GPS基本原理緒論課件

GPS原理與應(yīng)用第一章GPS基本原理緒論1GPS原理與應(yīng)用第一章GPS基本原理緒論1教材及主要參考資料教材《GPS測(cè)量原理及應(yīng)用》徐紹銓編著武漢大學(xué)大學(xué)出版社（第三版）2007年主要參考資料《GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法》劉基余編著科學(xué)出版社2003年《GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理

》李征航等武漢大學(xué)出版社2005年第一章GPS基本原理緒論2教材及主要參考資料教材第一章GPS基本原理緒論2考核辦法一、考核方式：考核方法為卷面考試加實(shí)驗(yàn)、查看實(shí)驗(yàn)報(bào)告相結(jié)合的方式進(jìn)行。二、成績(jī)?cè)u(píng)定課程閉卷考試成績(jī)、實(shí)驗(yàn)成果、平時(shí)成績(jī)有機(jī)結(jié)合評(píng)定該課程成績(jī)閉卷考試成績(jī)占總成績(jī)70％平時(shí)成績(jī)總成績(jī)30％第一章GPS基本原理緒論3考核辦法一、考核方式：第一章GPS基本原理緒論3課程內(nèi)容第一章緒論第二章坐標(biāo)系統(tǒng)和時(shí)間系統(tǒng)第三章GPS衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)及衛(wèi)星星歷第四章GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航電文和衛(wèi)星信號(hào)第五章GPS定位基本原理第六章GPS應(yīng)用第一章GPS基本原理緒論4課程內(nèi)容第一章緒論第一章GPS基本原理緒論4第一章緒論定位技術(shù)的概況GPS系統(tǒng)組成其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS應(yīng)用本章內(nèi)容安排第一章GPS基本原理緒論5第一章緒論定位技術(shù)的概況本章內(nèi)容安排第一章GPS基本原理緒§1.1定位技術(shù)概況一、定位方法1、原始的定位方法利用天體進(jìn)行定向：日、月、特別的星體利用自然現(xiàn)象：植物的生長(zhǎng)態(tài)勢(shì)（如苔蘚）采用人造的器械：司南，指南針利用人工建筑：烽火臺(tái)第一章GPS基本原理緒論6§1.1定位技術(shù)概況一、定位方法第一章GPS基本原理緒論62、常規(guī)定位方法采用的儀器設(shè)備尺：鋼尺光學(xué)儀器：經(jīng)緯儀，水準(zhǔn)儀激光和紅外儀器：測(cè)距儀綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀無(wú)線電、微波儀器：雷達(dá)觀測(cè)方法角度或方向觀測(cè)距離觀測(cè)距離差觀測(cè)第一章GPS基本原理緒論72、常規(guī)定位方法采用的儀器設(shè)備第一章GPS基本原理緒論73、常規(guī)（地面）定位方法的局限性觀測(cè)點(diǎn)之間需要保證通視需要架設(shè)高大的天線邊長(zhǎng)受到限制觀測(cè)難度大效率低：無(wú)用的中間過(guò)渡點(diǎn)需要事先布設(shè)大量的地面控制點(diǎn)/地面站無(wú)法同時(shí)精確確定點(diǎn)的三維坐標(biāo)觀測(cè)受氣候、環(huán)境條件限制受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光難以確定地心坐標(biāo)第一章GPS基本原理緒論83、常規(guī)（地面）定位方法的局限性觀測(cè)點(diǎn)之間需要保證通視第一1957年10月4日，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星“斯普特尼克1號(hào)”，正式開(kāi)啟了人類的“太空時(shí)代”。人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，首先引起了各國(guó)軍事部門(mén)的高度重視。衛(wèi)星導(dǎo)航二、第一代衛(wèi)星導(dǎo)航-（子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）第一章GPS基本原理緒論91957年10月4日，前蘇聯(lián)成功發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)101958年底，美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始著手建立為美國(guó)海軍艦艇導(dǎo)航的衛(wèi)星系統(tǒng)，即“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（NavyNavigationSatelliteSystem——NNSS）。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星都通過(guò)地極，也稱“子午(Transit)衛(wèi)星系統(tǒng)”。1964年該系統(tǒng)建成，并在美國(guó)軍方啟用。1967年美國(guó)政府批準(zhǔn)該系統(tǒng)解密，提供民用。該系統(tǒng)不受氣象條件的限制，自動(dòng)化程度高，具有良好的定位精度。二、第一代衛(wèi)星導(dǎo)航-（子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）第一章GPS基本原理緒論10101958年底，美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始著手建立為美國(guó)海軍建立國(guó)家:美國(guó)美國(guó)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（NavyNavigationSatelliteSystem,NNSS)。又稱子午儀系統(tǒng)，于1964年1月建成，1967年7月29日美國(guó)政府批準(zhǔn)將該系統(tǒng)解密，并提供民用。

系統(tǒng)構(gòu)成衛(wèi)星跟蹤站注入站海軍氣象臺(tái)計(jì)算中心船載設(shè)備特點(diǎn)全球全天候二、第一代衛(wèi)星導(dǎo)航-（子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）第一章GPS基本原理緒論11建立國(guó)家:美國(guó)系統(tǒng)構(gòu)成二、第一代衛(wèi)星導(dǎo)航-（子午衛(wèi)星導(dǎo)1、第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-概況子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星(右圖)衛(wèi)星數(shù)量：發(fā)射的正式導(dǎo)航衛(wèi)星共有六顆運(yùn)行軌道：圓形極軌道，平均高度1071km，軌道傾角約90°，各導(dǎo)航衛(wèi)星的軌道相交于地球的兩極運(yùn)行周期：107min左右發(fā)射信號(hào)：連續(xù)發(fā)射無(wú)線電信號(hào)，傳遞三種導(dǎo)航信息(衛(wèi)星星歷表、偶數(shù)分鐘的時(shí)間信號(hào)和供多普勒頻移測(cè)量用的399.968MHz和149.988MHz的載波頻率)定位精度：1968年測(cè)定的精度為70m，1976年提高到30m子午儀導(dǎo)航星座第一章GPS基本原理緒論121、第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-概況子午儀導(dǎo)航衛(wèi)星(右圖)子午儀導(dǎo)航2、衛(wèi)星多普勒定位技術(shù)多普勒效應(yīng)：當(dāng)波源與觀測(cè)者作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源發(fā)射頻率與觀測(cè)者接收頻率之間發(fā)生變化。當(dāng)子午衛(wèi)星以fs的頻率發(fā)射信號(hào)時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，接收機(jī)所接受的信號(hào)的頻率將變?yōu)閒r，兩個(gè)頻率存在下列關(guān)系D：為信號(hào)源與接收機(jī)間的距離C：為真空中的光速；第一章GPS基本原理緒論132、衛(wèi)星多普勒定位技術(shù)多普勒效應(yīng)：當(dāng)波源與觀測(cè)者作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)3、子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)NNSS在導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展中具有劃時(shí)代的意義，但由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目少（5-6顆），運(yùn)行軌道低（1000km）,觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)（1.5小時(shí)），無(wú)法提供連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航。獲得一次導(dǎo)航解的時(shí)間長(zhǎng)，難以滿足軍事要求，尤其是高動(dòng)態(tài)目標(biāo)（飛機(jī)、導(dǎo)彈等）導(dǎo)航要求。從大地測(cè)量看，定位速度慢，一個(gè)測(cè)站一般平均觀測(cè)1-2天；精度低，單點(diǎn)定位精度3-5m，相對(duì)定位精度1m，使得在大地測(cè)量和地球動(dòng)力學(xué)研究方面的應(yīng)用，也受到很大限制。第一章GPS基本原理緒論143、子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)NNSS在導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展中具有劃時(shí)3、子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)為滿足軍事和民用對(duì)連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求，1973年美國(guó)國(guó)防部開(kāi)始組織陸?？杖?，共同研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)劃，這就是目前所稱的“導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)測(cè)距/全球定位系統(tǒng)”（NavigationSatelliteTimingandranging/GlobalPositioningSystem）簡(jiǎn)稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。GPS具有高精度連續(xù)實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航和定位能力，以及良好的抗干擾性能。第一章GPS基本原理緒論153、子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的缺點(diǎn)為滿足軍事和民用對(duì)連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)§1.2GPS系統(tǒng)一、GPS定義二、GPS系統(tǒng)的發(fā)展三、GPS系統(tǒng)組成第一章GPS基本原理緒論16§1.2GPS系統(tǒng)一、GPS定義第一章GPS基本原理緒論§1.2GPS系統(tǒng)一、GPS定義GPS的英文全稱是NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem（衛(wèi)星測(cè)時(shí)與測(cè)距全球定位系統(tǒng)），簡(jiǎn)稱GPS,也稱作NAVSTARGPS。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無(wú)線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有全能性、全球性、全天侯、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位和定時(shí)的功能。能為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時(shí)間。第一章GPS基本原理緒論17§1.2GPS系統(tǒng)一、GPS定義第一章GPS基本原理緒論二、GPS系統(tǒng)的發(fā)展第一階段為方案論證階段（1973-1979）第二階段為系統(tǒng)論證階段（1979-1985）第三階段為生產(chǎn)實(shí)施階段（1986-1994）GPS計(jì)劃的實(shí)施共分三個(gè)階段：第一章GPS基本原理緒論18二、GPS系統(tǒng)的發(fā)展第一階段為方案論證階段（1973-197二、GPS系統(tǒng)的發(fā)展第一階段（1973-1979）方案論證和初步設(shè)計(jì)。4顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星、部分地面接收設(shè)備。1973年國(guó)防部批準(zhǔn)GPS系統(tǒng)的Navstar衛(wèi)星制造計(jì)劃;1974年為檢驗(yàn)銣鐘和時(shí)間傳播技術(shù),Timation項(xiàng)目的第一顆GPS實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空;1977年第一批攜帶銫鐘的實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星發(fā)射升空,具有后來(lái)GPS衛(wèi)星的基本特征;1978年第一顆GPS原型導(dǎo)航衛(wèi)星BlockI衛(wèi)星發(fā)射升空。第一章GPS基本原理緒論19二、GPS系統(tǒng)的發(fā)展第一階段（1973-1979）第一章GP二、GPS系統(tǒng)的發(fā)展第二階段（1979-1985）全面研制和試驗(yàn)階段。這一時(shí)期共發(fā)射七顆試驗(yàn)衛(wèi)星，GPS試驗(yàn)衛(wèi)星BlockI衛(wèi)星達(dá)到11顆，其它輔助系統(tǒng)建立。證實(shí)了GPS系統(tǒng)卓越的導(dǎo)航定位能力（實(shí)際偽距單點(diǎn)定位精度：20米,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：100米）。GPSBlockI第一章GPS基本原理緒論20二、GPS系統(tǒng)的發(fā)展第二階段（1979-1985）GPS二、GPS系統(tǒng)的發(fā)展第三階段（1986-1994）實(shí)際組網(wǎng)階段，24顆工作衛(wèi)星，1995年達(dá)預(yù)定工作能力。1995年4月27日,美國(guó)防部宣布：“GPS系統(tǒng)已具備完全運(yùn)行能力(FullOperationalCapability,FOC)”

從1989年2月14日至1994年，共24顆(21+3)GPS工作衛(wèi)星：BlockⅡ（9顆）、BlockⅡA（15顆）發(fā)射成功。GPSBlockⅡGPSBlockⅡA第一章GPS基本原理緒論21二、GPS系統(tǒng)的發(fā)展第三階段（1986-1994）GPSB第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-GPSGPS星座現(xiàn)狀

截止到2007年，美國(guó)的GPS系統(tǒng)共發(fā)射衛(wèi)星55顆，發(fā)射失敗2次.衛(wèi)星型號(hào)發(fā)射總數(shù)(顆)在軌正常工作(顆)BlockI110BlockII90BlockIIA1915BlockIIR1312BlockIIRM33----5530第一章GPS基本原理緒論22第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-GPSGPS星座現(xiàn)狀衛(wèi)星型號(hào)發(fā)射總數(shù)(三、GPS系統(tǒng)組成地面監(jiān)控系統(tǒng)衛(wèi)星用戶第一章GPS基本原理緒論23三、GPS系統(tǒng)組成地面監(jiān)控系統(tǒng)衛(wèi)星用戶第一章GPS基本原理緒GPS系統(tǒng)組成GPS衛(wèi)星軌道和星座

GPS系統(tǒng)衛(wèi)星星座基本參數(shù)： 衛(wèi)星數(shù)（顆） 21+3

軌道數(shù)（個(gè)） 6

傾角 55°

軌道平面間距 60°

運(yùn)行周期 11h58min

衛(wèi)星軌道高度（km） 20200

GPS衛(wèi)星星座第一章GPS基本原理緒論24GPS系統(tǒng)組成GPS衛(wèi)星軌道和星座GPS衛(wèi)星星座第一章GPGPS系統(tǒng)組成GPS衛(wèi)星作用1、接收和存儲(chǔ)由地面監(jiān)控站發(fā)來(lái)的導(dǎo)航信息，接收并執(zhí)行監(jiān)控站的控制指令。2、利用衛(wèi)星上的微處理機(jī)，對(duì)部分必要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。3、通過(guò)星載的原子鐘提供精密的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。4、向用戶發(fā)送定位信息。5、在地面監(jiān)控站的指令下，通過(guò)推進(jìn)器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用時(shí)鐘。主要設(shè)備 太陽(yáng)能電池板 原子鐘（2臺(tái)銫鐘、2臺(tái)銣鐘） 信號(hào)生成與發(fā)射裝置

第一章GPS基本原理緒論25GPS系統(tǒng)組成GPS衛(wèi)星作用第一章GPS基本原理緒論25GPS系統(tǒng)組成GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)空間段注入站監(jiān)測(cè)站主控站主控站：1個(gè); 監(jiān)測(cè)站：5個(gè);注入站：3個(gè);通訊與輔助系統(tǒng)。第一章GPS基本原理緒論26GPS系統(tǒng)組成GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)空間段注入站監(jiān)測(cè)站主控站主控地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分作用主控站：管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作，收集各監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)，編制導(dǎo)航電文，送往注入站將衛(wèi)星星歷注入衛(wèi)星，監(jiān)控衛(wèi)星狀態(tài)，向衛(wèi)星發(fā)送控制指令；衛(wèi)星維護(hù)與異常情況的處理。

地點(diǎn)：美國(guó)科羅拉多州法爾孔空軍基地。監(jiān)測(cè)站：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)衛(wèi)星并將收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。 地點(diǎn)：夏威夷、科羅拉多州法爾孔空軍基地、阿森松群島（大西洋）、迪戈加西亞（印度洋）、卡瓦加蘭（太平洋）。注入站：將導(dǎo)航電文注入GPS衛(wèi)星。

地點(diǎn)：阿森松群島（大西洋）、迪戈加西亞島（印度洋）卡瓦加蘭島（太平洋）。第一章GPS基本原理緒論27地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分作用主控站：管理、協(xié)調(diào)地面監(jiān)控系統(tǒng)各部分的GPS系統(tǒng)組成及各部分作用KwajaleinAtollUSSpaceCommandHawaiiAscensionIs.DiegoGarcia注入站主控站監(jiān)測(cè)站第一章GPS基本原理緒論28GPS系統(tǒng)組成及各部分作用KwajaleinAtollUSGPS系統(tǒng)組成地面監(jiān)控系統(tǒng)框圖第一章GPS基本原理緒論29GPS系統(tǒng)組成地面監(jiān)控系統(tǒng)框圖第一章GPS基本原理緒論29GNSS=?§1.3其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPSGLONASSGALILEOBD第一章GPS基本原理緒論30GNSS=?§1.3其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPSGLO一、GLONASS1、GLONASS系統(tǒng)構(gòu)成

2、GLONASS系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展

3、GLONASS存在的問(wèn)題

第一章GPS基本原理緒論31一、GLONASS1、GLONASS系統(tǒng)構(gòu)成

2、GLONA一、GLONASS1982年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆GLONASS(GlobalNavigationSatelliteSystem)衛(wèi)星1995年12月俄羅斯發(fā)射了一箭三星，完成24顆工作衛(wèi)星+1顆備用衛(wèi)星的布局

第一章GPS基本原理緒論32一、GLONASS1982年前蘇聯(lián)發(fā)射第一顆GLONASS1、GLONASS構(gòu)成衛(wèi)星數(shù)量:24軌道根數(shù):3運(yùn)行高度:19100KM軌道傾角:64.8°運(yùn)行周期:11h15min信號(hào)頻率:1.6×103MHz1.2×103MHz

定位精度:10米左右用途:軍民兩用

GLONASS導(dǎo)航星座

第一章GPS基本原理緒論331、GLONASS構(gòu)成衛(wèi)星數(shù)量:24GLONASS導(dǎo)航星座2、GLONASS系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展2624212018181412111087111213162226161212141210903691215182124273019871988198919901991199219931994199519961997199819992000200120022003200420052006200720082009201020112012在軌工作衛(wèi)星

GLONASS導(dǎo)航系統(tǒng)至少需要18顆衛(wèi)星才能覆蓋俄羅斯全國(guó)范圍，24顆才能覆蓋全世界范圍。GLONASS-K衛(wèi)星測(cè)試（壽命10年）GLONASS-M衛(wèi)星測(cè)試（壽命7年）GLONASS具有初步運(yùn)行能力。12顆衛(wèi)星（壽命3年）第一章GPS基本原理緒論342、GLONASS系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展GLONASS系統(tǒng)的發(fā)展23、GLONASS存在的問(wèn)題1．目前GLONASS工作不穩(wěn)定，衛(wèi)星工作壽命短，在軌衛(wèi)星只17顆，實(shí)際滿負(fù)荷運(yùn)行只有8顆；2．GLONASS用戶設(shè)備發(fā)展緩慢，生產(chǎn)廠家少，設(shè)備體積大而笨重；3．由于GLONASS采用的是FDMA，所以用戶接收機(jī)中頻率綜合器復(fù)雜；4．對(duì)GPS/GLONASS兼容接收機(jī)，需解決兩系統(tǒng)的時(shí)間和坐標(biāo)系統(tǒng)問(wèn)題。計(jì)劃推遲，建設(shè)計(jì)劃改為2008~2013年，2013年后再進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段。第一章GPS基本原理緒論353、GLONASS存在的問(wèn)題1．目前GLONASS工作不穩(wěn)定4、

GLONASS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的比較一是衛(wèi)星發(fā)射頻率不同：GPS的衛(wèi)星信號(hào)采用碼分多址體制，而GLONASS采用頻分多址體制。GLONASS可以防止整個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)被敵方干擾，因而，具有更強(qiáng)的抗干擾能力。二是坐標(biāo)系不同：GPS使用世界大地坐標(biāo)系（WGS-84），而GLONASS使用前蘇聯(lián)地心坐標(biāo)系（PE-90）。三是時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)不同：GPS系統(tǒng)時(shí)與世界協(xié)調(diào)時(shí)相關(guān)聯(lián)，而GLONASS則與莫斯科標(biāo)準(zhǔn)時(shí)相關(guān)聯(lián)。第一章GPS基本原理緒論364、GLONASS系統(tǒng)和GPS系統(tǒng)的比較一是衛(wèi)星發(fā)射頻率第一章GPS基本原理緒論37第一章GPS基本原理緒論37二、伽利略系統(tǒng)-GALILEO1、歐洲為什么要建立Galileo導(dǎo)航系統(tǒng)缺乏完好性監(jiān)測(cè)機(jī)制信號(hào)容易受到干擾20世紀(jì)七十年代建立受美國(guó)控制軍事應(yīng)用背景性能和服務(wù)受限服務(wù)沒(méi)有保障GPS系統(tǒng)的不足第一章GPS基本原理緒論38二、伽利略系統(tǒng)-GALILEO1、歐洲為什么要建立Gali2、GALILEO的特點(diǎn)由歐洲空間局(ESA)和歐盟(EU)發(fā)起并提供主要資金支持。實(shí)現(xiàn)完全非軍方控制與管理，旨在確定建立一個(gè)由國(guó)際組織控制的高效經(jīng)濟(jì)的民用導(dǎo)航及定位服務(wù)系統(tǒng)。

與其它GNSS系統(tǒng)兼容多樣化的服務(wù)保證安全性可靠性/完全歐洲控制

與其它GNSS系統(tǒng)獨(dú)立民用精度略高于GPS第一章GPS基本原理緒論392、GALILEO的特點(diǎn)由歐洲空間局(ESA)和歐盟3、GALILEO發(fā)展首顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“GIOVE－A”(GalileoIn-OrbitValidationElement)由俄羅斯“聯(lián)盟－FG”運(yùn)載火箭從哈薩克斯坦境內(nèi)的拜科努爾航天中心順利進(jìn)入太空。歐洲空間局提出建議，希望通過(guò)國(guó)際合作建立一套民用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)1982年1998年歐盟正式提出建立歐洲自己的伽利略全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)2001年4月5日歐盟交通部長(zhǎng)理事會(huì)上該計(jì)劃正式獲得批準(zhǔn)，確定總投資約為36億歐元，大部分經(jīng)費(fèi)由歐盟、歐空局提供，其他費(fèi)用由歐洲工業(yè)界和私人企業(yè)及投資商投入，系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)費(fèi)和維護(hù)費(fèi)由運(yùn)營(yíng)公司承擔(dān)。2002年3月26日歐盟15個(gè)成員國(guó)的交通部長(zhǎng)在布魯塞爾研究決定正式實(shí)施伽利略計(jì)劃。2005年12月28日發(fā)展第一章GPS基本原理緒論403、GALILEO發(fā)展首顆實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“GIOVE－A”(G4、GALILEO構(gòu)成WorldwideUsers5C波段上行上行任務(wù)站(ULS)控制中心（GCC）30監(jiān)測(cè)站(GSS)S波段上行5遙測(cè)、跟蹤、遙控站(TTC)….衛(wèi)星星座2地面段基本構(gòu)成第一章GPS基本原理緒論414、GALILEO構(gòu)成WorldwideUsers5C波段GALILEO空間部分衛(wèi)星數(shù)量30(27+3)軌道高度23616千米半長(zhǎng)軸29994千米軌道平面數(shù)3(圓形軌道)軌道傾角56度運(yùn)行周期14小時(shí)4分鐘衛(wèi)星重量700千克功率1.6千瓦衛(wèi)星壽命15--20年第一章GPS基本原理緒論42GALILEO空間部分衛(wèi)星數(shù)量30(27+3)軌道高度236第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-GALILEO伽利略控制中心遙測(cè)、跟蹤、遙控站C波段任務(wù)上行站伽利略監(jiān)測(cè)站全球局域網(wǎng)絡(luò)地面段第一章GPS基本原理緒論43第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-GALILEO伽利略控制中心地面段第自由航空；大眾市場(chǎng)；簡(jiǎn)單的定位授時(shí)加密；有保障服務(wù)開(kāi)放服務(wù)+

信號(hào)完好性加密；完好性；

連續(xù)可用性接近實(shí)時(shí)；高精度；

方便的信息反饋鏈路開(kāi)放服務(wù)GalileoOpenServiceOS

商業(yè)服務(wù)CommercialService，CS生命安全服務(wù)SafetyofLife，SoL公共特許服務(wù)PublicRegulatedService，PRS導(dǎo)航搜索救援服務(wù)SearchandRescueService,SAR搜救5、GALILEO服務(wù)范圍服務(wù)第一章GPS基本原理緒論44自由航空；大眾市場(chǎng)；加密；有保障服務(wù)開(kāi)放服務(wù)+信號(hào)完好性第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-GALILEO在全球范圍全天時(shí)提供各種導(dǎo)航服務(wù)和搜索救援服務(wù)與GPS系統(tǒng)全面兼容又相互獨(dú)立性能至少相當(dāng)于GPS(BlockIIF)衛(wèi)星以及正在研究的GPSIII系統(tǒng)避免與其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的相互干擾，特別是與現(xiàn)代化以后GPS軍用M碼設(shè)計(jì)要求第一章GPS基本原理緒論45第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-GALILEO在全球范圍全天時(shí)提供各種第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-GALILEO2001年，歐洲高層領(lǐng)導(dǎo)開(kāi)始與中國(guó)接觸，討論兩國(guó)在伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的合作;2003年10月中國(guó)與歐盟簽署了有關(guān)伽利略計(jì)劃合作協(xié)定;2004年10月中國(guó)科學(xué)技術(shù)部和歐盟委員會(huì)在北京正式簽署伽利略計(jì)劃技術(shù)合作協(xié)議，中國(guó)成為參加伽利略計(jì)劃的第一個(gè)非歐盟成員國(guó)，并成為伽利略聯(lián)合執(zhí)行體中與歐盟成員國(guó)享有同等權(quán)利和義務(wù)的一員.中國(guó)承諾向伽利略計(jì)劃投入2億歐元，其中7000萬(wàn)歐元用于支持中國(guó)參與這一計(jì)劃開(kāi)發(fā)階段的工作；中方企業(yè)將參與未來(lái)伽利略計(jì)劃特許經(jīng)營(yíng)，并投入其余的1.3億歐元，用于開(kāi)展該計(jì)劃部署階段的工作;2005年4月中方派出3名專家前往伽利略聯(lián)合執(zhí)行體工作;2005年12月中國(guó)助推的第一顆伽利略試驗(yàn)衛(wèi)星的升空，“中歐伽利略計(jì)劃”進(jìn)入全面合作階段。GALILEO與中國(guó)第一章GPS基本原理緒論46第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-GALILEO2001年，歐洲高層領(lǐng)導(dǎo)第一章GPS基本原理緒論47第一章GPS基本原理緒論47導(dǎo)航定位的方式被動(dòng)式導(dǎo)航定位的方法用戶不發(fā)射信號(hào)，僅接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)，由用戶完成對(duì)信號(hào)的處理及定位，是一種無(wú)源定位導(dǎo)航系統(tǒng)。特點(diǎn)用戶自身的保密性好，用戶數(shù)量不受限制；用戶間，用戶與地面系統(tǒng)之間無(wú)法進(jìn)行通訊。有源導(dǎo)航系統(tǒng)用戶將接收的衛(wèi)星信號(hào)發(fā)送給地面中心站，由中心站解算出用戶的位置，再以通訊方式告知用戶。除了了導(dǎo)航定位的功能還有通信的功能。彌補(bǔ)無(wú)源定位方式的不足。第一章GPS基本原理緒論48導(dǎo)航定位的方式被動(dòng)式導(dǎo)航定位的方法第一章GPS基本原理緒論4三、雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)-北斗1．北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程；2．北斗一代衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)成；3．北斗一代工作原理；4．北斗一代功能、特點(diǎn)以及缺陷；5.北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)介紹；6.

北斗系統(tǒng)與GPS的區(qū)別。第一章GPS基本原理緒論49三、雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)-北斗1．北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程三、雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)-北斗1983年，衛(wèi)星導(dǎo)航先驅(qū)陳芳允院士提出利用兩顆同步定點(diǎn)衛(wèi)星進(jìn)行導(dǎo)航定位的設(shè)想1994年國(guó)家批準(zhǔn)建設(shè)“北斗一號(hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)2000年10月31日發(fā)射第一顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星2003年5月25日發(fā)射第三顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星(備用衛(wèi)星)我國(guó)成為世界上繼美國(guó)、俄羅斯之后，第三個(gè)擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國(guó)家。2000年12月21日發(fā)射第二顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星北斗一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第一章GPS基本原理緒論50三、雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)-北斗1983年，衛(wèi)星導(dǎo)航先驅(qū)陳芳允院用戶段北斗用戶機(jī)(指揮型/通信型)?？臻g段北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)由兩顆地球靜止衛(wèi)星、一顆在軌備份衛(wèi)星(赤道面東經(jīng)80度、140度和110.5度，前兩顆衛(wèi)星位置的經(jīng)度相距60度)，軌道高度為36000公里。信息傳遞時(shí)上行為L(zhǎng)頻段，下行為S頻段。地面段地面控制中心(配備高程電子地圖)、參考標(biāo)校系統(tǒng)。北斗一代衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)成第一章GPS基本原理緒論51用戶段空間段地面段北斗一代衛(wèi)星系統(tǒng)構(gòu)成第一章GPS基本原理緒它的定位基于三球交會(huì)原理，即以2顆衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓心，各以測(cè)定的本星至用戶機(jī)距離為半徑，形成2個(gè)球面，用戶機(jī)必然位于這2個(gè)球面交線的圓弧上。中心站電子高程地圖庫(kù)提供的是一個(gè)以地心為球心、以球心至地球表面高度為半徑的非均勻球面。求解圓弧線與地球表面交點(diǎn)，并已知目標(biāo)在赤道平面北側(cè)，即可獲得用戶的二維位置。第一章GPS基本原理緒論52它的定位基于三球交會(huì)原理，即以2顆衛(wèi)星的已知坐標(biāo)為圓用戶機(jī)北斗衛(wèi)星1北斗一號(hào)中心站北斗衛(wèi)星2北斗一代工作原理雙星定位系統(tǒng)采用主動(dòng)定位方式，先由定位用戶終端接收衛(wèi)星發(fā)來(lái)的包含有測(cè)距信號(hào)、地址電文、時(shí)間碼等的詢問(wèn)信號(hào)，并注入用戶站的必要信號(hào)作為應(yīng)答信號(hào)再返回發(fā)給衛(wèi)星，由衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到地面中心，地面中心根據(jù)用戶信號(hào)測(cè)量并計(jì)算出用戶到兩顆衛(wèi)星的距離，并根據(jù)中心存儲(chǔ)的數(shù)字高程地圖或由用戶攜帶的氣壓測(cè)高儀提供高程，計(jì)算用戶的點(diǎn)位坐標(biāo)，然后置入出站信號(hào)中發(fā)送給用戶，使用戶獲得自己所在位置。第一章GPS基本原理緒論53用戶機(jī)北斗衛(wèi)星1北斗一號(hào)中心站北斗衛(wèi)星2北斗一代工作原理雙星第一章GPS基本原理緒論54第一章GPS基本原理緒論54快速定位北斗系統(tǒng)可為服務(wù)區(qū)域內(nèi)用戶提供全天候、高精度、快速實(shí)時(shí)定位服務(wù)，定位精度20-100m；短報(bào)文通信北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報(bào)文通信功能，用戶可以一次傳送40-60個(gè)漢字的短報(bào)文信息；精密授時(shí)北斗系統(tǒng)具有精密授時(shí)功能，可向用戶提供20ns-100ns時(shí)間同步精度。北斗一代功能第一章GPS基本原理緒論55快速定位短報(bào)文通信精密授時(shí)北斗一代功能第一章GPS基本原理緒自主系統(tǒng)，安全、可靠、穩(wěn)定工作方式:有源定位覆蓋范圍:北緯50_550，東經(jīng)700_1400之間定位精度:水平精度100m(1σ)，設(shè)立標(biāo)校站之后為20m(類似差分狀態(tài))最大用戶數(shù):每小時(shí)540000戶北斗一代特點(diǎn)第一章GPS基本原理緒論56自主系統(tǒng)，安全、可靠、穩(wěn)定定位精度:水平精度100m(1σ)雙星有源導(dǎo)航定位體制，只能提供低動(dòng)態(tài)和靜態(tài)導(dǎo)航定位服務(wù)需要中心站提供數(shù)字高程圖數(shù)據(jù)和用戶機(jī)發(fā)上行信號(hào)，定位精度低,隱蔽性差系統(tǒng)用戶容量、導(dǎo)航定位維數(shù)有限無(wú)冗余測(cè)距信息，在體制上不能與國(guó)際上的ＧＰＳ、“GLONASS”及將來(lái)的“伽利略”系統(tǒng)兼容北斗一代的缺陷第一章GPS基本原理緒論57雙星有源導(dǎo)航定位體制，只能提供低動(dòng)態(tài)和靜態(tài)導(dǎo)航定位服務(wù)北斗一第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-北斗空間段五顆靜止軌道衛(wèi)星和三十顆非靜止軌道衛(wèi)星組成。服務(wù)提供開(kāi)放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種服務(wù)方式：開(kāi)放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度10米，授時(shí)精度50納秒，測(cè)速精度0.2米每秒；授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶提供更安全的定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第一章GPS基本原理緒論58第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-北斗空間段北斗二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)第一章G第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-北斗

2007年4月，中國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長(zhǎng)征三號(hào)甲”運(yùn)載火箭，成功將第四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星送入太空。北斗二代的發(fā)展第一章GPS基本原理緒論59第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)-北斗2007年4月，中國(guó)在北斗系統(tǒng)與GPS的區(qū)別1、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)具備定位與雙向通信能力；GPS系統(tǒng)本身不具備通信能力。

2、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是區(qū)域性導(dǎo)航系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)是全球性導(dǎo)航系統(tǒng)。3、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由我國(guó)自主控制，GPS系統(tǒng)則是由美國(guó)軍方控制。4、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)用戶數(shù)量受到限制，GPS的用戶數(shù)量不受限制。5、北斗導(dǎo)航用戶機(jī)無(wú)導(dǎo)航處理器，GPS接收機(jī)有。第一章GPS基本原理緒論60北斗系統(tǒng)與GPS的區(qū)別1、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)同時(shí)具備定位與雙向通北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展展望改變現(xiàn)有定位方式，提高定位保密度。發(fā)展為能與GPS抗衡的全球性導(dǎo)航系統(tǒng)。幾年后，在我國(guó)用北斗導(dǎo)航全面代替GPS。第一章GPS基本原理緒論61北斗導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展展望改變現(xiàn)有定位方式，提高定位保密度。第一章§1.4GPS的應(yīng)用從GPS的提出到1995年建成，經(jīng)歷了20多年，實(shí)踐證實(shí)，GPS對(duì)人類活動(dòng)影響極大，應(yīng)用價(jià)值極高，所以得到美國(guó)政府和軍隊(duì)的高度重視，不惜投資300億美元來(lái)建立這一工程，成為繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃之后的第三項(xiàng)龐大空間計(jì)劃。它從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航和定位問(wèn)題，可以滿足各種不同用戶的需要。第一章GPS基本原理緒論62§1.4GPS的應(yīng)用從GPS的提出到1995年建成，經(jīng)歷了GPS的應(yīng)用特點(diǎn)觀測(cè)站之間不需要通視定位精度高觀測(cè)時(shí)間短提供三維坐標(biāo)操作簡(jiǎn)便全天候24小時(shí)作業(yè)功能多，應(yīng)用廣第一章GPS基本原理緒論63GPS的應(yīng)用特點(diǎn)觀測(cè)站之間不需要通視定位精度高觀測(cè)時(shí)間短提供GPS的應(yīng)用WirelessComm.UnitIn-vehicleDisplayUnitWirelessComm.UnitITS&GPSPositioningSystemITSDataBasicComm.ServerServerAVLProcessingUnitsITSDGPSRectificationWirelessComm.NetworkControlSystemModemConnection

...Comm.Tower#1

Comm.Tower#10Dispatching#1Dispatching#7ControlCentre.........PublicSafetyControlCentreBaseStationToProcessingUnitsCAD圖形系統(tǒng)AVLS區(qū)域網(wǎng)絡(luò)

-乙太網(wǎng)絡(luò)LargeProjectionScreen【W(wǎng)holeRegion／Sub-region／District】智能交通系統(tǒng)（ITS）終端用戶通信網(wǎng)指揮調(diào)度中心第一章GPS基本原理緒論64GPS的應(yīng)用WirelessIn-vehicleWirele第一章GPS基本原理緒論65第一章GPS基本原理緒論65RS——數(shù)字圖像方式提供了城市范圍內(nèi)道路與相關(guān)因子動(dòng)態(tài)變化信息，在GIS中作為電子數(shù)字地圖使用，也可用遙感圖像更新道路數(shù)據(jù)庫(kù)。GPS——提供車輛目前所處的精確位置，在GIS支持下，可在顯示器上以“點(diǎn)”狀符號(hào)的形式直觀的為司機(jī)指明當(dāng)前車輛位置，并可以通過(guò)無(wú)線集群通訊網(wǎng)將位置信息接入控制中心局域網(wǎng)，車輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器接收各個(gè)移動(dòng)車輛的位置信息，并分發(fā)給與其相連的各個(gè)操作臺(tái)。GIS——安裝在管理操作臺(tái)與監(jiān)視操作臺(tái)上，可把GPS定位信息表現(xiàn)在電子地圖相應(yīng)位置上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種車輛信息的管理、顯示和分析，為管理人員和司機(jī)提供輔助決策，在突發(fā)事件時(shí)它可以快速在地圖上準(zhǔn)確標(biāo)出各個(gè)移動(dòng)車輛的當(dāng)前位置，為公安快速反應(yīng)，交通調(diào)度管理，車輛報(bào)警求援提供幫助。以上各項(xiàng)技術(shù)各有側(cè)重，相互補(bǔ)充，共同完成車輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)承擔(dān)的各項(xiàng)任務(wù)。車輛導(dǎo)航與監(jiān)控系統(tǒng)第一章GPS基本原理緒論66RS——數(shù)字圖像方式提供了城市范圍內(nèi)道路與相關(guān)因子動(dòng)態(tài)變化信國(guó)家高精度GPS網(wǎng)布測(cè)方案GPS的應(yīng)用第一章GPS基本原理緒論67國(guó)家高精度GPS網(wǎng)布測(cè)方案GPS的應(yīng)用第一章GPS基本原理緒提出了一套實(shí)用、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)，適合我國(guó)國(guó)情的GPS作業(yè)技術(shù)方案，研究發(fā)展了GPS快速定位理論、方法，解決了高精度GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中一系列理論、方案與算法的關(guān)鍵技術(shù)，并研制出一系列國(guó)產(chǎn)化高精度GPS定位的科研和商品化軟件，在理論模型、技術(shù)方案、軟件開(kāi)發(fā)、實(shí)際應(yīng)用四個(gè)層面上取得了一系列進(jìn)展，完成了新中國(guó)五十年來(lái)測(cè)繪技術(shù)的一次大飛躍，同時(shí)極大地推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。GPS的應(yīng)用第一章GPS基本原理緒論68提出了一套實(shí)用、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)，適合我國(guó)國(guó)情的GPS作業(yè)GPS的應(yīng)用農(nóng)業(yè)第一章GPS基本原理緒論69GPS的應(yīng)用農(nóng)業(yè)第一章GPS基本原理緒論69GPS的應(yīng)用配備GPS的變量施肥機(jī)GPS牧草監(jiān)測(cè)系統(tǒng)農(nóng)業(yè)第一章GPS基本原理緒論70GPS的應(yīng)用配備GPS的GPS牧草監(jiān)農(nóng)業(yè)第一章GPS基本原理例如：精細(xì)農(nóng)業(yè)發(fā)展

GPS和GIS結(jié)合——提供科學(xué)種田需要的定位、定量的田間操作和田間管理的技術(shù)手段。

GPS——確定拖拉機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)在田間作業(yè)中的精確位置。

GIS——對(duì)各種田間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和定量分析。例如：GIS能夠根據(jù)地塊中土壤特性(土壤結(jié)構(gòu)和有機(jī)質(zhì)含量)和土地條件(土地平整度和灌溉)，結(jié)合GPS接收機(jī)提供的位置數(shù)據(jù)，指揮播種機(jī)進(jìn)行定量播種，播種的疏密程度與土地肥力和土壤質(zhì)地等作物生長(zhǎng)環(huán)境相適應(yīng)。在GIS和GPS指揮下，農(nóng)藥噴灑機(jī)可以在病蟲(chóng)害發(fā)生地自動(dòng)噴灑農(nóng)藥。

第一章GPS基本原理緒論71例如：精細(xì)農(nóng)業(yè)發(fā)展GPS和GIS結(jié)合——提供科GPS應(yīng)用于農(nóng)業(yè)利用GPS技術(shù)可以做到：土壤養(yǎng)分分布調(diào)查在播種之前，可用一種適用于在農(nóng)田中運(yùn)行的采樣車輛按一定的要求在農(nóng)田中采集土壤樣品。車輛上配置有GPS接收機(jī)和計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)中配置地理信息系統(tǒng)軟件。采集樣品時(shí)，GPS接收機(jī)把樣品采集點(diǎn)的位置精確地測(cè)定出來(lái)，將其輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)依據(jù)地理信息系統(tǒng)將采樣點(diǎn)標(biāo)定，繪出一幅土壤樣品點(diǎn)位分布圖。第一章GPS基本原理緒論72GPS應(yīng)用于農(nóng)業(yè)利用GPS技術(shù)可以做到：第一章GPS基本原理GPS應(yīng)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)作物產(chǎn)量在聯(lián)合收割機(jī)上配置計(jì)算機(jī)、產(chǎn)量監(jiān)視器和GPS接收機(jī)，就構(gòu)成了作物產(chǎn)量監(jiān)視系統(tǒng)。對(duì)不同的農(nóng)作物需配備不同的監(jiān)視器。例如監(jiān)視玉米產(chǎn)量的監(jiān)視器，當(dāng)收割玉米時(shí)，監(jiān)視器記錄下玉米所接穗數(shù)和產(chǎn)量，同時(shí)GPS接收機(jī)記錄下收割該株玉米所處位置，通過(guò)計(jì)算機(jī)最終繪制出一幅關(guān)于每塊土地產(chǎn)量的產(chǎn)量分布圖。通過(guò)和土壤養(yǎng)分含量分布圖的綜合分析，可以找出影響作物產(chǎn)量的相關(guān)因素，從而進(jìn)行具體的田間施肥等管理工作。第一章GPS基本原理緒論73GPS應(yīng)用于農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)作物產(chǎn)量第一章GPS基本原理緒論73GPS應(yīng)用于農(nóng)業(yè)飛機(jī)進(jìn)行播種、施肥、除草利用GPS差分定位技術(shù)可以使飛機(jī)在噴灑化肥和除草劑時(shí)減少橫向重疊，節(jié)省化肥和除草劑用量，避免