武汉大学GPS原理与数据处理绪论

武汉大学GPS原理与数据处理绪论第1页/共41页GPS首先想到什么？GPS能够干什么？谁的手机上有GPS？谁会用GPS？第2页/共41页GPS的应用导航授时定位测量导航型GPS接收机测量型GPS接收机第3页/共41页课程基本情况教材《GPS测量与数据处理》《GPS测量操作与数据处理》考核平时成绩（考勤、作业、实习）40%期末考试60%第4页/共41页课程主要内容全球定位系统的组成及信号结构GPS定位中的误差源距离测量与GPS定位GPS定位的坐标系统和时间系统GPS测量数据处理GPS测量的技术设计与数据采集教学日历第5页/共41页第一章绪论全球定位系统的产生、发展GPS在各个领域中的应用美国政府的GPS政策其他卫星导航系统的概况第6页/共41页GPS全称？§1.1

全球定位系统的产生、发展GPS的含义：全球定位系统NavigationSystem

withTimingAndRanging/

GlobalPositioningSystemNavSTAR/GPS授时与测距导航系统/全球定位系统简称GPS第7页/共41页人造地球卫星成功发射后，卫星定位经历了三个发展阶段：卫星三角测量卫星多普勒测量GPS卫星定位测量1957年苏联官方公布的卫星照片第8页/共41页SS1aACBSS1cS1S’S2cS’S2aS21、卫星三角测量原理卫星仅作为一种空间动态观测目标，由地面通过拍摄卫星的位置而测定地面点的坐标。第9页/共41页2、卫星多普勒定位测量美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室的吉尔博士和魏芬巴哈博士指出，利用地面跟踪站上的多普勒测量资料可以精确确定卫星轨道麦克卢尔博士和克什纳博士指出，对一颗轨道已被确定的卫星进行多普勒测量，则可以确定用户的位置第10页/共41页2、卫星多普勒定位测量定位原理是基于“多普勒效应”。fsfr第11页/共41页3、子午卫星系统简介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（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）利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统美国研制、建立1958年12月在克什纳博士的领导下开始研究1964年1月建成1967年7月解密供民用第12页/共41页3、子午卫星系统简介系统参数卫星数：6颗轨道数：6个轨道夹角：30°轨道倾角：90°卫星高度：1075km运行周期：107min载波频率：400、150MHz第13页/共41页3、子午卫星系统简介局限性一次定位所需时间过长不是连续的、独立的卫星导航系统效率低、精度低第14页/共41页4、全球定位系统的产生、发展距离交会第15页/共41页4、全球定位系统的产生、发展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；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。试验表明，GPS定位精度远远超过设计标准第16页/共41页4、全球定位系统的产生、发展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1993年7月在轨正常运行卫星达到24颗，美国于同年12月宣布，GPS具备IOC（InitialOperationalCapability）1995年4月27日，GPS达到FOC–

完全运行能力（FullOperationalCapability）第17页/共41页§1.2

GPS在各个领域中的应用1、GPS在军事中的应用GPS导航的导弹第18页/共41页§1.2

GPS在各个领域中的应用2、GPS在交通运输业中的应用航运、航空搜索陆路交通（车辆导航、监控）船舶远洋导航和进港引水第19页/共41页3、GPS在测量中的应用建立和维持全球性的参考框架第20页/共41页3、GPS在测量中的应用板块运动和监测第21页/共41页3、GPS在测量中的应用建立各级国家平面控制网第22页/共41页3、GPS在测量中的应用布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量第23页/共41页第24页/共41页在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用第25页/共41页4、GPS在其他领域中的应用精细农业遥感卫星定轨资源勘探GPS气象学个人旅游及野外探险电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递…第26页/共41页§1.3

美国政府的GPS政策1、SPS与PPSStandard

Positioning

Service

(标准定位服务)使用C/A码，民用水平±100m垂直±150-170m时间±340nsPrecisePositioningService(精密定位服务)可使用P码，军用水平±22m垂直±27.7m时间±200ns第27页/共41页Selective

Availability（选择可用性）1990.3.25~2000.5.1人为降低普通用户的测量精度。方法:ε技术：降低星历精度（加入随机变化）δ技术：卫星钟加高频抖动（短周期，快变化）Anti-Spoofing（反电子欺骗）1994.1.31~至今P码加密，P+WY2、SA和AS技术第28页/共41页3、GPS现代化在Block

IIＲ卫星的L2载波上调制C/A码，在Block

II

F卫星中增加f=1176.45MHz的民用频率；增强卫星信号强度，增加抗干扰能力；增设新的军用码(M码)，与民用码分开，并具有更好的保密性和抗干扰能力；使用新技术，以阻止或干扰敌方使用GPS；军用接收机具有更好的保护装置，特别是抗干扰能力，具有快速初始化功能。第29页/共41页§1.4

其他卫星导航定位系统概况开发者：俄罗斯（前苏联）系统构成：卫星星座、地面控制部分、用户设备卫星数：24颗轨道数：3个轨道倾角：64.8

°高度：19390km运行周期：11h15min44s1、GLONASS(GLObalNAvigationSatelliteSystem)第30页/共41页GLONASS卫星星座GLONASS卫星第31页/共41页卫星运行状况从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目前，俄罗斯重新补充了一些新的卫星，GLONASS系统有23颗卫星在轨。第32页/共41页2、伽利略卫星导航定位系统（Galileo）2002年3月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°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，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用第33页/共41页2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GIOVE-A）成功进入高度为2.3万km的预定轨道。2006年1月12日，GIOVE-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；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。原计划2008年，推迟至2014年第34页/共41页Galileo卫星第35页/共41页3、北斗卫星导航系统我国自行研制系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。空间部分包括2~3颗地球同步轨道卫星用户终端分为：定位、通信终端；差分、校时终端；集团用户管理站终端第36页/共41页第37页/共41页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第38页/共41页3、北斗卫星导航系统与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。但也存在着明显的不足和差距：如用户隐蔽性差；无测高和