林业3s技术.pdf

GPS原理与应用 一 GPS原理与应用原理与应用 一 本课程特点一 本课程特点 1 GPS虽起源于军事导航 但大量应用于大 地测量 是现代大地测量的重要技术手段 同时也是 1 GPS虽起源于军事导航 但大量应用于大 地测量 是现代大地测量的重要技术手段 同时也是 3S高新技术3S高新技术 的重要组成部分 故 该课程是测绘工程及地理信息系统专业学生 的主干课程 的重要组成部分 故 该课程是测绘工程及地理信息系统专业学生 的主干课程 2 由于该课程交叉性强 需要学生具备有测 量学 地图学 地理学 计算机 英语等方 面的基础 2 由于该课程交叉性强 需要学生具备有测 量学 地图学 地理学 计算机 英语等方 面的基础 GPS原理与应用原理与应用 二 本课程教学目的二 本课程教学目的 1 通过课程的学习 主要使学生掌握GPS的组 成 与常规测量手段相比的优势 GPS的坐标 系统 GPS卫星信号 误差来源 定位原理 GPS工程应用等理论知识 同时掌握常用GPS 接收机的操作及数据处理 1 通过课程的学习 主要使学生掌握GPS的组 成 与常规测量手段相比的优势 GPS的坐标 系统 GPS卫星信号 误差来源 定位原理 GPS工程应用等理论知识 同时掌握常用GPS 接收机的操作及数据处理 2 2 对于技术端知识 主要从概念及思想上进 行掌握 而对其数公式的解算只作了解 对于技术端知识 主要从概念及思想上进 行掌握 而对其数公式的解算只作了解 GPS原理与应用原理与应用 三 参考书目及网站三 参考书目及网站 1 科学出版社李天文 著 GPS原理及应用 1 科学出版社李天文 著 GPS原理及应用 2 科学出版社张勤 李家权 著 GPS测量原 理及应用 2 科学出版社张勤 李家权 著 GPS测量原 理及应用 3 测绘出版社周忠谟 著 GPS卫星测量与 应用 3 测绘出版社周忠谟 著 GPS卫星测量与 应用 4 测绘出版社 刘基余等著 全球定位系统原 理及其应用 4 测绘出版社 刘基余等著 全球定位系统原 理及其应用 5 Http 6 Http GPS原理与应用原理与应用 第一章绪论第一章绪论 1 1 全球定位系统的产生 发展及前景 1 1 全球定位系统的产生 发展及前景 1 2 GPS特点 1 2 GPS特点 1 3 GPS组成 1 3 GPS组成 1 4 GPS定位基本原理 1 4 GPS定位基本原理 1 5 美国GPS政策及各国应对 1 5 美国GPS政策及各国应对 1 6 GPS在各个领域中的应用 1 6 GPS在各个领域中的应用 GPS原理与应用原理与应用 1 1 全球定位系统的产生 发展及前景全球定位系统的产生 发展及前景 GPS原理与应用原理与应用 一 为什么需要建立一 为什么需要建立GPS 测绘学的任务 测绘学的任务 1 1 空间定位空间定位 地球形状和重力场 地球形状和重力场 2 获取地球及其外层空间宇宙星体的自然形态 人为设施以及与其属性有关的信息 2 获取地球及其外层空间宇宙星体的自然形态 人为设施以及与其属性有关的信息 3 制成各种地形图 专题图和建立地理信息系统3 制成各种地形图 专题图和建立地理信息系统 GPS原理与应用原理与应用 一一 常规 地面 定位方法常规 地面 定位方法 采用的仪器设备采用的仪器设备 尺 铟钢尺尺 铟钢尺 光学仪器 经纬仪 水准仪光学仪器 经纬仪 水准仪 电磁波或激光仪器 测距仪电磁波或激光仪器 测距仪 综合多种技术的仪器 全站仪综合多种技术的仪器 全站仪 观测值观测值 角度或方向观测角度或方向观测 距离观测距离观测 天文观测方法天文观测方法 GPS原理与应用原理与应用 局限性局限性 需要事先布设大量的地面控制点 地面站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 环境条件限制观测受气候 环境条件限制 观测点之间需要保证通视观测点之间需要保证通视 需要修建觇标 架设高大的天线需要修建觇标 架设高大的天线 边长受到限制边长受到限制 观测难度大观测难度大 效率低 无用的中间过渡点效率低 无用的中间过渡点 受系统误差影响大 如地球旁折光受系统误差影响大 如地球旁折光 难以确定地心坐标难以确定地心坐标 GPS原理与应用原理与应用 二二 卫星定位方法卫星定位方法 1 美国第一代美国第一代子午卫星系统子午卫星系统及其局限性及其局限性 系统简介系统简介 NNSS 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 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 采用利用多普勒频移进行导航定位 也被称为多普勒定位系统 采用利用多普勒频移进行导航定位 也被称为多普勒定位系统 美国研制 建立美国研制 建立 1964年1月建成1964年1月建成 1967年7月解密供民用1967年7月解密供民用 子午卫星子午卫星 子午卫星星座子午卫星星座 由于卫星与接收机间 距离的变化而致使信 号的接收频率与发射 频率不相等的现象 由于卫星与接收机间 距离的变化而致使信 号的接收频率与发射 频率不相等的现象 GPS原理与应用原理与应用 系统组成系统组成 空间部分空间部分 卫星 发送导航定位信号 信号 卫星 星座 卫星 发送导航定位信号 信号 卫星 星座 由由6颗6颗卫星构成 6轨道面 轨道 高度 卫星构成 6轨道面 轨道 高度1075km1075km 地面控制部分地面控制部分 包括 跟踪站 计算中心 注入站 控 制中心和海军天文台 包括 跟踪站 计算中心 注入站 控 制中心和海军天文台 用户部分用户部分 多普勒接收机多普勒接收机 大地测量多普勒接收机大地测量多普勒接收机 1 MX1502 大地测量多普勒接收机大地测量多普勒接收机 2 CMA751 GPS原理与应用原理与应用 应用领域应用领域 海上船舶的定位海上船舶的定位 大地测量大地测量 精度精度 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 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 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 联测定位 各站共同观测17 次合格卫星通过 精度约为 0 5m 多普勒联测定位多普勒联测定位 多普勒单点定位多普勒单点定位 GPS原理与应用原理与应用 系统缺陷系统缺陷 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 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 难以进行精密定轨卫星轨道低 难以进行精密定轨 与此同时 原苏联的也在建立了自己的卫星导航系统 有12颗卫星 与此同时 原苏联的也在建立了自己的卫星导航系统 有12颗卫星CICADACICADA GPS原理与应用原理与应用 GPS的英文全称是的英文全称是 Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System 简称简称GPS 有时也被称作 有时也被称作NAVSTAR GPS 其意为其意为 导航星测时与测距全球定 位系统 导航星测时与测距全球定 位系统 或简称全球定位系统 或简称全球定位系统 2 美国第二代卫星定位系统美国第二代卫星定位系统GPS GPS原理与应用原理与应用 GPS概述概述 建立国家建立国家 美国美国 目的目的 在全球范围内 提供实时 连续 全天候的导 航定位及授时服务 在全球范围内 提供实时 连续 全天候的导 航定位及授时服务 开始筹建时间开始筹建时间 1973年1973年 完全建成时间完全建成时间 1995年1995年 GPS原理与应用原理与应用 系统构成系统构成 空间部分 地面控制部分 用户部分空间部分 地面控制部分 用户部分 服务方式服务方式 通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务 定位原理定位原理 后方距离交会后方距离交会 测距原理测距原理 被动式电磁波测距被动式电磁波测距 特点特点 全球覆盖 全天候 不间断 精度高全球覆盖 全天候 不间断 精度高 GPS原理与应用原理与应用 系统特征NNSSGPS 载波频率MHZ150 4001230 1580 卫星高度km约1000约20200 卫星数目627 3颗备用 卫星运行周期min107718 卫星钟稳定10 系统特征NNSSGPS 载波频率MHZ150 4001230 1580 卫星高度km约1000约20200 卫星数目627 3颗备用 卫星运行周期min107718 卫星钟稳定10 11 11 1010 12 12 定位原理多谱勒定位空间距离后方交会 定位精度低高 定位原理多谱勒定位空间距离后方交会 定位精度低高 GPS与NNSS的主要特征GPS与NNSS的主要特征 GPS原理与应用原理与应用 方案论证和初步设计阶段方案论证和初步设计阶段 1973年12月 美国国防部批准研制GPS 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 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 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 GPS发展简史发展简史 GPS原理与应用原理与应用 全面研制和试验阶段 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 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 GPS原理与应用原理与应用 实用组网阶段 实用组网阶段 1989年2月14日 第1颗GPS工作卫星发射成 功 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 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 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 1995年7月17日 GPS达到FOC 完全运行 能力 Full Operational Capability 完全运行 能力 Full Operational Capability GPS原理与应用原理与应用 3 其它卫星导航定位系统3 其它卫星导航定位系统 GLONASSGLONASS GLONASS Global Navigation Satellite System 全球导航卫星系统 GLONASS Global Navigation Satellite System 全球导航卫星系统 开发者开发者 俄罗斯 前苏联 俄罗斯 前苏联 系统构成系统构成 卫星星座卫星星座 地面控制部分地面控制部分 用户设备用户设备 GLONASS constellation GPS原理与应用原理与应用 GLONASS与GPS的比较GLONASS与GPS的比较 GPS原理与应用原理与应用 卫星运行状况卫星运行状况 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 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 由于卫星寿命过短 加之俄罗斯前一段时间经 济状况欠佳 无法及时补充新卫星 故该系统 不能维持正常工作 由于卫星寿命过短 加之俄罗斯前一段时间经 济状况欠佳 无法及时补充新卫星 故该系统 不能维持正常工作 到2006年3月20日 GLONASS系统共有到2006年3月20日 GLONASS系统共有1717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 俄罗斯计划到2007年使 GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗 开 始发挥导航定位功能 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 俄罗斯计划到2007年使 GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗 开 始发挥导航定位功能 GPS原理与应用原理与应用 2002年3月24日欧盟决定研 制组建自己的民用卫星导 航定位系统 2002年3月24日欧盟决定研 制组建自己的民用卫星导 航定位系统 Galileo 系统 Galileo 系统 Galileo卫星星座将由Galileo卫星星座将由27颗27颗 工作卫星和工作卫星和3颗3颗备用卫星组 成 这30颗卫星将均匀分 布在3个轨道平面上 卫星 高度为23616km 轨道倾角 为56 备用卫星组 成 这30颗卫星将均匀分 布在3个轨道平面上 卫星 高度为23616km 轨道倾角 为56 Galileo系统是一种多功能 的卫星导航定位系统 具 有公开服务 安全服务 Galileo系统是一种多功能 的卫星导航定位系统 具 有公开服务 安全服务 商业服务和政府服务等功 能 商业服务和政府服务等功 能 4 其它卫星导航定位系统4 其它卫星导航定位系统 伽俐略 Galileo 伽俐略 Galileo GPS原理与应用原理与应用 the Galileo satellite constellation altitude 23616 km SMA 29993 707 km inclination 56 degrees period 14 hours 4 min ground track repeat about 10 days GGALILEOALILEODATADATA 27 3 satellites in three Medium Earth Orbits MEO Walker 27 3 1 Constellation GPS原理与应用原理与应用 2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星 Galileo In Orbit Validation Elements GlOVE A 成功 进入高度为2 3万Km的预定轨道 2006年1月12日 GlOVE A已开始向地面发送信号 2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星 Galileo In Orbit Validation Elements GlOVE A 成功 进入高度为2 3万Km的预定轨道 2006年1月12日 GlOVE A已开始向地面发送信号 这标志着总投资为34亿欧元 约合41亿美元 的计 划已进入实施阶段 到2010年欧洲将发射30颗服役 期约为20年的正式卫星 完成伽利略卫星星座的部 署工作 这标志着总投资为34亿欧元 约合41亿美元 的计 划已进入实施阶段 到2010年欧洲将发射30颗服役 期约为20年的正式卫星 完成伽利略卫星星座的部 署工作 伽利略系统建成后 美欧两大相互兼容的导航定位 系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性 伽利略系统建成后 美欧两大相互兼容的导航定位 系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性 GPS原理与应用原理与应用 GIOVE A GIOVE B GIOVE的主要目标 GIOVE的主要目标 频率信号测试 频率信号测试 验证一些关键技术 比如铷原子钟 氢原子钟 验证一些关键技术 比如铷原子钟 氢原子钟 轨道环境特征测试 轨道环境特征测试 并行2或3通道信号传输测试 并行2或3通道信号传输测试 GPS原理与应用原理与应用 5 其它卫星导航定位系统5 其它卫星导航定位系统 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 四颗北斗试验星发射四颗北斗试验星发射 2000年年10月月31日日 2000年年12月月21日日 2003年年5月月25日日 2007年年2月月3日日 标志着我国拥有 了自己的第一代卫星 导航系统 标志着我国拥有 了自己的第一代卫星 导航系统 BDBD 1 1 建设原则 建设原则 开发性 自主性 兼容性 渐近性 开发性 自主性 兼容性 渐近性 BeiDou COMPASS BeiDou COMPASS GPS原理与应用原理与应用 北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统 系 统是由 系 统是由空间卫星空间卫星 地面 控制中心站 地面 控制中心站和和北斗用户 终端 北斗用户 终端三部分构成 三部分构成 空间部分包括空间部分包括两颗两颗地球 同步轨道卫星 GEO 组成 卫星上带有信号 转发装置 完成地面控 制中心站和用户终端之 间的双向无线电信号的 中继任务 地球 同步轨道卫星 GEO 组成 卫星上带有信号 转发装置 完成地面控 制中心站和用户终端之 间的双向无线电信号的 中继任务 北斗1代卫星导航系统组成图北斗1代卫星导航系统组成图 GPS原理与应用原理与应用 GPS原理与应用原理与应用 车载型用户机 通讯型用户机 便携型用户机 船载型用户机 指挥型用户机 用户终端分为用户终端分为 定位通信终端定位通信终端 集团用户管理 站终端 集团用户管理 站终端 差分终端差分终端 校时终端等校时终端等 GPS原理与应用原理与应用 与GPS系统不同 所有用户终端位置的计算都是在 地面控制中心站完成 因此 控制中心可以保留 全部北斗终端用户机的位置及时间信息 同时 地面控制中心站还负责整个系统的监控管理 与GPS系统不同 所有用户终端位置的计算都是在 地面控制中心站完成 因此 控制中心可以保留 全部北斗终端用户机的位置及时间信息 同时 地面控制中心站还负责整个系统的监控管理 与GPS GLONASS Galileo等国外的卫星导航系统 相比 BD 与GPS GLONASS Galileo等国外的卫星导航系统 相比 BD 1有自己的优点 如投资少 组建快 具有通信功能 捕获信号快等 1有自己的优点 如投资少 组建快 具有通信功能 捕获信号快等 不足 不足 实时性差 误差大 用户隐蔽性差实时性差 误差大 用户隐蔽性差 无测 高和测速 无测 高和测速功能 功能 用户数量受限制用户数量受限制 用户的设备体 积大 重量重 能耗大 用户的设备体 积大 重量重 能耗大等 等 GPS原理与应用原理与应用 BDBD 2 2 为了使我国的卫星导航定 位系统的性能有实质性的 提高 建立第二代北斗卫 星导航定位系统 BD 为了使我国的卫星导航定 位系统的性能有实质性的 提高 建立第二代北斗卫 星导航定位系统 BD 2 从导航体制 测距方法 卫星星座 信号结构及接 收机等方面进行全面改进 卫星星座计划由GEO卫 星 IGSO卫星和MEO卫星 组成 此项工作将成为 2 从导航体制 测距方法 卫星星座 信号结构及接 收机等方面进行全面改进 卫星星座计划由GEO卫 星 IGSO卫星和MEO卫星 组成 此项工作将成为 十一五十一五 期间的一项重要 工作 期间的一项重要 工作 GPS原理与应用原理与应用 新一代卫星导航系统新一代卫星导航系统 北 斗二号 北 斗二号 2007年4月142007年4月14 2009年4月152009年4月15 2010年1月17日2010年1月17日 北斗导航系统发展三步曲 一 试验阶段 二 将在2012年 覆盖全亚洲 三 2020年覆盖全球5颗静止轨道和30颗非静止 轨道卫星组网 北斗导航系统发展三步曲 一 试验阶段 二 将在2012年 覆盖全亚洲 三 2020年覆盖全球5颗静止轨道和30颗非静止 轨道卫星组网 定位精度可达厘米级定位精度可达厘米级 GPS原理与应用原理与应用 BD应用BD应用 潮汐数据监测 森林防火 潮汐数据监测 森林防火 海面搜索救援海面搜索救援公路运输监控公路运输监控 渔政监管渔政监管 北京奥运 汶川地震 上海世博北京奥运 汶川地震 上海世博 飞机导航飞机导航 GPS原理与应用原理与应用 6 全球卫星导航系统6 全球卫星导航系统 GNSS Global Navigation Satellite System GNSS Global Navigation Satellite System 包含了包含了美国的GPS 俄罗斯的GLONASS美国的GPS 俄罗斯的GLONASS 中国的Compass 北斗 中国的Compass 北斗 欧盟的Galileo系统欧盟的Galileo系统 可用的卫星数目达到100颗以上 可用的卫星数目达到100颗以上 实施者实施者 欧洲欧洲 目的目的 打破美国在卫星导航 授时行业的垄断 占领市场 增加就业打破美国在卫星导航 授时行业的垄断 占领市场 增加就业 战略步骤战略步骤 1 建立一个综合利用美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统的第一代全 球导航卫星系统 1 建立一个综合利用美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统的第一代全 球导航卫星系统 EGNOS欧洲同步卫星导航覆盖服务欧洲同步卫星导航覆盖服务 2 是建立一个完全独立于美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之外的 第二代全球导航卫星系统 即正在建设中的Galileo卫星导航定位系统 2 是建立一个完全独立于美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统之外的 第二代全球导航卫星系统 即正在建设中的Galileo卫星导航定位系统 GPS原理与应用原理与应用 1 2 GPS特点特点 GPS原理与应用原理与应用 1 全球 全天候工作 能为用户提供连续 实时的三维位 置 三维速度和精密时间 不受天气的影响 2 定位精度高 单机定位精度优于10米 采用差分定位 精 度可达厘米级和毫米级 3 功能多 应用广 随着人们对GPS认识的加深 GPS不仅在 测量 导航 测速 测时等方面得到更广泛的应用 而且 其应用领域不断扩大 4 观测站间无需通视 5 观测时间短 6 操作方便 1 全球 全天候工作 能为用户提供连续 实时的三维位 置 三维速度和精密时间 不受天气的影响 2 定位精度高 单机定位精度优于10米 采用差分定位 精 度可达厘米级和毫米级 3 功能多 应用广 随着人们对GPS认识的加深 GPS不仅在 测量 导航 测速 测时等方面得到更广泛的应用 而且 其应用领域不断扩大 4 观测站间无需通视 5 观测时间短 6 操作方便 GPS原理与应用原理与应用 1 3 GPS系统组成系统组成 GPS原理与应用原理与应用 由三个主要部分组成由三个主要部分组成 空间部分 提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息 空间部分 提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息 空间部分空间部分空间部分空间部分 提供星历和时间信息提供星历和时间信息提供星历和时间信息提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号发射伪距和载波信号发射伪距和载波信号发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息提供其它辅助信息提供其它辅助信息提供其它辅助信息 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 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 地面控制部分 地面控制部分 地面控制部分 地面控制部分 中心控制系统中心控制系统中心控制系统中心控制系统 实现时间同步实现时间同步实现时间同步实现时间同步 跟踪卫星进行定轨跟踪卫星进行定轨跟踪卫星进行定轨跟踪卫星进行定轨 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 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 用户部分 用户部分 用户部分 用户部分 接收并测卫星信号接收并测卫星信号接收并测卫星信号接收并测卫星信号 记录处理数据记录处理数据记录处理数据记录处理数据 提供导航定位信息提供导航定位信息提供导航定位信息提供导航定位信息 GPS原理与应用原理与应用 24颗卫星 21 3 24颗卫星 21 3 6个轨道平面6个轨道平面 5555 轨道倾角轨道倾角 2万km轨道高度 地面高度 2万km轨道高度 地面高度 12小时 恒星时 轨道周期12小时 恒星时 轨道周期 5个多小时出现在地平线以上 每颗星 5个多小时出现在地平线以上 每颗星 一 空间部分一 空间部分 GPS原理与应用原理与应用 GPS卫星主要功能 GPS卫星主要功能 1 接收和储存由地面监控站发出的导航信息 接收并 执行监控站发出的控制指令 1 接收和储存由地面监控站发出的导航信息 接收并 执行监控站发出的控制指令 2 进行部分必要数据的处理 2 进行部分必要数据的处理 3 通过铯钟和铷钟提供精密时间 并向用户发送定位 信息 3 通过铯钟和铷钟提供精密时间 并向用户发送定位 信息 GPS原理与应用原理与应用 卫星信号卫星信号 L1 Frequenz 1575 42 MHz 19 05 cm C A Code P Code 卫星星历卫星星历 L2 Frequenz 1227 60 MHz 24 45 cm P Code 卫星星历卫星星历 GPS原理与应用原理与应用 一个主控站一个主控站 科罗拉多 科罗拉多 斯必灵司斯必灵司 三个注入站三个注入站 阿松森 Ascencion 迭哥 阿松森 Ascencion 迭哥 伽西亚 Diego Garcia 卡瓦加兰 kwajalein 伽西亚 Diego Garcia 卡瓦加兰 kwajalein 五个监测站五个监测站 1个主控站 3个注入站 夏威夷 Hawaii 1个主控站 3个注入站 夏威夷 Hawaii 5555 Hawaii AscencionDiego Garcia kwajalei n Colorado springs Hawaii AscencionDiego Garcia kwajalei n Colorado springs 二 地面监控部分二 地面监控部分 GPS原理与应用原理与应用 1 监测站监测站 组成组成 双频GPS接收机 高 精度原子钟 计算机及环 境数据传感器等 双频GPS接收机 高 精度原子钟 计算机及环 境数据传感器等 任务任务 对卫星进行连续观 测 采集相关数据和监测 卫星工作状况 采集到的 数据经处理后传到主控站 对卫星进行连续观 测 采集相关数据和监测 卫星工作状况 采集到的 数据经处理后传到主控站 GPS原理与应用原理与应用 2 主控站主控站 任务任务 1 据监测站观测资料 计算并编制卫星星历 卫星钟差及大气修正参 数 以传给注入站 1 据监测站观测资料 计算并编制卫星星历 卫星钟差及大气修正参 数 以传给注入站 2 提供全球系统的时间 基准 测出钟差 将其 送入注入站 2 提供全球系统的时间 基准 测出钟差 将其 送入注入站 3 卫星运行控制 3 卫星运行控制 4 启用备用卫星 4 启用备用卫星 GPS原理与应用原理与应用 3 注入站注入站 组成组成 天线 3 6m C波段发射机和计算机 天线 3 6m C波段发射机和计算机 任务任务 在主控站的控制 下推算和编制卫星星历 钟差 导航电文和其它 控制指令信息 注入相 应的卫星存储系统 并 检测信息的准确性 在主控站的控制 下推算和编制卫星星历 钟差 导航电文和其它 控制指令信息 注入相 应的卫星存储系统 并 检测信息的准确性 GPS原理与应用原理与应用 接收机 调制 解调器 铯钟气象传感器 监测站 观测星历 与时钟 主控站 计算误差 编算注入 导航电文 调制解调器 高功率 放大器 指令发生器 数据存储器和外部设备 注入站 数据处理机 数 据 处理机 L1L2 S波段波段 GPS卫星卫星GPS卫星卫星 地面监控系统流程图地面监控系统流程图 GPS原理与应用原理与应用 GPS 的用户部分由GPS 接收机 数据处理软件及相 应的用户设备如计算机等组成 作用是接收GPS 卫 星所发出的信号 利用这些信号进行导航定位等工 作 GPS 的用户部分由GPS 接收机 数据处理软件及相 应的用户设备如计算机等组成 作用是接收GPS 卫 星所发出的信号 利用这些信号进行导航定位等工 作 三 用户部分三 用户部分 GPS原理与应用原理与应用 GPS信号接收机GPS信号接收机 组成组成 天线单元天线单元 带前置放大器带前置放大器 接收天线接收天线 接收单元接收单元 信号通道信号通道 存储器存储器 微处理器微处理器 输入输出设备输入输出设备 电源电源 天线单元天线单元 接收单元接收单元 GPS原理与应用原理与应用 1 4 GPS定位基本原理 1 4 GPS定位基本原理 GPS原理与应用原理与应用 单点定位原理单点定位原理 单点定位解可以理解为一个后方交会问题单点定位解可以理解为一个后方交会问题 卫星充当轨道上运动的控制点 观测值为测站至卫星的伪距 由时延 值推算得到 卫星充当轨道上运动的控制点 观测值为测站至卫星的伪距 由时延 值推算得到 由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差由于接收机时钟与卫星钟存在同步误差 所以要同步观测4颗卫星 解算四个未知参数 纬度 经度 高程 h 钟差 t 所以要同步观测4颗卫星 解算四个未知参数 纬度 经度 高程 h 钟差 t GPS原理与应用原理与应用 利用距离交 会的原理确 定接收机的 三维位置及 钟差 利用距离交 会的原理确 定接收机的 三维位置及 钟差 GPS原理与应用原理与应用 GPS原理与应用原理与应用 1 5 美国GPS政策及各国应对 1 5 美国GPS政策及各国应对 GPS原理与应用原理与应用 2 AS技术2 AS技术 反电子诱骗技术 对P码 精码 进行加密 P码加密 P W Y 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 反电子诱骗技术 对P码 精码 进行加密 P码加密 P W Y 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 3 美国GPS政策的实质3 美国GPS政策的实质 将用户分为PPS 精确定位服务 和C A 粗码 码 将用户分为PPS 精确定位服务 和C A 粗码 码 1 SA技术1 SA技术 选择可用性技术1990 3 25 选择可用性技术1990 3 25 2000 5 1 2000 5 1 一 美国GPS政策一 美国GPS政策 GPS原理与应用原理与应用 二 各国对美国GPS政策的应对二 各国对美国GPS政策的应对 中国GPS政策中国GPS政策 两台 或者两台以上的接受机 同时同步观测同一颗卫 星 从而确定两点之间基于WGS84空间下的向量差 两台 或者两台以上的接受机 同时同步观测同一颗卫 星 从而确定两点之间基于WGS84空间下的向量差 卫星钟 误差 星历误差 延迟差 卫星钟 误差 星历误差 延迟差 控制网 GPS的辉煌就在这里 彻 底解放了控制测量问题 算出了相对位置后只要给出某一个点 的坐标 就可以求出各点的坐标 最基本最低端的测量型 GPS 毫米级平面精度 控制网 GPS的辉煌就在这里 彻 底解放了控制测量问题 算出了相对位置后只要给出某一个点 的坐标 就可以求出各点的坐标 最基本最低端的测量型 GPS 毫米级平面精度 1 差分定位系统的建立差分定位系统的建立2 建立自己的导航系统建立自己的导航系统 北斗北斗 3 参与实施伽俐略导航系统参与实施伽俐略导航系统 GPS原理与应用原理与应用 可以消去轨道 星历 误差的影响可以消去轨道 星历 误差的影响 可以削弱大气折射对观测值的影响可以削弱大气折射对观测值的影响 可以消去卫星钟的系统偏差可以消去卫星钟的系统偏差 可以消去接收机时钟的误差可以消去接收机时钟的误差 两站中其中一站坐标已知两站中其中一站坐标已知 GPS原理与应用原理与应用 1 6 GPS在各个领域中的应用 1 6 GPS在各个领域中的应用 GPS原理与应用原理与应用 一 GPS在军事中的应用一 GPS在军事中的应用 GPS导航的舰载飞弹配备GPS的士兵美国海军核潜艇GPS导航的舰载飞弹配备GPS的士兵美国海军核潜艇 GPS原理与应用原理与应用 二 GPS在交通运输业中的应用二 GPS在交通运输业中的应用 航运 航空搜索航运 航空搜索 陆路交通 车辆导航 监控 陆路交通 车辆导航 监控 船舶远洋导航船舶远洋导航 车辆导航管理 对航空器的定位及导航 车辆导航 配备车辆导航管理 对航空器的定位及导航 车辆导航 配备 GPS 的巡警 的巡警 GPS原理与应用原理与应用 GPS原理与应用原理与应用 三 GPS在大地测量中的应用三 GPS在大地测量中的应用 1 建立全球和全国性的高精度建立全球和全国性的高精度GPS控制网控制网 目的 建立全球高精度 目的 建立全球高精度 1 2m 的统一坐标框 架 为大地测量的科学研究及相关地学研究打下 基础 的统一坐标框 架 为大地测量的科学研究及相关地学研究打下 基础 1991年 国际大地测量协会 年 国际大地测量协会 IGA 决定在全球范 围内建立一个 决定在全球范 围内建立一个IGS 国际 国际GPS地球动力学服务 观 测网 并于 地球动力学服务 观 测网 并于1992年年6 9月进行会战联测月进行会战联测 GPS原理与应用原理与应用 全球IGS站分布图全球IGS站分布图 IGSIGSIGSIGS服务内容 服务内容 服务内容 服务内容 实时 近实时和事后精密星历 精密卫星钟差实时 近实时和事后精密星历 精密卫星钟差实时 近实时和事后精密星历 精密卫星钟差实时 近实时和事后精密星历 精密卫星钟差 参考站站坐标和速率 全球电离层变化 地球自转参数参考站站坐标和速率 全球电离层变化 地球自转参数参考站站坐标和速率 全球电离层变化 地球自转参数参考站站坐标和速率 全球电离层变化 地球自转参数 全球参考站数据 部分实时的 所有事后的 全球参考站数据 部分实时的 所有事后的 全球参考站数据 部分实时的 所有事后的 全球参考站数据 部分实时的 所有事后的 GPS原理与应用原理与应用 2 我国高精度GPS网2 我国高精度GPS网 目的是在全国内确定精确的地心坐标 建立起我国新一代的地心参考框架 及其与国家大地坐标系统的转换参数 并奠定地壳运动及地球动力学研究 的基础 目的是在全国内确定精确的地心坐标 建立起我国新一代的地心参考框架 及其与国家大地坐标系统的转换参数 并奠定地壳运动及地球动力学研究 的基础 1992年组织了年组织了 中国中国92GPS会