫星上各种设备是否正常工作 是否一直沿预定轨道运行 要由地面设备监控 用户设备 用于精密大地测量 导航接收机 返回 手持型GPS接收机 3 用途和特点 全能性 全球性 全天候 连续性 实时性提供精密的三维坐标 三项速度和时间信息 GPS应用 它能够实时测量 四度 经度 纬度 高度 速度 GPS功能 1 定位 2 导航 我现在在哪里 我要去哪里 如何去 3 跟踪 跟踪 监视人或物体的运动 4 绘图 用于绘制世界地图 5 定时 提供精确的时间 GPS特点 1 全球 全天候工作 2 实时性 能提供连续 实时的三维位置 速度和精密时间 不受天气的影响 3 高精度 4 自动测量 GPS应用 车载GPS的功用p100 使装有GPS的出租车配备合理 能最大程度的满足乘客的要求 从而减少了空载率 降低能源消耗 节省运行成本 并使行车 乘车安全系数大大提高等功能 航海应用P100 GPS应用 军事 导弹的飞行 飞机的导航 精确打击的实现 测绘 有哪些优势 有哪些具体应用领域 交通 关键是导航 救援 关键是定位 农业 什么是精准农业耕作 其优势在哪里 娱乐旅游 为什么要打破垄断P97 陈邦柱介绍说 这次珠峰测量的技术方案 既有和1975年相同的 也有当代测绘发展的高新技术 与1975年相同的是传统的三角高程测量 新的进展是采用了光电测距 当代最先进的连续GPS观测 另外还采用了冰雪探测雷达 对峰顶的冰雪进行了精确的测量 我们对珠峰峰顶近20平方米的范围进行了扫描 获得了我们肉眼看不见的珠峰峰顶的雪层 冰层 混合层一直到岩石面的准确数据 陈邦柱和中国科学院院士 1975年珠峰高程测定的设计者和组织者陈俊勇都不同意这种说法 陈俊勇解释说 峰顶冰雪深度的测量更加精确 珠峰地区大地水准面计算结果更加完善 全球气候变暖导致峰顶冰雪厚度变薄 是珠峰变 矮 的三个主要原因 这次测量其实是第一次准确得到峰顶岩石面的高程 1975年测量雪深时 是登山队员拿一个钢钎戳 戳不动了 就认为是戳到岩石面了 其实并未到达真正岩面 当时测量出的雪深0 92米与这次的3 50米相差约2 7米 另外 这次测量的重点差大地水准基准面也升高了0 7米 还剩下0 3至0 4米差距可能是误差的问题 10月9日国家测绘局局长陈邦柱宣布 珠穆朗玛峰峰顶岩石面海拔高程为8844 43米 参数为 珠穆朗玛峰峰顶岩石面高程测量精度 0 21米 峰顶冰雪深度3 50米 许多水库库区的滑坡体是要定期监测的 现在许多科技人员在这种监测工作中使用了GPS 全球定位系统 技术 只要滑坡体产生1毫米的移动 GPS就像火眼金睛一样能发现它 这是以前常规的外观测量方法难以想象的 在12日于北京召开的中国全球定位系统技术应用协会成立十周年大会上 来自全国各地的院士 专家们回顾了我国卫星导航产业十年的发展历程 展望并研讨了未来GPS技术在我国的进一步应用和发展 据中国全球定位系统技术应用协会秘书长黄云康介绍 十年来 我国卫星导航定位技术在地质调查和找矿 土地资源调查 水坝 桥梁 高层建筑的变形监测 城市信息化建设和城市应急系统建设 自然灾害的监测 预报和防治等方面都有广泛的应用 例如 1999年三峡库区12个滑坡体的监测 1998年长江防汛抗洪期间武汉堤防险情的观察 今年5月珠穆朗玛峰北侧的测高等都使用了GPS技术 可以说 在应用广度上 GPS技术已从个别部门 个别场合的应用过渡到国民经济众多部门基础性产业平台的应用 从少数行业的专业应用逐渐过渡到公众的广泛应用 与会专家预计 随着2008年欧盟 伽利略 导航卫星系统的建成 我国新一代卫星导航系统的到位 将会为我国卫星导航定位技术的产业带来巨大发展 届时参与全球竞争是整个行业与每一个企业面临的严峻挑战 李大庆 1 民用领域车辆自导航 车船管理调度 在出租车行业 长途运输业 租车服务业等将能够对车辆进行跟踪 调度管理 在拥挤的停车场 火车调度场能够准确地确定车辆的位置 有效地调动车辆 邮递服务 民航运输 邮递服务 对重要的货物 包裹与信函等进行跟踪 引导与保护 对货场物品入库与出库的调度能有效地确定货物的存放地点 提高出货效率 增加管理手段 避免积压 民航运输 使飞机着陆时驾驶员通过仪表操作对准跑道 渔业生产 GPS能满足渔猎对定位的要求 同时能为捕鱼船队在法律上避免发生捕鱼边界的纠纷 提高在经济专属区的作业效率 公路水路维护 能准确地引导维护人员调查需维护的交通设施 火警 警察 救护的应急调遣 提高紧急事件处理部门对火灾现场 犯罪现场 交通事故现场 交通堵塞等紧急事件的响应效率 E 911 美国通讯委员会 FCC 要求将所有的移动电话安装无线电定位装置 以便用户在通过移动电话向911请求帮助时可找到用户位置 实现快速援助 GPS将是满足FCC要求的一种精确 成本低廉的方式 搜索与求援 将更加有效地对在人迹罕至 条件恶劣的航海 登山探险 滑雪 沙漠作业中失踪的人员进行求援搜索 道路支持 车在路上坏了时 将提高救援车辆找到你的效率 突发事件临战状态准备 如在洪水发生时 需要快速地为救灾工作做好准备 如绘制洪水边界图 排洪国界图 排洪通道 防洪大堤的调查 可随时查找运输车辆的当前位置 可获得车辆的定位数据和状态信息 实施跟踪一个或多个指定的运输车辆 使它们落在电子地图的窗口内 可设定跟踪优先级和时间间隔对目标进行跟踪 对车辆跟踪形成直观的运行轨迹 美国地面部队在人生地不熟的沙漠里 正是靠GPS的指向 才顺利完成了各项军事任务 现代战争中 从几千公里外发射的导弹能准确地命中目标 也是靠的GPS技术 我们1999年南联盟使馆被炸 那5枚精确制导炸弹 全部是GPS精确制导的炸弹 那5枚导弹均匀地分布在我们的大使馆楼顶的扇面上 这是GPS在军事上运用获得的效能 导弹的飞行 飞机的导航 精确打击的实现 无不依赖于GPS 所以 当前的美伊战争 GPS也成了双方争斗的重要一环 如果没有这一系统 海湾战争中美国的两枚导弹先后攻击同一目标 后一枚导弹通过前一导弹炸开的洞钻入目标内部进行攻击是不可能的 由于它的精确度目前已达到10米内 该系统曾被美军在海湾战争 科索沃战争 阿富汗战争中广泛运用 并发挥了巨大威力 为了提高精确度 美国国防部在实际运行的时候 又增加4颗卫星 使得卫星总数达到28颗 精确度也相应地提高到了7米 再加上美军使用的是能更好弥补大气偏差的加密接收机 它们可以得到更精确的实时精度 据国外媒体早先报道 即使是美国的民用手持GPS接收器在水平面上的定位精度都可以达到5米 足见其军用系统定位精度之高 在现代高科技战争条件下 全球定位系统 GPS 扮演着重要角色 导弹的飞行 飞机的导航 精确打击的实现 无不依赖于GPS 所以 当前的美伊战争 GPS也成了双方争斗的重要一环 GPS是美国开发的一种利用环绕地球的24颗卫星准确计算全球任意点位置的庞大卫星网络定位系统 在战争中 只有实现了精确的定位 才有可能实现精确打击 如果没有这一系统 海湾战争中美国的两枚导弹先后攻击同一目标 后一枚导弹通过前一导弹炸开的洞钻入目标内部进行攻击是不可能的 由于它的精确度目前已达到10米内 该系统曾被美军在海湾战争 科索沃战争 阿富汗战争中广泛运用 并发挥了巨大威力 为了提高精确度 美国国防部在实际运行的时候 又增加4颗卫星 使得卫星总数达到28颗 精确度也相应地提高到了7米 再加上美军使用的是能更好弥补大气偏差的加密接收机 它们可以得到更精确的实时精度 据国外媒体早先报道 即使是美国的民用手持GPS接收器在水平面上的定位精度都可以达到5米 足见其军用系统定位精度之高 他们在这方面并不甘落后 比如欧洲和俄罗斯 他们同样拥有先进的卫星技术 具有向GPS发起挑战的优势 于是 俄罗斯推出了自己的Glonass系统 现在已经完成部署 并开始投入运营 欧盟更是雄心勃勃 他们计划推出目前规模最大的卫星导航定位系统 伽利略系统 这个系统的卫星数量高达30颗 总投资预计为33亿欧元 正准备付诸实施 欧洲与俄罗斯在卫星导航定位系统上的大动作 将打破美国GPS一统天下的局面 给美国造成了巨大的压力 3 GPS系统的营救范例GPS系统在营救F 117A隐形战斗机飞行员之前 曾成功地营救过美国F 16战斗机的飞行员 1993年4月还曾营救过阿拉法特 1993年4月 巴勒斯坦解放组织领导人阿拉法特的座机在飞行途中不幸遇上沙暴 飞机被迫降落在撒哈拉大沙漠里 与阿拉法特失去联系的巴勒斯坦解放组织总部使尽浑身解数寻找未果 最后只好借助美国的侦察卫星 十几小时之后 才在茫茫沙漠中找到了迫降飞机的准确位置 使阿拉法特获救 美国使用的这种卫星救援系统正是屡见奇功的 导航星 全球定位系统 即GPS 由于它全球定位及时准确 被称为 当代观音 印度洋地震引发的海啸所带来的灾难让世人震惊 这场灾难中也发生了一些幸运的事情 36名英国游客被困在斯里兰卡南部海滨的希克杜沃海滩 其中一名游客的手机帮助救援人员发现了他们的地点 海啸救援中心负责人表示 海啸发生以后 当地的所有电话公司加入到营救行动中 他们通过跟踪手机信号发现手机用户的地点 这是斯里兰卡首次在救援中利用高技术手段并获得成功 此外 摩根士丹利公司香港总部的35名员工也依靠国际漫游手机 最后成功获救 1 当奔驰的车辆行驶在车流熙攘的高速公路上时 司机启动自动驾驶系统 就可悠然自得地读书看报 车辆能自动与前车保持距离 自动刹车或超车 自动驾驶系统能够精确到厘米 在不打搅车内乘客读书看报的情况下 它能自动选择一条能避免堵塞的道路前进 到达目的地后它会自动报告 您已到达 这些听起来犹如神话 其实它都依赖于来自太空的信号 这种高度精确的太空信号就是由比GPS更先进的欧洲 伽利略 卫星导航系统提供的 2 汽车安装上GPS接收机 不仅能利用电子地图知道自己的方位和其他街区的车辆行驶状况 从而绕开堵车地区 选择最便利的路线行驶 还能在遇到劫匪报警时向警方提供自己精确的所在位置 使警方尽快赶 到 据介绍 日本90 的机动车都安装有GPS接收机 3 GPS电子站牌现身上海街头 下一辆车离本站还有1 2千米 越3分钟内到达 上海的许多出租车上装备了GPS系统 公司可以根据GPS对出租车定位 并提供无线电联系以及电子地图到2007年 上海1 8万公交车全部实现GPS见空 在农业方面GPS也有用武之地 以往飞机向农田喷洒农药 用人在地面摇动红旗做方位指示 经常由于不够准确造成喷洒效率低 而有GPS定位仪后 合理分布航线 飞机可以按事先设计好的经纬度 利用定位仪确认坐标后喷洒 大大提高了喷洒效率 大大节省飞机作业的费用 喷杀化肥农药时 减少重叠 避免浪费 避免过多的用量影响农作物生长 2 军用领域GPS是自动化指挥系统 先进武器系统及新的战役战术理论的一项关键性基本保障技术 能为地面车辆 人员以及航空 航海 航天等领域的飞机 船只 潜艇 卫星 航天飞机进行导航定位 武器发射 侦察 飞机进场着陆 交通管制 搜索营救 战场部队 车辆以及单兵定位 精确制导导弹打击目标坐标定位及弹道导引 陆地应用 主要包括车辆导航 景点导游 应急反应 高精度时频对比 大气物理观测 地球物理资源戡探 工程测量 变形监测 地壳运动监测 市政规划控制等 海洋应用 远洋船只航线测定 船只实时调度与导航 海洋救援 海洋控宝 水文地质测量以及海洋井平台定位 海平面升降监测等 航空航天应用 飞机导航 航空遥感姿态控制 低轨卫星定轨 导弹控制 航空救援和载人航天器防护探测等 它能用于绘制森林地图 帮助农民收获庄稼 地面和空中导航 军事应用 紧急救援 GPS在很多我们没有意识到的地方工作 GPS的应用主要有5个方面 1 定位 确定一点的位置 2 导航 从一个地方到另一个地方 3 跟踪 跟踪 监视人或物体的运动 4 绘图 用于绘制世界地图 5 定时 提供精确的时间 GPS的应用包含采矿 航空 测量 农业 海事和军事行动 如今医生 科学家 农民 战士 飞行员 测量员 长途步行者 紧急救援小组 投递司机 水手 垂钓者 送货员 电脑程序员 伐木工 消防人员和其它行动的人们 使用GPS使他们的工作变得更有效 更安全和更容易 1 热爱旅游的人们已经将更多的目兴投向人迹罕至的地区 高山 峡谷 沙漠 戈壁等 在地广人稀没有任何参照物可用以辨别方向的情况下 极易迷失方向 危险无时无刻不存在 手持GPS接收机沿着机中记录的安全轨迹小心行进 从而可以安全返航 如果旅游者配上GPS接收机 根据地图标示的经纬度就可以保障安全 GPS能提供误差不足30m的经纬度 受难者可以用它提供给救援人员自己所在地的坐标 从而为挽救自己和他人的生命争取宝贵的时间 2 利用GPS 旅游者可以在陌生的城市里迅速找到自己所在的位置 确定的前往目的地的最优行进方式和路线 余纯顺在罗布泊探险遇难时离最近的补给站仅几百米 风沙淹埋了前人走过的足迹 在茫茫荒漠中又渴又饿的他终于倒下了 如果当时他有一台中文显示GPS接收机 这种惨剧又何以发生 目前 许多休闲俱乐部围绕GPS功能相继推出 穿越 寻宝 野外拓展 等都市游戏 丰富了人们的周末生活 提高了人们的生活品位 深得户外运动爱好者的欢迎 主控站收集各监控站提供的GPS卫星观测数据 卫星工作状态数据 各监测站和注入站自身的工作状态数据 根据这些数据 完成各项工作 1 如及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站 2 控制和协调监测站间 注入站间的工作 检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了gps用户系统 3 诊断卫星工作状态 改变偏离轨道的卫星位置及姿态 调整备用卫星取代失效卫星 注入站 在每颗卫星运行到上空时 将导航数据及主控站的指令注入到卫星 返回 使装有GPS的出租车配备合理 能最大程度的满足乘客的要求 从而减少了空载率 降低能源消耗 节省运行成本 并使行车 乘车安全系数大大提高等功能 1 国政府曾向全世界宣称 任何国家都可以免费使用美国的GPS来进行定位工作 美国在给其他国家使用时 在技术上打了很大的折扣 美国自己运用的是精码 定位精度在10米以内 甚至达到3 5米 别的国家想用 定位精度大约仅有100米的精度 为什么美国自己定位要非常精确 就是为了在军事上的应用 进行精确制导打击 比如说 我们1999年南联盟使馆被炸 那5枚精确制导炸弹 全部是GPS精确制导的炸弹 那5枚导弹均匀地分布在我们的大使馆楼顶的扇面上 这是GPS在军事上运用获得的效能 2 以近年发生的危机和战争为例 每每到了这种时刻 美国方面操纵GPS的机构便做出决定 为了保证和加强GPS的军事用途 暂时关闭它的民用性能 比如关闭高速公路和电话手机对GPS信号的接收 好比鱼和熊掌不可兼得 到了危机时刻 军用与民用的分离是一种忍痛割爱的决定 但它是必须的 一个作战军人或作战小组靠GPS在划定方位 但是美国军方可以随时篡改 伪造和关闭信号 科索沃战争中 美国人就关闭了信号 造成整个巴尔干地区都无法收到信号 因为他们担心塞尔维亚的防空系统利用该信号操控导弹 毗邻的奥地利受到波及 3 伽利略 确定地面位置或近地空间位置要比GPS精确10倍 如GPS只能找到街道 而 伽利略 系统则能找到车库门 地面上甚至会有3种信号 一是免费使用信号 二是加密且需要交费使用的信号 三是加密且需要满足更高安全要求的信号 如飞机导航 如果使用 伽利略 系统 飞机能在任何机场降落 而不必考虑机场的技术设施如何 火车能在没有驾驶员的情况下高密度行驶 轮船即使在大雾中也能安全航行 如果卫星失灵 那么它在几秒钟之内就能发出警报 1912年4月14日 英国大型豪华客船泰坦尼克号在北大西洋北纬40 46 西经50 14 处与冰山相撞 于15日2时20分沉没 是死亡人数最多的海难 泰坦尼克号于1912年建成 1912年4月10日载客1316人 船员885人 自英国南安普敦始航至美国纽约 也是该船建成后的首次远航 航行中于14日9时至18时20分之前多次收到关于流冰与冰山的无线电报 由于报务员忙于旅客的电报 未向船长报告 至22时大副报告已进入冰区时 船长仍令按原航向行驶 到23时40分为避撞船首前方冰山 大副下令满舵左转 全速后退时 船首右舷与20万吨重 速度为每小时26米的冰山相撞 冰山的水下部分划破右舷前部6个水密舱 共长91 44米 而船的登记长度为259 84米 使机舱大量进水 船开始下沉15日1时发出SOS呼救信号并放火箭信号 至2时20分沉没 817位旅客 673位船员共1490人遇难冰海 船长和大副均在指挥中随船沉没