GPS技术与应用绪论上课用

1、数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样1主要内容主要内容: GPS概述概述 全球定位系统的发展全球定位系统的发展 GPS定位原理定位原理其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GPS的主要应用领域的主要应用领域数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样21.1 1.1 GPS概述概述 1、什么是、什么是GPS？ GPS（Global Positioning System-全球定位系统）是美国全球定位系统）是美国国防部主要为满足军事部门对国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高海

2、上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位而建立的精度导航和定位而建立的.从本从本世纪世纪70年代开始研制，历时年代开始研制，历时20年，耗资年，耗资200亿美元，于亿美元，于1994年年全面建成，是一具有在海、陆、全面建成，是一具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与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能力的新一代卫星导航与定位系统。定位系统。数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样31.2 1.2 全球定位系统的发展全球定位系统的发展 子午卫星导航系统子午卫星导航系统系统简介系统简介nNNSS Navy Navigatio

3、n Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为子午卫星系统n利用多普勒效应进行导航定位，多普勒定位具有经济快速、精度均匀、不受天气和时间限制等优点n美国研制、建立（1964.1建成）n开创了海空导航的新时代，揭开了卫星大地测量学的新篇章子午卫星子午卫星星座数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样4绪论绪论GPS的发展的发展1.2 1.2 全球定位系统的发展全球定位系统的发展 n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n导航定位精度低n卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响n卫

4、星轨道低，难以进行精密定轨TRANSIT系统 卫星：6颗 极地轨道 轨道高度：1075km 信号频率：400MHz、150MHz 绝对定位精度：1m 相对定位精度：0.1m0.5m 定位原理：多普勒定位 存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。子午卫星导航系统子午卫星导航系统系统缺陷数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样5绪论绪论GPS的发展的发展1.2 1.2 全球定位系统的发展全球定位系统的发展 随着军事和民用对连续实时随着军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，新一代和三维导航的迫切要求

5、，新一代卫星导航系统应运而生，这就是卫星导航系统应运而生，这就是目前所称的目前所称的“全球定位系统全球定位系统” 。 卫星定位技术发展到了一个卫星定位技术发展到了一个辉煌的历史阶段。辉煌的历史阶段。数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样6绪论绪论 GPSGPS的发展的发展1.2 1.2 全球定位系统的发展全球定位系统的发展 （1）GPS系统经历了三个阶段： 方案论证（19741978年） 系统论证（19791987年） 生产实验（19881993年） 系统总投资200300亿美元。 数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学

6、 测绘学院测绘学院影像影像采样采样7绪论绪论GPS的发展的发展1.2 1.2 全球定位系统的发展全球定位系统的发展 GPS的发展简史的发展简史方案论证阶段方案论证阶段 w 1973年12月，美国国防部批准研制GPS。w 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功。w 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。 数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样8绪论绪论GPS的发展的发展1.2 1.2 全球定位系统的发展全球定位系统的发展 GPS的发展简史的发展简史全面研制和试验阶段全面研制和试验阶段 w

7、 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。 数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样9绪论绪论GPS的发展的发展1.2 1.2 全球定位系统的发展全球定位系统的发展 GPS的发展简史的发展简史生产试验生产试验 w 1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。w 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。w 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。w 1995年7月17日，GPS达到FOC 完全运行能力

8、（Full Operational Capability）。10绪论绪论 GPS的发展的发展1.21.2全球定位系统的发展全球定位系统的发展 w GPS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w 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w 定位原理定位原理距离交会距离交会w 测距原理测距原理被动式电磁波测距被动式电磁波测距w 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11控控 制制 部部 分分 1 个个 主主 控控 站站 5 个个 监监 控控 站站空空 间间

9、 部部 分分 导导 航航 卫卫 星星 : 导导 航航 信信 息息 卫卫 星星 时时 和和 卫卫 星星 钟钟 24 颗颗 卫卫 星星 20200 Km用用 户户 设设 备备 部部 分分 接接 受受 卫卫 星星 信信 号号12 2424颗卫星颗卫星(21+3)(21+3) 6 6个轨道平面个轨道平面 5555轨道倾角轨道倾角 20200km20200km轨道高度轨道高度( (地面高度地面高度) ) 1212小时小时( (恒星时恒星时) )轨道周期轨道周期 5 5个多小时出现在地平线以上个多小时出现在地平线以上( (每颗星每颗星) 目前在轨实际运行的卫星个数已经超目前在轨实际运行的卫星个数已经超过过

10、3232颗颗空间部分13地面监控部分 地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入站。 主控站一个，设在科罗拉多。它对地面监控部分实行全面控制。主控站主要任务是： 协调管理地面监控系统 收集并处理各监测站对GPS卫星的全部观测数据，并编制导航电文送到注入站 负责纠正卫星的轨道偏离，启用备用卫星14 监测站,是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。现有五个地面站均具有监测站的功能，分别设在科罗拉多、印度洋的迭哥加西亚、南大西洋的阿松森岛和南太平洋的卡瓦加兰及夏威夷。 监测站设有GPS用户接收机、原子钟、气象参数测试仪和计算机。监测站的主要任务是为主控站提供卫星的

11、观测数据。15 注入站有3个，分别设在迭哥加西亚、阿松森岛和卡瓦加兰。 注入站的主要设备，包括一台直径为3.6m的天线、一台C波段发射机和一台计算机。 其主要任务是将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。16GPSGPS地面监控系统分布图：地面监控系统分布图：17（三） 用户设备部分 GPS信号接收机1、接收机作用 捕获、接收、跟踪卫星信号，并对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 即：“捕获、接收、跟踪、变换、测量”。接收、跟踪、变换和测量GPS信号

12、的设备18（四）GPS 系统的特点系统的特点 （1）定位精度高定位精度高 （2）观测时间短观测时间短 （3）测站间无需通视测站间无需通视 （4）可提供三维坐标可提供三维坐标 （5）操作简便操作简便 （6）全天候作业全天候作业 （7）功能多，应用广功能多，应用广 19XllVl Xl lll GPS 1.3 GPS定位原理定位原理20XllVlXllllllllVVVllVlllXlXGPS 1.3 GPS定位原理定位原理21XllVlXllllVll 1.3 GPS定位原理定位原理22XllVlXllllllllVVVllVlllXlX距离 = 传播时间 x 光速 GPS 1.3 GPS定位原

13、理定位原理234 段段 距距 离离 解解 决决 了了 纬纬 度，经度，经 度，高度，高 程程 和和 时时 间间 四四 个个 未未 知知 数数这这 就就 类类 似似 于于 测测 边边 交交 会会 问问 题题 的的 解解 决决 原原 理理GPS 1.3 GPS定位原理定位原理ADCB24222222222222()()()()()()()()()()()()AAAABBBBCCCCDDDDxxyyzzCtxxyyzzCtxxyyzzCtxxyyzzCt 1.3 GPS定位原理定位原理251.3 GPS定位原理数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采

14、样261.4 1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统）w 开发者n俄罗斯（前苏联）w 系统构成n卫星星座n地面控制部分n用户设备数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样271.4 1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS constellationGLONASS satellite数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样281.4 1.4 其它卫星导航定位

15、系统其它卫星导航定位系统 w GLONASS与GPS的比较参 数GLONASSNAVSTAR GPS系统中的卫星数213213轨道平面数36轨道倾角64.8 55轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMA(频分多址)CDMA(码分多址)L1频率16021615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率12461256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样291.4 1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 w GLONA

16、SS卫星卫星n20世纪70年代中期开始启动GLONASS计划n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。n1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力nGLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。n目前有15颗工作卫星，据计划，2011年俄“格洛纳斯”卫星将达到30颗。 数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样301.4 1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 伽俐略伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统背景：背景：GLONASS在

17、轨卫星缺失，在轨卫星缺失，GPS独霸市场独霸市场 GLONASS、GPS均由军方控制均由军方控制 欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统导航系统 特点：共享的独立于特点：共享的独立于GPS的适于海陆空的系统。的适于海陆空的系统。参股共建，收费。参股共建，收费。数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样311.4 1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 伽俐略伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统n2002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。

18、nGalileo卫星星座将由27颗工作卫星和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。n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。数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样321.4 1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 w 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，GlO

19、VE-A已开始向地面发送信号。w 2008年4月27日，“伽利略”系统的第二颗实验卫星才升空 。w “伽利略”系统将从2014年起投入运营。 数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样331.4 1.4 其它卫星导航定位系统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 w 我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道，此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道，标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统BD1。数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术

20、大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样341.4 1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 北斗1代卫星导航系统组成图w “北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。w 一代“北斗”是区域卫星导航系统，只能全天候、全天时用于中国及其周边地区数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样351.4 1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 北斗系统三大功能北斗系统三大功能快速定位：快速定位：可提供全天候、高精度、快速实时定位服务，定位精度20100m；短报文通信短报文通信：一次传送40-60个汉字短报

21、文信息；精密授时：精密授时：20ns-100ns时间同步精度。36绪论绪论其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统1.4 1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 中国北斗定位导航系统示意图 数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样37绪论绪论GPS应用特点应用特点1.5 1.5 GPS应用特点应用特点 GPS应用于导航定位的特点应用于导航定位的特点w全球地面连续覆盖全球地面连续覆盖w功能多，精度高功能多，精度高w实时定位速度快实时定位速度快w抗干扰性好，保密性强抗干扰性好，保密性强数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技

22、术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样38绪论绪论GPS应用特点应用特点1.5 1.5 GPS应用特点应用特点 GPS应用于测量的特点应用于测量的特点w观测站间无需通视观测站间无需通视w定位精度高定位精度高w观测时间短，效率高观测时间短，效率高w提供三维坐标提供三维坐标数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样39绪论绪论GPS应用特点应用特点1.5 1.5 GPS应用特点应用特点 w操作简便，自动化程度高操作简便，自动化程度高w成本低，经济效益好成本低，经济效益好w全天候作业全天候作业GPS应用于测量的特点应用于测量的特点数字摄影测量数字摄

23、影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样40绪论绪论GPS的主要应用领域的主要应用领域1.6 1.6 GPS的主要应用领域的主要应用领域 GPS在测量中的应用在测量中的应用w 建立和维持全球性的参考框架数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样41绪论绪论GPS的主要应用领域的主要应用领域1.6 1.6 GPS的主要应用领域的主要应用领域 w 板块运动和监测GPS在测量中的应用在测量中的应用数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样42绪论绪论GPS的主要应用领

24、域的主要应用领域1.6 1.6 GPS的主要应用领域的主要应用领域 GPS在测量中的应用在测量中的应用w 建立各级国家平面控制网数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样43绪论绪论GPS的主要应用领域的主要应用领域1.6 1.6 GPS的主要应用领域的主要应用领域 w 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量GPS在测量中的应用在测量中的应用市话网市话网市话网市话网市话网深深圳圳市市连连续续运运行行卫卫星星定定位位导导航航服服务务系系统统结结构构及及通通信信网网络络示示意意图图市电信局监控分析中心卫星定位信号发射台FM电台基准站1基准

25、站2基准站3基准站4基准站5进入移动电话系统用户用户全向天线定向天线Modem数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样44绪论绪论GPS的主要应用领域的主要应用领域1.6 1.6 GPS的主要应用领域的主要应用领域 GPS在测量中的应用在测量中的应用w 在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样45绪论绪论GPS的主要应用领域的主要应用领域1.6 1.6 GPS的主要应用领域的主要应用领域 GPS在军事在军事中的应用中的应用GPS导航的舰载飞弹 配备G

26、PS的士兵 美国海军核潜艇 数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样46绪论绪论GPS的主要应用领域的主要应用领域1.6 1.6 GPS的主要应用领域的主要应用领域 GPS在交通运输业中的应用在交通运输业中的应用w 航运、航空搜索w 陆路交通（车辆导航、监控）w 船舶远洋导航和进港引水数字摄影测量数字摄影测量 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 测绘学院测绘学院影像影像采样采样47绪论绪论GPS的主要应用领域的主要应用领域1.6 1.6 GPS的主要应用领域的主要应用领域 GPS在其他领域中的应用在其他领域中的应用w 精细农业w 遥感w 卫星定轨w 资源勘探w 个人旅游及野外探险w 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递w .48复习思考题 1、美国、俄罗斯、欧盟及我国的导航定位系统分别为 、 、 、 。 2、 GPS系统由哪些部分组成？ 3、地面监控部分由哪几部分构成