《GPS測量與數(shù)據(jù)處理》－第1講 緒論

GPS原理及其應(yīng)用GPS首先想到什么？GPS能夠干什么？誰的手機上有GPS？誰會用GPS？GPS的應(yīng)用導(dǎo)航授時定位測量導(dǎo)航型GPS接收機測量型GPS接收機課程基本情況教材《GPS測量與數(shù)據(jù)處理》《GPS測量操作與數(shù)據(jù)處理》考核平時成績（考勤、作業(yè)、實習(xí)）40%期末考試60%課程主要內(nèi)容GPS定位的坐標系統(tǒng)和時間系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)的組成及信號結(jié)構(gòu)GPS定位中的誤差源距離測量與GPS定位GPS測量數(shù)據(jù)處理GPS測量的技術(shù)設(shè)計與數(shù)據(jù)采集第一章緒論全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用美國政府的GPS政策其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的概況GPS全稱？§1.1

全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展GPS的含義：全球定位系統(tǒng)NavigationSystem

withTimingAndRanging/

GlobalPositioningSystemNavSTAR/GPS授時與測距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)簡稱GPS人造地球衛(wèi)星成功發(fā)射后，衛(wèi)星定位經(jīng)歷了三個發(fā)展階段：衛(wèi)星三角測量衛(wèi)星多普勒測量GPS衛(wèi)星定位測量1957年蘇聯(lián)官方公布的衛(wèi)星照片SS1aACBSS1cS1S’S2cS’S2aS21、衛(wèi)星三角測量原理衛(wèi)星僅作為一種空間動態(tài)觀測目標，由地面通過拍攝衛(wèi)星的位置而測定地面點的坐標。2、衛(wèi)星多普勒定位測量美國約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的吉爾博士和魏芬巴哈博士指出，利用地面跟蹤站上的多普勒測量資料可以精確確定衛(wèi)星軌道麥克盧爾博士和克什納博士指出，對一顆軌道已被確定的衛(wèi)星進行多普勒測量，則可以確定用戶的位置2、衛(wèi)星多普勒定位測量定位原理是基于“多普勒效應(yīng)”。fsfr3、子午衛(wèi)星系統(tǒng)簡介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)），由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）利用多普勒效應(yīng)進行導(dǎo)航定位，也被稱為多普勒定位系統(tǒng)美國研制、建立1958年12月開始研究1964年1月建成1967年7月解密供民用3、子午衛(wèi)星系統(tǒng)簡介系統(tǒng)參數(shù)衛(wèi)星數(shù)：6顆軌道數(shù)：6個軌道夾角：30°軌道傾角：90°衛(wèi)星高度：1075km運行周期：107min載波頻率：400、150MHz3、子午衛(wèi)星系統(tǒng)簡介局限性一次定位所需時間過長不是連續(xù)的、獨立的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)效率低、精度低4、全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展距離交會4、全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展1973年12月，美國國防部批準研制GPS；1978年2月22日，第1顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功；從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。從1979年到1987年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。試驗表明，GPS定位精度遠遠超過設(shè)計標準4、全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展1989年2月14日，第1顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功1991年，在海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)1993年7月在軌正常運行衛(wèi)星達到24顆，美國于同年12月宣布，GPS具備IOC（InitialOperationalCapability）1995年4月27日，GPS達到FOC–

完全運行能力（FullOperationalCapability）§1.2

GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用1、GPS在軍事中的應(yīng)用GPS導(dǎo)航的導(dǎo)彈§1.2

GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用2、GPS在交通運輸業(yè)中的應(yīng)用航運、航空搜索陸路交通（車輛導(dǎo)航、監(jiān)控）船舶遠洋導(dǎo)航和進港引水3、GPS在測量中的應(yīng)用建立和維持全球性的參考框架3、GPS在測量中的應(yīng)用板塊運動和監(jiān)測3、GPS在測量中的應(yīng)用建立各級國家平面控制網(wǎng)3、GPS在測量中的應(yīng)用布設(shè)城市控制網(wǎng)、工程測量控制網(wǎng)，進行各種工程測量在航空攝影測量、地籍測量、海洋測量中的應(yīng)用4、GPS在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用精細農(nóng)業(yè)遙感衛(wèi)星定軌資源勘探GPS氣象學(xué)個人旅游及野外探險電力、廣播、電視、通訊等網(wǎng)絡(luò)的時間同步、時間傳遞…§1.3

美國政府的GPS政策1、SPS與PPSStandard

Positioning

Service

(標準定位服務(wù))使用C/A碼，民用水平±100m垂直±150-170m時間±340nsPrecisePositioningService(精密定位服務(wù))可使用P碼，軍用水平±22m垂直±27.7m時間±200nsSelective

Availability（選擇可用性）1990.3.25~2000.5.1人為降低普通用戶的測量精度。方法:ε技術(shù)：降低星歷精度（加入隨機變化）δ技術(shù)：衛(wèi)星鐘加高頻抖動（短周期，快變化）Anti-Spoofing（反電子欺騙）1994.1.31~至今P碼加密，P+WY2、SA和AS技術(shù)3、GPS現(xiàn)代化在Block

IIＲ衛(wèi)星的L2載波上調(diào)制C/A碼，在Block

II

F衛(wèi)星中增加f=1176.45MHz的民用頻率；增強衛(wèi)星信號強度，增加抗干擾能力；增設(shè)新的軍用碼(M碼)，與民用碼分開，并具有更好的保密性和抗干擾能力；使用新技術(shù)，以阻止或干擾敵方使用GPS；軍用接收機具有更好的保護裝置，特別是抗干擾能力，具有快速初始化功能。6個軌道面平均軌道高度20200km軌道傾角55設(shè)計星座：24周期11h58min（顧及地球自轉(zhuǎn)，地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次）保證在每天24小時的任何時刻，在高度角15以上，能夠同時觀測到4顆以上衛(wèi)星§1.4其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)概況GPS衛(wèi)星§1.4

其他衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)概況開發(fā)者：俄羅斯（前蘇聯(lián)）系統(tǒng)構(gòu)成：衛(wèi)星星座、地面控制部分、用戶設(shè)備衛(wèi)星數(shù)：24顆軌道數(shù)：3個軌道傾角：64.8

°高度：19390km運行周期：11h15min44s1、GLONASS(GLObalNAvigationSatelliteSystem)GLONASS衛(wèi)星星座GLONASS衛(wèi)星衛(wèi)星運行狀況從1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星起，至1995年12月14日共發(fā)射了73顆衛(wèi)星由于衛(wèi)星壽命過短，加之俄羅斯前一段時間經(jīng)濟狀況欠佳，無法及時補充新衛(wèi)星，故該系統(tǒng)不能維持正常工作目前，俄羅斯重新補充了一些新的衛(wèi)星，GLONASS系統(tǒng)有23顆衛(wèi)星在軌。2、伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（Galileo）2002年3月歐盟決定研制組建自己的民用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)——Galileo系統(tǒng)Galileo衛(wèi)星星座將由27顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，這30顆衛(wèi)星將均勻分布在3個軌道平面上，衛(wèi)星高度為23616km，軌道傾角為56°Galileo系統(tǒng)是一種多功能的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，具有公開服務(wù)、安全服務(wù)、商業(yè)服務(wù)和政府服務(wù)等功能，但只有前兩種服務(wù)是自由公開的，后兩種服務(wù)則需經(jīng)過批準后才能使用2005年12月28日第一顆Galileo試驗衛(wèi)星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GIOVE-A）成功進入高度為2.3萬km的預(yù)定軌道。2006年1月12日，GIOVE-A已開始向地面發(fā)送信號；這標志著總投資為34億歐元（約合41億美元）的計劃已進入實施階段。到2010年歐洲將發(fā)射30顆服役期約為20年的正式衛(wèi)星，完成伽利略衛(wèi)星星座的部署工作；伽利略系統(tǒng)建成后，美歐兩大相互兼容的導(dǎo)航定位系統(tǒng)將大大有助于提供導(dǎo)航定位的精度和可靠性。原計劃2008年，推遲至2014年，……Galileo衛(wèi)星3、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)我國自行研制系統(tǒng)是由空間衛(wèi)星、地面控制中心站和北斗用戶終端三部分構(gòu)成。空間部分包括2~3顆地球同步軌道衛(wèi)星用戶終端分為：定位、通信終端；差分、校時終端；集團用戶管理站終端車載型用戶機通訊型用戶機便攜型用戶機船載型用戶機指揮型用戶機3、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS、GLONASS、Galileo等國外的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比：BD–1有自己的優(yōu)點：如投資少，組建快；具有通信功能；捕獲信號快等。但也存在著明顯的不足和差距：如用戶隱蔽性差；無測高和測速功能；用戶數(shù)量受限制；用戶的設(shè)備體積大、重量重、能耗大等。3、北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)射日期衛(wèi)星軌道類別運行狀況備注2000.10.311A廢棄衛(wèi)星軌道停止工作北斗一號2000.12.211B廢棄衛(wèi)星軌道停止工作2003.5.251CGEO85.3°E正常2007.2.31D廢棄衛(wèi)星軌道失效4、北斗二代2011.12.28開始試運行，覆蓋亞太地區(qū)2012正式運行2020年左右覆蓋全球空間段計劃由35顆衛(wèi)星組成：5GEO＋3IGSO＋27MEO目前已發(fā)射19顆衛(wèi)星：7

GEO5IGSO7MEO4、北斗二代發(fā)射日期衛(wèi)星軌道類別運行狀況2007.4.14M1MEO測試星2009.4.15G2GEO失效2010.1.17G1GEO140°E正常2010.6.2G3GEO84°E正常2010.8.1I1IGSO傾角55°正常2010.11.1G4GEO160°E正常2010.12.18I2IGSO傾角55°正常2011.4.10I3IGSO傾角55°正常2011.7.27I4IGSO