GPS系统简介PPT课件

1、1,第一章GPS系统简介,2,第一节.GPS发展史 第二节.GPS全球定位系 第三节. 其他的卫星导航系统,3,第一节GPS发展史,1.测绘技术的发展 2.早期的卫星定位技术 3.GPS的老祖先,NNSS系统,4,测绘技术的发展,一、测绘的概念 为研究和描述全球或区域地形而获得数字信息和图形信息，并指导工程放样。 二、测绘任务可以分为两个方面 1、获得数字信息和图形信息 2、放样测量,5,采数手段的变革 电子式（GPS接收机.） 光机电式（全站仪） 光机式（经纬仪.） 机械式（钢尺.,6,传统的导航和测量技术,一 、传统技术： 一）光电仪器测量技术 1、测量原理： 通过测边、测角、三角高差、水

2、准高差来测量未知点坐标 2、缺陷: 1). 因光学分辨率、障碍物等影响通视,同步测量距离短，搬站频繁、积累误差大。. 2) 效率低，人力耗用高,7,二）空间天文大地测量 ： 1）、原理： 使用经纬仪，通过不同时间对几个恒星方位角的测量，交会地面点的天文大地坐标（经度、纬度），计算两个点的大地方位等。 大地测量起始方位的来源。 2）缺点： （1）可观测恒星少。 （2）机会很少。 (3) 光学测量、通视条件要求高,8,早期的导航技术,导航（navigation）: 实时地测定运动载体在行进时的位置和速度，引导运动载体沿一定航线经济而安全得到达目的地 制导：利用导航定位的测量数据，通过姿态控制和平移

3、，将运动载体引导至预定的轨道,9,二）导航工具： 1、航海：罗兰C导航仪：使用岸台上（2-3个）信标台作为基准，用电波纯粹测边，前方交会船只、近海的陆地载体等的坐标位置。 要求载体距离海岸线距离300海里之内。 导航精度低（300米之内,10,2、航空： 陀螺仪：由密度很高的物质做成，可以高速运转来保持姿态和按设定定向、导航；随着载体运行距离将长，误差积累性大，价格昂贵。很难普遍使用,11,早期的卫星定位技术,卫星定位：利用人造卫星进行点位测量，确定测站点的位置 卫星导航：接受导航卫星发送的导航定位信号，以其作为动态已知点，实时测定运动载体的在航位置和速度,12,1957年10月4日，世界上第

4、一颗人造地球卫星“斯普特尼克1号”从拜科努尔发射场升空。虽然这颗卫星只会在太空噼啪作响，但它标志着人类的活动疆域已经从陆地、海洋、大气层扩大到了宇宙空间，人类从此打开天门，放眼宇宙,小资料,13,第二次世界大战末期，德国战败。德国科学家冯布劳恩等一百多名火箭专家被美国人捕获，转到美国继续从事火箭研究。苏联迟了一步，没有抓到重要的专家，但也得到了一些德制V2火箭和工厂的设备。 战后，两国在空间技术领域展开了激烈的竞争。苏联科学家在科罗列夫的领导下，很快地掌握了V2导弹的制造技术。 1956年，苏联成功地发射了第一枚洲际导弹“苏联1号”，表明苏联的火箭技术领先于美国。在研制洲际导弹的过程中，苏联的

5、火箭技术有了极大发展。1957年，苏联科学家研制的火箭，其速度已经达到每秒8千米，已经具有摆脱地球引力、冲出地球的轨道速度，苏联的航天计划得以迈出重要的一步。同年10月4日，苏联用“苏联1号”三级火箭成功地发射了第一颗人造地球卫星。这颗卫星被命名为“旅行者1号”，它重836千克，直径58厘米，中间装有一台能发射电码的发报机，以证明卫星的存在。这颗卫星发射成功后，世界各地的监测站便收到了来自太空的电码，各国科学家纷纷向苏联表示祝贺；只有美国政府感到十分狼狈，此后加紧调整政策，同苏联开展空间技术方面的竞赛,14,原理：以人造卫星为观测目标，由地面测站观测到卫星的： a.方向 三角网 b.距离 测距

6、网,实现常规大地测量难以实现的大陆与海岛的远距离连测,15,陆岛联测,16,弊端： 1.天气影响巨大 2.定位精度较低 3.不能得到地心坐标 卫星三角测量很快就被卫星多普勒定位所取代,17,卫星多普勒定位系统,观测目标,动态已知点（轨道参数,卫星,卫星多普勒定位进入卫星定位的高级阶段,18,NNSS系统,一.概述 美国海军导航系统（navy navigation satellite system）:1958年12月，美国海军和jnhns.hopkins 大学物理实验室研制,19,Navy Navigation Satellite System,子午卫星,地面跟踪网,多普勒接受机,20,二）、系

7、统组成 1、空间部分 卫星：太阳能、稳定杆朝向地球。 卫星星座,21,2、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,22,3、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,23,四）、定位方法,1、单点定位： 100次卫星通过，精度3-5米。导航。 2、联测定位: 精度公式： m=(1.5m+4.410-6D)/n1/2 3、短弧定位： 将卫星坐标作为未知数求定,24,CICADA系统,1965年，原苏联海军建立的一个与NNSS相似的多普勒定位系统

8、 由于此系统的导航电文没有公开，许多技术资料和用户设备至今鲜为人知,25,DORIS系统,20世纪80年代由法国国家空间中心和国家大地测量研究所共同研发。 它采用定位的“反向” 工作模式,26,多普勒定位的优点,经济快速 精度较高 不受天气和时间限制 可获得测站的三维地心坐标,因此世界很多国家和地区都引进了卫星多普勒技术为本国服务,对导航定位技术的发展具有划时代的意义,27,衡量卫星导定位系统的项四技术指标,可用性（availability,精度（accuracy,完好性（integrity,连续性（continuity,28,多普勒定位的缺点,1.卫星少，不能连续实时导航定位,2.轨道低，难

9、以实现精密定轨,3.频率低，难以补偿电离层效应的影响,它的上述缺陷造成了应用上的巨大限制，为满足军事和民用部门对连续实时定位和导航的需求，便产生了第二代卫星定位导航系统GPS卫星全球定位系统,29,第二节.GPS全球定位系统,GPS系统简介 GPS系统组成 GPS系统的特点 GPS系统的未来,30,一.GPS系统简介,1973年12月美国国防部批准它的陆海空三军联合研制一种新的卫星全球导航系统NAVSTAR/GPS,系统总投资300亿美元，由专设的联合办公室负责实施,31,GPS系统的研制计划,方案论证,工程研制,生产作业,系统改进,32,二.GPS系统组成,卫星部分,地面监控部分,用户设备,

10、33,空间部分（Space Segment,1、GPS卫星星座,34,35,36,2 GPS卫星类型,1)试验卫星：Block,2)工作卫星：Block,37,GPS Constellation,Block I vehicle numbers (SVN) 1 through 11 launched between 1978 and 1985 concept validation satellites developed by Rockwell International circular orbits inclination 63 deg one Cesium and two Rubidium

11、 clocks design life of 5 years (majority performed well beyond their life expectancy,38,GPS Constellation,Block II vehicle numbers (SVN) 13 through 21 launched between 1989 and 1990 full scale operational satellites developed by Rockwell International nearly circular orbits inclination 55 deg two Ce

12、sium and two Rubidium clocks design life of 7.3 years AS/SA capabilities,39,GPS Constellation,Block IIA vehicle numbers (SVN) 22 through 40 launched since 1990 (18 out of 19) second series of operational satellites developed by Rockwell International nearly circular orbits inclination 55 deg two Ces

13、ium and two Rubidium clocks design life of 7.3 years AS/SA capabilities,40,GPS Constellation,Block IIR vehicle numbers (SVN) 41 through 62 total of 6 launched (1 unsuccessful) operational replenishment satellites developed by Lockheed Martin nearly circular orbits inclination 55 deg one Cesium and t

14、wo Rubidium clocks design life of 7.8 years AS/SA capabilities,41,GPS Constellation,Block IIF will be launched between 2003 and 2010 operational follow on satellites nearly circular orbits inclination 55 deg design life of 10 years will carry an inertial navigation system will have an augmented sign

15、al structure (third frequency) as of 2005,42,GPS Constellation,Block III In November 2000, Lockheed Martin and Boeing were each awarded a $16-million, 12-month study contract by the Air Force to conceptualize the next generation GPS satellite, which will be known as GPS Block-3. First launch expecte

16、d in 2009,43,3 GPS卫星主要设备,太阳能电池板,原子钟（2台铯钟、2台铷钟、氢钟,信号生成与发射装置,44,4 GPS卫星作用,发送导航定位信号,接收地面注入站发送到卫星的导航电文和其他有关信息,接收地面主控站通过注入站发送到卫星调度命令,利用原子钟提供精密的时间标准，启用备用时钟,45,地面部分(Control Segment,46,1个主控站: 位于美国本土：由科罗拉多监控站兼任,1）.监测整个系统 2）.编算导航电文 3）.提供时间基准 4）.诊断状态调度卫星,47,3个注入站,将主控站传送来的导航电文发送给卫星,48,5个监测站,1）、监测到卫星的伪距和积分多普勒。 2

17、）、监测卫星时钟和工作状态数据 3）、监测监测站自身的状态数据,49,用户部分 （User Segment,用户通过接收设备接受GPS信号，实现导航和定位,the cool man,GPS信号接收机,其它仪器设备,50,一.用户,1.军方,2.民间用户,51,二.接收设备,硬件： GPS接收机及其天线、微处理机及其终端设备以及电源等。其中接收机和天线是核心部分，习惯上统称为GPS接收机,52,软件：数据处理软件,53,GPS信号接收机,它是实现GPS卫星导航定位的终端仪器,它是一种能够接受、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的无线电接受设备,1.概述,既具有常用无线电接收的共性,又具有捕捉

18、、跟踪和处理卫星微弱信号的特性,54,2.接收机分类,GPS信号接收机,接收机用途,工作原理,所接收的卫星信号频率,接收机信号通道类型,导航型 测量型 授时型,码型 无码型 混合型,单频接收机（L1） 双频接收机（L1+L2,多通道接收机 序贯通道接收机 多路复用通道接收机,55,1）、导航型接收机： （1）、 接收信号： （2）、接收机特点： （3）、应用,GPS导航信息、C/A码、P码,一体化 、手持或手表型,A、定位精度3-20米左右。 B、主要应用于各种载体的米级导航,56,2）、定时型接收机,用于天文台或地面监测站进行时间测定和频率控制,57,3）、测地型接收机 （1）接收信号： （

19、2）接收机特点,导航信息、C/A码伪距、P码伪距、L1载波相位、L2载波相位,一体化,分体设计,58,测地型接收机的应用,大地测量和工程控制测量：厘米级精度，测后数据处理,RTD(real time differential GPS,RTK(real time kinematic GPS,59,三、 GPS的特点,1.全能性、全球性、全天候、连续性和实时的导航、定位和定时,60,2.能够用于运动载体的七维状态参数和三维姿态参数测量,导航定位信号,61,Grime Trax,62,3.用途广泛，操作简单,大地测量学,地球动力学,地球物理学,天体力学,载人航天学,全球海洋学,全球气象学,63,GP

20、S系统的出现，也导致了测绘行业的一次深刻的革命,观测站之间无需通视,I cannt find you madom,But its ok guy!,64,三、 GPS的加密措施,一、精密定位服务与标准定位服务 1）精密定位服务（510m）：PPS 美国军方使用，包括： L1：C/A码，P码； L2：P码； 消除SA的密匙，导航电文。 2）标准定位服务（100m）：SPS 出于经济考虑，83年提供民用。 L1：C/A， 导航电文。 二、A-S措施 P码保密，只有美国军方可用，后来被解密。美国引入W码，并将P码与W码进行模二相加得Y码，难以破解,65,三、SA政策 84年民用结果，精度远高于100m

21、，美国为保证自身安全，1990年3月25日起对民用信号进行干扰，包括： 技术：干扰卫星星历； 技术：干扰定位信号。 因美国国内的就业压力及国际竞争，1996年3月29日，克林顿宣布10年内终止SA， 2000年5月2日终止，但可随时在区域内恢复。 四、政策调整与技术更新 1、美国对GPS的政策调整与技术改进 1）政策调整 （1）1983年提供民用； （2）1990年实施SA政策； （3）2000年5月取消SA； （4）1999年决定既保证军用安全，又提高民用精度,66,2）技术改进,2、GPS应用的最新发展,1）精密单点定位ppp； 2）GPS测高程； 因精确的大地水准面模型已建立，目前GPS

22、可代替三等水准。如图 3）室内GPS接收机。 发展趋势：高精度，快速，小型，自动，抗遮挡，抗电磁干扰,67,第三节. 其他的卫星导航系统,GLONASS全球导航定位卫星系统,Galileo卫星导航定位系统,北斗双星导航定位系统,GPS外部增强系统-WAAS和EGNOS,68,GLONASS,CICADA系统,Parus军用卫星导航系统,民用卫星导航系统,GLONASS系统,24,1,69,地面控制,用户设备,卫星星座,70,71,72,目前有21颗在轨卫星,可以覆盖95%俄罗斯国土面积,86%世界面积,定位精度达1.5米,73,74,75,系统控制中心,76,CTS,77,GPS/GLONASS 接受机,78,优越性,可接受卫星数目增多，改善卫星几何分布，提高定位精度,削弱系统生产国对各自定位系统的控制,减少遮挡物对定