gps学习绪论 ppt课件.ppt

一、本课程的内容简介1.GPS定位系统的发展、特点、定位原理和当前状况2.坐标系统和时间系统3.人卫轨道理论4.GPS定位系统的组成5.GPS定位系统的定位原理和定位方法6.GPS测量的误差来源7.GPS定位测量的外业工作8.GPS定位测量的内业数据处理,二、教学要求1.通过课堂学习掌握GPS系统的原理2.通过广泛查阅资料,熟悉GPS系统在现代社会的应用及其前景3.认真做好实验（熟悉GPS接收机、全站仪器的使用）（熟悉内业数据处理，熟悉相应的GPS数据处理软件）,GPS课程简介,起源卫星大地测量学课程。卫星大地测量学是20世纪50年代末出现的一门新兴学科。它的出现极大地推动了大地测量的迅猛发展，是经典大地测量发展到现代大地测量的标志。20世界70年代美国开始研制组建新一代的卫星导航定位系统全球定位系统（GPS）。在测量领域得到广泛应用随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的不断拓宽，从卫星大地测量中分离出来。,所用教材逐渐完善，出现了 全球定位系统及其应用刘基余、李征航被多所大学采用作为教材。GPS测量原理及应用 徐绍铨，王泽民等 GPS导航定位原理与方法刘基余 GPS测量与数据处理李征航，黄劲松，GPS测量操作与数据处理魏二虎，黄劲松实习指导书,教材及参考文献,GPS测量原理及应用徐绍铨，张华海、杨志强、王泽民 武汉大学出版社 2006 全球定位系统原理及其应用 刘基余、李征航、王跃虎、桑吉章 编著，测绘出版社 1993 GPS测量与数据处理 李征航、黄劲松 编著，武汉 大学出版社，2005GPS测量操作与数据处理 魏二虎 黄劲松 编著，武汉 大学出版社，2004,3S技术,GPSGlobal position systemGIS Geodynamic Information systemRSemote sensing,3S技术的结合，在现在社会应用很广泛PS 用在军事，民用，车载等；主要讲IS 寻找最短路径，和结合起到更好的效果 可以在空中遥测，通过遥感图片来获得信息，比如森林失火等，,第一讲 绪 论,a)常规测量方法,一 常规定位技术的局限性,b)常规测量方法的局限性,二、GPS技术的产生,1 要求提供精确的地心坐标-20世纪一般提供的是点与点之间的相对位置,坐标属于参心坐标系,远程武器也要求提供地心坐标,新时代对定位技术提出了新要求,2 要求提供全球统一的坐标-卫星定轨要求提供全球统一的坐标,远程导弹等,3 要求出现一种全天候更为快速精确、简便的的定位技术常规方法受气候条件、通视等。,4 要求在长距离上进行高精度定位的技术-监测版块运动,海平面上升等都边长需数千公里(常规测量一般只数十公里),精度至少应达到10-8相对定位精度,而常规测量精度只能达到10-5-10-6,为什么要使用 GPS,GPS测量与经典测量方法的对比：,不需要相互通视观测作业不受天气条件的影响网的质量与点位的分布情况无关能达到大地测量所需要的精度水平白天和夜间均可作业经济效益显著,三 空间定位技术的优点,测站间无需通视通过卫星来计算数学模型简单且能同时确定点的三维坐标只需根据空间天体的几何关系确定待定点的三维坐标，不涉及地球重力场和椭球面上的计算易于实现全天候观测GPS采用微波作为测距信号，这些信号能够在风雪雨雾中正常传播在长距离上仍能获得高精度的定位结果观测值的精度基本与测站间的距离无关，只要设法消除观测值中包含的各种误差，就能提高精度,观测时间比较短由于不需要通视,节约了很多时间,也使得观测时间变短了很多操作简单接收机自动化程度越来越高,体积越来越小,减轻了工作紧张程度和劳动强度功能多，应用广用于导航，测量，测时，测速，领域在不断扩大,一.第一代卫星导航系统的产生与发展,1957年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功。1958年12月美国建立海军导航卫星系统(Navy Navigation Satellite System-NNSS),由于该系统的卫星轨道均通过地极，因此又称为“子午卫星系统”（Transit）1965年前苏联建立了“卫星导航系统”-CICADA1967年美国宣布解密子午卫星系统的部分导航电文供民间使用。,四、GPS的发展概况,第一代卫星导航系统的局限性,1.卫星少，不能实时定位。2.轨道低，难以精密定轨。3.频率低，难以补偿电离层效应的影响。,第二、三代卫星导航系统,1973年12月美国开始建立新一代的卫星导航系统 GPS全球定位系统（Global Positioning System),(一)GPS定位系统的组成,另外还包括：各部分之间的数字通讯技术各部分的数字处理软件,地面控制站,一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：阿松森（Ascencion)迭哥伽西亚(Diego Garcia)卡瓦加兰(kwajalein)五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii),用户设备1,通用接收机（定位型）：,导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备（手持机）,卫星信号结构,基准频率10.23MHZ,L11575.42 MHZ,C/A码 1.023MHZ,P码 10.23MHZ,L21227.60MHZ,P码10.23MHZ,10,154,120,50比特/S,卫星信息电文（D码）,每颗卫星都发射一系列无线电信号（基准频率）两种载波（L1和L2）两种码信号（C/A码和P码）一组导航电文（信息码，D码）,全球定位系统（GPS）由三个主要部分组成,空间部分：提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息,地面控制部分：中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨,用户部分：接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息,(二)地面监控部分及其作用1、监控部分的组成（1）实验阶段：由设在范登堡空军基地的一个主控站、一个 注入站、一个监测站以及其它地方的四个监测站组成。（2）工作阶段：主控站：美国科罗拉多-斯平士的联合空间指挥中心。（一个）注入站：大西洋、太平洋、印度洋上各一个。（三个）监测站：主控站、注入站同时作为监测站，另外在夏威夷群 岛还设有监测站。（五个）,原计划的24颗卫星布置图,修改后的18颗卫星布置图,GPS工作卫星星座（21颗工作卫星）,GPS工作卫星星座（21颗工作卫星）,2、主控站的作用（1）收集数据：收集监控站测得的伪距和伪距差数据、卫星时钟及状态数据、气象数据等。（2）数据处理：编算导航电文（GPS卫星的星历、时态改正、状态数据、信号的大气传播改正等），同时将导航电文传送到注入站。（3）诊断状态：判断地面监控系统各部分是否工作正常。（4）调度卫星：将离轨卫星拉回来，用备用卫星代替失效卫星。3、注入站的作用将主控站需传播给卫星的资料以既定的方式注入到卫星的存储器中，供卫星向用户发送。,4、监测站的作用（1）监测站的位置需精确测定。（2）在监测站需得到伪距、导航数据、气象数据、卫星状态数据。（3）监测站应将所得信息传送给主控站。,注入站,卫 星,主控站,监测站,星 历,卫星信息,GPS卫星信号,星 历,地面监控部分的工作程序,试验卫星星座,发射时间：1978.2.221985.10.9发射地点：加利福尼亚的范登堡空军基地发射工具：采用Atlas F火箭卫星数量：共有11颗试验卫星运行轨道：圆形长 半 轴：26560km倾 角：64轨道高度：20000km星 座：卫星分布在A、C两个轨道平面内,（Block卫星）,(三)空间卫星部分及其作用,1、GPS卫星的类型及其编号,（1）顺序编号：按照GPS试验卫星发射时间的先后次序对卫星进行编号。（2）PRN编号：根据GPS卫星所采用的伪随机噪声码（PRN码）对卫星进行编号。在导航定位中，均采用PRN编号，这一规则一直沿用至今。（3）IRON编号：IRON为Inter Range Operation Number的缩写，意思是内部距离操作码。IRON编号是美国加拿大组成的北美空军指挥部给定的一种随机号，以此识别所选择的目标。,Block I 卫星编号,（4）NASA编号：这是美国航天局在其文件中给GPS试验卫星的编号。（5）国际识别号：它的第一部分表示该卫星的发射年代，第二部分表示该年发射卫星的序列号，字母A表示发射的有效负荷。,Block I 卫星编号,工作卫星星座,发射时间：19891994发射地点：佛罗里达州肯尼迪空间中心的卡纳维尔角基地发射工具：采用Delta火箭卫星数量：共有21+3颗卫星星 座：卫星分布在六个轨道平面内长 半 轴：26609km偏 心 率：0.01卫星轨道面相对地球赤道面的倾角：55各卫星轨道面升交点赤经相差：60在相邻轨道上卫星的升交距角相差：30卫星高度：20200km卫星运行周期：11小时58分钟,（Block、A卫星）,主要包括：接收和存储由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；通过星载的高精度铷钟、铯钟产生基准信号和提供精密的时间标准；,2、GPS卫星的基本功能,向用户发送导航定位信号。包括：两种载波（L1 和L2）调制在L1上的伪噪声码C/A码（Coarse Acquisition Code粗捕获码）调制在L1和L2上的伪噪声P码(Precise Code精码)在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。,GPS BLOCK-II R卫星,GLONASS,1）全球轨道导航卫星系统（GLONASS）是前苏联研制建立的，1978年开始研制，1982年10月开始发射导航卫星。自1982年至1987年，共发射了27颗GLONASS试验卫星。2）CICADA是前苏联海军于1965年开始建立的卫星导航系统。与NNSS系统相似，CICADA系统也为第一代卫星导航系统。该系统由12颗所谓的宇宙卫星构成CICADA卫星星座。,三、其它卫星定位系统,俄罗斯的GLONASS,24+1颗卫星，3个轨道面 轨道倾角64.8度轨道高度19100KM运行周期11小时15分发射两种载波信号L1、L2,起步于1982年，比GPS晚9年，1996年整个系统正式运行,表1.3 全球导航系统GPS与GLONASS参数的比较,ENSS,继美国GPS、俄罗斯GLONASS的全球导航系统之后，许多国家和地区都在尝试建立自己的卫星导航系统，其中最引人注意的是欧盟的欧洲导航卫星系统（ENSS）即伽利略计划。该计划总的战略意图是：建立一个高效经济的民用导航及定位系统；使之具备欧洲运输业可以信赖的高度安全性，且确保任何未来系统完全置于欧洲人的控制之下。该系统的实施将为欧洲工业进军正在兴起的卫星导航市场的各个方面提供一个良好机会，使他们能够站在一个合理的基础上公平竞争。,GPS系统有29颗在轨卫星，要发挥其最好的效果应为30颗，GLONASS由于缺乏资金，还是11颗卫星，要达到最好的效果应为15-18颗卫星在轨才能发挥其所有功能,“伽利略”系统卫星模拟图,伽利略计划,“伽利略计划”是指在25000公里高空部署30颗人造卫星，以更加准确地判断飞机和船舶等交通工具的位置。2008年投入使用后，可以大幅提高预防灾难和安全管理的水平。总投资35亿欧元的伽利略计划是欧洲自主的、独立的民用全球卫星导航系统。目前世界上正在运营的全球定位系统(GPS)由美国研发并控制。伽利略系统30颗导航卫星和相 关地面设备将在2008年部署完成，该系统确定地面目标位置的误差仅为1米，而GPS提供的非军用信号的误差达10米。3)伽利略计划第一颗导航卫星预计于今年晚些时候发射升空。,中国是第一个参与伽利略计划的非欧盟国家，于去年十月正式加入伽利略联合执行体,2006年7月28日与伽利略联合执行体签署了三个应用项目合同承诺提供2亿欧元的研发经费。中方已投入7000万欧元用于技术开发，其余13亿欧元用于空间和地面设备的部署。韩国也加入了伽利略计划，这样就能摆脱单纯依靠美国全球定位系统(GPS)的局面 6)据欧盟的预测，伽利略系统在2020年前将会带来数百亿欧元的收入和数万个就业机会。据国内专家估计，中国卫星导航应用产业的经济效益到2020年可达2600亿元人民币。,GEOSTAR,美国科学家G.K.Oneill于70年代末提出“主动式卫星导航通信系统”，定名为GEOSTAR系统，并于1980年申请了专利。1982年7月，美国L.A.Lvarez,C.Trophy 和F.Rose三位科学家提出了主动式卫星导航通信系统，1982年12月完成了总体设计，1983年GEOSTAR公司开始研制。该系统是利用地球同步定点卫星进行导航定位和通信，目的是想通过廉价的用户设备，来提供美国本土的定位服务。GEOSTAR系统有三颗同步卫星，分别位于西经70、100、130，卫星上装有一个转发机。用户设备为收发机。预计在全球沿赤道均匀地布设6颗地球同步卫星，即可构成全球导航定位通信系统。,NAVSAT,欧洲空间局于1982年提出建议，希望通过国际合作，建立一种民用的NAVSAT(Navigation Satellite)全球卫星导航系统，以满足海、空导航、搜索、营救、进出港、民航机着陆等需要。NAVSAT系统采用6颗地球同步卫星（GEO）和12颗高椭圆轨道卫星（HEO）组成混合卫星星座。12颗HEO卫星均匀分布在6个轨道平面内，6颗GEO卫星同处于一个轨道平面内。,GRANAS,原西德的劳伦兹标准电气公司于1984年提出建立GRANAS（Global Radio Navigation System）全球无线电导航系统的设想。计划配置20颗卫星，分布在四个轨道上，用测距法定位。该系统兼具通信功能。,北斗导航系统,“北斗导航系统”是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，此系统由两颗卫星、控制站和接收机组成，卫星编号分别为“北斗一号”和“北斗二号”，分别于2000年10月31日凌晨0时02分和2000年12月21日0时20分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。这标志着中国将拥有自主研制的第一代卫星导航定位系统。,北斗一号,双星快速定位系统，突出持点是构成系统的空间卫星数目少、用户终端设备简单、一切复杂性均集中于地面中心处理站。工作原理：由两颗地球静止卫星(800E和1400E)、一颗在轨备份卫星(110.50E)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。定位精度为水平精度100米(1)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：2491.75MHz。系统能容纳的最大用户数为每小时540000户。标志着我国成为继美国全球卫星定位系统(GPS)和前苏联的全球导航卫星系统(GLONASS)后，在世界上第三个建立了完善的卫星导航系统的国家。,“北斗一号”与GPS系统比较,2005年初“中国全球定位系统应用与发展论坛”中，一位学者透露，大陆计划在2005年夏发射第二代“北斗卫星，最终形成：4颗静止星、12颗中轨星和9颗高轨星为一网系，并能覆盖全球的卫星定位系统。2005年内第二代北斗定位系统已经开始组网，到2009年可对全球实施精确覆盖。它将大幅提升解放军精准打击能力。,第二代北斗定位系统,四 GPS现代化计划(以下部分为阅读材料，不要求掌握。）,1.GPS卫星现代化的提出和内涵 GPS现代化的提法是1999年1月25日美国副总统戈尔以文告的形式发表的。文告只提出了几项民用GPS导航技术的改进和发展，但其整个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。随后美国军方和波音公司（GPS系统主要制造商）发表的文章都阐明了他的内涵：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。目前在轨道上的29颗卫星运行正常。其中的26颗都是属于GPS BLOCK A型，预计可以再正常运行2年，至2002年初，即由原计划的5年寿命延长到10.6年，而其中的两颗BLOCK R型号的GPS卫星正在轨道上正常运行，其中的一颗是1999年10月7日才发射的。最新型的BLOCK F已有六颗进入了工厂生产线，并已经发射了一颗。,2.GPS现代化计划中的军事部分 美国提出GPS现代化的基本目的是满足和适应21世纪美国国防现代化发展的需要，这是GPS现代化中第一位的，根本的。GPS现代化是为了更好地支持和保障军事行动。美国军事用户对GPS的需求大体有以下4个主要方面。在今后“信息战”“电子战”的背景下，GPS必须要有更好的抗电子干扰能力；要有安全的GPS使用范围，这包括两方面的含义，一是GPS用户能安全使用，二是对不同类型GPS用户要有不同使用范围，要区别对待；GPS用户要有更短的首次初始化时间；和其他军事导航系统和各类武器装备要相互配适。,3.GPS现代化计划中的军事部分 使用美国GPS精码P（Y）的除美国军方以外，目前美国军方授权所在国家和地区的军方使用的有27个。其中主要是北约国家的军方，在授权亚太地区军方使用的国家和地区主要有：韩国、中国台湾、日本、新加坡、沙特阿拉伯、科威特、泰国等。GPS除了在各类运载器（包括载人和火器）的导航和定位方面发挥了巨大作用外，在对战斗人员的支持和援助中发挥了关键性作用。在军事用户需求调查的基础上，美国军方作出以下4项GPS现代化的响应技术措施。增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力。在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），与民用码分开。M码有更好的抗破译的保密和安全性能。军用接受设备比民用设备有更好的保护装置，抗干扰能力和快速初始化功能更强。创造新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS。,4.GPS现代化计划中的民用部分 为更好地满足民用导航、定位、大气探测等方面的需求，美方认为大体有以下5个主要方面。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；提高导航的安全性（integrity),如增强信号功率,增加导航信号和频道；保持GPS在全球定位系统中技术和销售的领先地位；注意和现有的和将来的民用其他空间导航系统的匹配和兼容。,4.GPS现代化计划中的民用部分基于上述需求，美方拟采取的措施有：在一年一度评估的基础上，决定是否将SA信号强度降为零。停止SA的播放，将使民用实时定位和导航的精度提高35倍。这已开始实行。这里要说明一点，美国军方已经掌握了GPS施加SA的技术，即GPS可以在局部区域内增加SA信号强度，使敌对方利用GPS时严重降低定位精度，无法用于军事行动。在L2频道上增加第二民用码，即CA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。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。,5.GPS现代化计划的进程安排（1）GPS现代化第一阶段 发射12颗改进型的GPS BLOCK R型卫星，它们具有一些新的功能。使其能发射第二民用码，即在L2上加载CA码；在L1和L2上播发P（Y）码的同时，在这两个频率上还试验性的同时加载新的军码（M码）；R型的信号发射功率，不论在民用通道还是军用通道上都有很大提高。,5.GPS现代化计划的进程安排（2）GPS现代化第二阶段 发射6颗GPS BLOCK F。GPS BLOCK F型卫星除了有上面提到的GPS BLOCK R型卫星的功能外，还进一步强化发射M码的功率和增加发射第三民用频率，即L5频道。GPS F型卫星的第一颗的发射不迟于2005年。到2008年在空中运行的GPS卫星中，至少有18颗 F型卫星，以保证M码的全球覆盖。到2016年GPS卫星系统应全部以F卫星运行，共计24+3颗。,5.GPS现代化计划的进程安排（3）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。目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPS 型卫星系统结构，系统安全性、可靠程度和各种可能的风险，计划在2008年要发射GPS 的第一颗实验卫星。计划用近20年的时间完成GPS 计划，取代目前的GPS。,五、GPS的广泛应用,1.GPS在海湾战争中的应用 2.GPS应用于B-52、F-16 3.精确标定战场重点设施的位置 4.用于空战指挥和控制 5.GPS用于地面部队 6.用于扫雷,（一）GPS在军事上的应用,(二)GPS在民间的应用,1.GPS在汽车导航和城市交通管理中的应用 2.GPS用于农业 3.GPS用于紧急救援 4.GPS用于森林防火 5.GPS用于地震预报 6.GPS用于大坝及地面沉降的监测 7.GPS用于绘制道路图,8.船舶远洋导航和进港引水 9.飞机航路引导和进场降落 10.汽车自主导航 11.个人旅游及野外探险 12.个人通讯终端（与手机，电子地图等集成一体）,1.各种等级的大地测量，控制测量2.道路和各种线路放样3.水下地形测量,（三）GPS应用于高精度测量,GPS用于绘制道路图,六 GPS的发展趋势,应用越来越广泛，涉及到国民经济的各个领域以GPS位代表的卫星导航应用产品，功能强大、使用方便、价格合适，所以能很好的与其他系统结合，很快成为现代信息社会的重要信息来源。,GPS应用产品产业是当前国际上八大无线产业之一；GPS也是目前世界上发展的最快的三大信息产业之一；GPS与GSM和CDMA的结合已成为全球通信导航界的热点；,发展的特点：,卫星导航系统未来十年的发展,卫星导航手段在多数国家和地区可能成为代替传统导航、定位和定时的唯一手段。各国卫星导航系统在民用领域的相互兼容将成为国际大趋势。陆上车辆导航将成功驱动卫星导航产业迅猛发展的强劲动力。民用的效益远比军用的大 卫星导航技术与通信、遥感和大众消费产品的相互融合将会创造出许多新产品和新服务，在未来五年里，将有高达百分之八十多的车辆装上GPS装置。,21世纪头十年在卫星导航产业中仍以美国占据主导地位，欧洲、日本、中国和俄罗斯会也逐渐发展起来,七 我国GPS的发展,1970年4月，第一颗人造卫星送入轨道 70年代后期成功试制了人卫摄影仪、卫星激光测距仪和多普勒接收机，并完成了全国天文大地网的整体平差，建立了1980年国家大地坐标系，进行了南海群岛的联测。80年代中期，我国引进GPS接收机，建立我国自己的卫星导航系统。目前我国的GPS接收机拥有量约在4万台左右，并以每年两万台的速度增加 在大地测量方面，我国已完成西沙、南沙群岛各岛屿与大陆的GPS联测，使海岛与全国大地网联成一整体。,在航空摄影测量方面，也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航；地球动力学方面，我国已开始用兵GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。近几年，我国已建成了北京、武汉、上海、西安、拉萨、乌鲁木齐等永久性的GPS跟踪站。我国已着手建立自己的卫星导航系统（双星定位系统），能够生产导航型GPS接收机。GPS技术的应用正向更深层次发展。,