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測量原理及應(yīng)用》徐紹銓編著武漢大學大學出版社（第三版）2007年主要參考資料《GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法》劉基余編著科學出版社2003年《GPS測量與數(shù)據(jù)處理

》李征航等武漢大學出版社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驗、查看實驗報告相結(jié)合的方式進行。二、成績評定課程閉卷考試成績、實驗成果、平時成績有機結(jié)合評定該課程成績閉卷考試成績占總成績70％平時成績總成績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系統(tǒng)和時間系統(tǒng)第三章GPS衛(wèi)星運動基礎(chǔ)及衛(wèi)星星歷第四章GPS衛(wèi)星的導航電文和衛(wèi)星信號第五章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行定向：日、月、特別的星體利用自然現(xiàn)象：植物的生長態(tài)勢（如苔蘚）采用人造的器械：司南，指南針利用人工建筑：烽火臺第一章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：鋼尺光學儀器：經(jīng)緯儀，水準儀激光和紅外儀器：測距儀綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀無線電、微波儀器：雷達觀測方法角度或方向觀測距離觀測距離差觀測第一章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點之間需要保證通視需要架設(shè)高大的天線邊長受到限制觀測難度大效率低：無用的中間過渡點需要事先布設(shè)大量的地面控制點/地面站無法同時精確確定點的三維坐標觀測受氣候、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點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”，正式開啟了人類的“太空時代”。人造地球衛(wèi)星的出現(xiàn)，首先引起了各國軍事部門的高度重視。衛(wèi)星導航二、第一代衛(wèi)星導航-（子午衛(wèi)星導航系統(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，美國海軍武器實驗室，開始著手建立為美國海軍艦艇導航的衛(wèi)星系統(tǒng)，即“海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)”（NavyNavigationSatelliteSystem——NNSS）。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星都通過地極，也稱“子午(Transit)衛(wèi)星系統(tǒng)”。1964年該系統(tǒng)建成，并在美國軍方啟用。1967年美國政府批準該系統(tǒng)解密，提供民用。該系統(tǒng)不受氣象條件的限制，自動化程度高，具有良好的定位精度。二、第一代衛(wèi)星導航-（子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)）第一章GPS基本原理緒論10101958年底，美國海軍武器實驗室，開始著手建立為美國海軍建立國家:美國美國海軍導航衛(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日美國政府批準將該系統(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計算中心船載設(shè)備特點全球全天候二、第一代衛(wèi)星導航-（子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)）第一章GPS基本原理緒論11建立國家:美國系統(tǒng)構(gòu)成二、第一代衛(wèi)星導航-（子午衛(wèi)星導1、第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)-概況子午儀導航衛(wèi)星(右圖)衛(wèi)星數(shù)量：發(fā)射的正式導航衛(wèi)星共有六顆運行軌道：圓形極軌道，平均高度1071km，軌道傾角約90°，各導航衛(wèi)星的軌道相交于地球的兩極運行周期：107min左右發(fā)射信號：連續(xù)發(fā)射無線電信號，傳遞三種導航信息(衛(wèi)星星歷表、偶數(shù)分鐘的時間信號和供多普勒頻移測量用的399.968MHz和149.988MHz的載波頻率)定位精度：1968年測定的精度為70m，1976年提高到30m子午儀導航星座第一章GPS基本原理緒論121、第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)-概況子午儀導航衛(wèi)星(右圖)子午儀導航2、衛(wèi)星多普勒定位技術(shù)多普勒效應(yīng)：當波源與觀測者作相對運動時，波源發(fā)射頻率與觀測者接收頻率之間發(fā)生變化。當子午衛(wèi)星以fs的頻率發(fā)射信號時，由于多普勒效應(yīng)，接收機所接受的信號的頻率將變?yōu)閒r，兩個頻率存在下列關(guān)系D：為信號源與接收機間的距離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)：當波源與觀測者作相對運動時3、子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)的缺點NNSS在導航技術(shù)的發(fā)展中具有劃時代的意義，但由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目少（5-6顆），運行軌道低（1000km）,觀測時間長（1.5小時），無法提供連續(xù)實時三維導航。獲得一次導航解的時間長，難以滿足軍事要求，尤其是高動態(tài)目標（飛機、導彈等）導航要求。從大地測量看，定位速度慢，一個測站一般平均觀測1-2天；精度低，單點定位精度3-5m，相對定位精度1m，使得在大地測量和地球動力學研究方面的應(yīng)用，也受到很大限制。第一章GPS基本原理緒論143、子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)的缺點NNSS在導航技術(shù)的發(fā)展中具有劃時3、子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)的缺點為滿足軍事和民用對連續(xù)實時和三維導航的迫切要求，1973年美國國防部開始組織陸海空三軍，共同研究建立新一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的計劃，這就是目前所稱的“導航衛(wèi)星授時測距/全球定位系統(tǒng)”（NavigationSatelliteTimingandranging/GlobalPositioningSystem）簡稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。GPS具有高精度連續(xù)實時三維導航和定位能力，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)星導航系統(tǒng)的缺點為滿足軍事和民用對連續(xù)實時和三維導§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)星測時與測距全球定位系統(tǒng)），簡稱GPS,也稱作NAVSTARGPS。該系統(tǒng)是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導航定位系統(tǒng)，具有全能性、全球性、全天侯、連續(xù)性和實時性的導航、定位和定時的功能。能為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。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)實施階段（1986-1994）GPS計劃的實施共分三個階段：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。4顆實驗衛(wèi)星、部分地面接收設(shè)備。1973年國防部批準GPS系統(tǒng)的Navstar衛(wèi)星制造計劃;1974年為檢驗銣鐘和時間傳播技術(shù),Timation項目的第一顆GPS實驗衛(wèi)星發(fā)射升空;1977年第一批攜帶銫鐘的實驗衛(wèi)星發(fā)射升空,具有后來GPS衛(wèi)星的基本特征;1978年第一顆GPS原型導航衛(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）全面研制和試驗階段。這一時期共發(fā)射七顆試驗衛(wèi)星，GPS試驗衛(wèi)星BlockI衛(wèi)星達到11顆，其它輔助系統(tǒng)建立。證實了GPS系統(tǒng)卓越的導航定位能力（實際偽距單點定位精度：20米,設(shè)計標準：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）實際組網(wǎng)階段，24顆工作衛(wèi)星，1995年達預(yù)定工作能力。1995年4月27日,美國防部宣布：“GPS系統(tǒng)已具備完全運行能力(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)星導航系統(tǒng)-GPSGPS星座現(xiàn)狀

截止到2007年，美國的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)星導航系統(tǒng)-GPSGPS星座現(xiàn)狀衛(wèi)星型號發(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） 6

傾角 55°

軌道平面間距 60°

運行周期 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、接收和存儲由地面監(jiān)控站發(fā)來的導航信息，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，對部分必要的數(shù)據(jù)進行處理。3、通過星載的原子鐘提供精密的時間標準。4、向用戶發(fā)送定位信息。5、在地面監(jiān)控站的指令下，通過推進器調(diào)整衛(wèi)星姿態(tài)和啟用備用時鐘。主要設(shè)備 太陽能電池板 原子鐘（2臺銫鐘、2臺銣鐘） 信號生成與發(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)測站主控站主控站：1個; 監(jiān)測站：5個;注入站：3個;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)測站的數(shù)據(jù)，編制導航電文，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)星維護與異常情況的處理。

地點：美國科羅拉多州法爾孔空軍基地。監(jiān)測站：接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，實時監(jiān)測衛(wèi)星并將收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。 地點：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：將導航電文注入GPS衛(wèi)星。

地點：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運行高度:19100KM軌道傾角:64.8°運行周期:11h15min信號頻率:1.6×103MHz1.2×103MHz

定位精度:10米左右用途:軍民兩用

GLONASS導航星座

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導航系統(tǒng)至少需要18顆衛(wèi)星才能覆蓋俄羅斯全國范圍，24顆才能覆蓋全世界范圍。GLONASS-K衛(wèi)星測試（壽命10年）GLONASS-M衛(wèi)星測試（壽命7年）GLONASS具有初步運行能力。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，實際滿負荷運行只有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，所以用戶接收機中頻率綜合器復雜；4．對GPS/GLONASS兼容接收機，需解決兩系統(tǒng)的時間和坐標系統(tǒng)問題。計劃推遲，建設(shè)計劃改為2008~2013年，2013年后再進入運營階段。第一章GPS基本原理緒論353、GLONASS存在的問題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可以防止整個衛(wèi)星導航系統(tǒng)同時被敵方干擾，因而，具有更強的抗干擾能力。二是坐標系不同：GPS使用世界大地坐標系（WGS-84），而GLONASS使用前蘇聯(lián)地心坐標系（PE-90）。三是時間標準不同：GPS系統(tǒng)時與世界協(xié)調(diào)時相關(guān)聯(lián)，而GLONASS則與莫斯科標準時相關(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導航系統(tǒng)缺乏完好性監(jiān)測機制信號容易受到干擾20世紀七十年代建立受美國控制軍事應(yīng)用背景性能和服務(wù)受限服務(wù)沒有保障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的特點由歐洲空間局(ESA)和歐盟(EU)發(fā)起并提供主要資金支持。實現(xiàn)完全非軍方控制與管理，旨在確定建立一個由國際組織控制的高效經(jīng)濟的民用導航及定位服務(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)獨立民用精度略高于GPS第一章GPS基本原理緒論392、GALILEO的特點由歐洲空間局(ESA)和歐盟3、GALILEO發(fā)展首顆實驗衛(wèi)星“GIOVE－A”(GalileoIn-OrbitValidationElement)由俄羅斯“聯(lián)盟－FG”運載火箭從哈薩克斯坦境內(nèi)的拜科努爾航天中心順利進入太空。歐洲空間局提出建議，希望通過國際合作建立一套民用的全球衛(wèi)星導航系統(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)星導航系統(tǒng)2001年4月5日歐盟交通部長理事會上該計劃正式獲得批準，確定總投資約為36億歐元，大部分經(jīng)費由歐盟、歐空局提供，其他費用由歐洲工業(yè)界和私人企業(yè)及投資商投入，系統(tǒng)的運營費和維護費由運營公司承擔。2002年3月26日歐盟15個成員國的交通部長在布魯塞爾研究決定正式實施伽利略計劃。2005年12月28日發(fā)展第一章GPS基本原理緒論403、GALILEO發(fā)展首顆實驗衛(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)測站(GSS)S波段上行5遙測、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23616千米半長軸29994千米軌道平面數(shù)3(圓形軌道)軌道傾角56度運行周期14小時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)星導航系統(tǒng)-GALILEO伽利略控制中心遙測、跟蹤、遙控站C波段任務(wù)上行站伽利略監(jiān)測站全球局域網(wǎng)絡(luò)地面段第一章GPS基本原理緒論43第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)-GALILEO伽利略控制中心地面段第自由航空；大眾市場；簡單的定位授時加密；有保障服務(wù)開放服務(wù)+

信號完好性加密；完好性；

連續(xù)可用性接近實時；高精度；

方便的信息反饋鏈路開放服務(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；加密；有保障服務(wù)開放服務(wù)+信號完好性第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)-GALILEO在全球范圍全天時提供各種導航服務(wù)和搜索救援服務(wù)與GPS系統(tǒng)全面兼容又相互獨立性能至少相當于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)計要求第一章GPS基本原理緒論45第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)-GALILEO在全球范圍全天時提供各種第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)-GALILEO2001年，歐洲高層領(lǐng)導開始與中國接觸，討論兩國在伽利略衛(wèi)星導航領(lǐng)域的合作;2003年10月中國與歐盟簽署了有關(guān)伽利略計劃合作協(xié)定;2004年10月中國科學技術(shù)部和歐盟委員會在北京正式簽署伽利略計劃技術(shù)合作協(xié)議，中國成為參加伽利略計劃的第一個非歐盟成員國，并成為伽利略聯(lián)合執(zhí)行體中與歐盟成員國享有同等權(quán)利和義務(wù)的一員.中國承諾向伽利略計劃投入2億歐元，其中7000萬歐元用于支持中國參與這一計劃開發(fā)階段的工作；中方企業(yè)將參與未來伽利略計劃特許經(jīng)營，并投入其余的1.3億歐元，用于開展該計劃部署階段的工作;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月中國助推的第一顆伽利略試驗衛(wèi)星的升空，“中歐伽利略計劃”進入全面合作階段。GALILEO與中國第一章GPS基本原理緒論46第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)-GALILEO2001年，歐洲高層領(lǐng)導第一章GPS基本原理緒論47第一章GPS基本原理緒論47導航定位的方式被動式導航定位的方法用戶不發(fā)射信號，僅接收衛(wèi)星發(fā)射的信號，由用戶完成對信號的處理及定位，是一種無源定位導航系統(tǒng)。特點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)之間無法進行通訊。有源導航系統(tǒng)用戶將接收的衛(wèi)星信號發(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。除了了導航定位的功能還有通信的功能。彌補無源定位方式的不足。第一章GPS基本原理緒論48導航定位的方式被動式導航定位的方法第一章GPS基本原理緒論4三、雙星定位導航系統(tǒng)-北斗1．北斗一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展過程；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、特點以及缺陷；5.北斗二代衛(wèi)星導航系統(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、雙星定位導航系統(tǒng)-北斗1．北斗一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)發(fā)展過程三、雙星定位導航系統(tǒng)-北斗1983年，衛(wèi)星導航先驅(qū)陳芳允院士提出利用兩顆同步定點衛(wèi)星進行導航定位的設(shè)想1994年國家批準建設(shè)“北斗一號”衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)2000年10月31日發(fā)射第一顆北斗導航衛(wèi)星2003年5月25日發(fā)射第三顆北斗導航衛(wèi)星(備用衛(wèi)星)我國成為世界上繼美國、俄羅斯之后，第三個擁有自主衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。2000年12月21日發(fā)射第二顆北斗導航衛(wèi)星北斗一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)第一章GPS基本原理緒論50三、雙星定位導航系統(tǒng)-北斗1983年，衛(wèi)星導航先驅(qū)陳芳允院用戶段北斗用戶機(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。信息傳遞時上行為L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原理，即以2顆衛(wèi)星的已知坐標為圓心，各以測定的本星至用戶機距離為半徑，形成2個球面，用戶機必然位于這2個球面交線的圓弧上。中心站電子高程地圖庫提供的是一個以地心為球心、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，并已知目標在赤道平面北側(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原理，即以2顆衛(wèi)星的已知坐標為圓用戶機北斗衛(wèi)星1北斗一號中心站北斗衛(wèi)星2北斗一代工作原理雙星定位系統(tǒng)采用主動定位方式，先由定位用戶終端接收衛(wèi)星發(fā)來的包含有測距信號、地址電文、時間碼等的詢問信號，并注入用戶站的必要信號作為應(yīng)答信號再返回發(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)用戶信號測量并計算出用戶到兩顆衛(wèi)星的距離，并根據(jù)中心存儲的數(shù)字高程地圖或由用戶攜帶的氣壓測高儀提供高程，計算用戶的點位坐標，然后置入出站信號中發(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用戶機北斗衛(wèi)星1北斗一號中心站北斗衛(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、快速實時定位服務(wù)，定位精度20-100m；短報文通信北斗系統(tǒng)用戶終端具有雙向報文通信功能，用戶可以一次傳送40-60個漢字的短報文信息；精密授時北斗系統(tǒng)具有精密授時功能，可向用戶提供20ns-100ns時間同步精度。北斗一代功能第一章GPS基本原理緒論55快速定位短報文通信精密授時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)立標校站之后為20m(類似差分狀態(tài))最大用戶數(shù):每小時540000戶北斗一代特點第一章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)雙星有源導航定位體制，只能提供低動態(tài)和靜態(tài)導航定位服務(wù)需要中心站提供數(shù)字高程圖數(shù)據(jù)和用戶機發(fā)上行信號，定位精度低,隱蔽性差系統(tǒng)用戶容量、導航定位維數(shù)有限無冗余測距信息，在體制上不能與國際上的ＧＰＳ、“GLONASS”及將來的“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雙星有源導航定位體制，只能提供低動態(tài)和靜態(tài)導航定位服務(wù)北斗一第二代衛(wèi)星導航系統(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)提供開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種服務(wù)方式：開放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)免費提供定位、測速和授時服務(wù)，定位精度10米，授時精度50納秒，測速精度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、測速、授時和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)第一章GPS基本原理緒論58第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)-北斗空間段北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)第一章G第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)-北斗

2007年4月，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號甲”運載火箭，成功將第四顆北斗導航試驗衛(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)星導航系統(tǒng)-北斗2007年4月，中國在北斗系統(tǒng)與GPS的區(qū)別1、北斗導航系統(tǒng)同時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、北斗導航系統(tǒng)是區(qū)域性導航系統(tǒng)，GPS系統(tǒng)是全球性導航系統(tǒng)。3、北斗導航系統(tǒng)由我國自主控制，GPS系統(tǒng)則是由美國軍方控制。4、北斗導航系統(tǒng)用戶數(shù)量受到限制，GPS的用戶數(shù)量不受限制。5、北斗導航用戶機無導航處理器，GPS接收機有。第一章GPS基本原理緒論60北斗系統(tǒng)與GPS的區(qū)別1、北斗導航系統(tǒng)同時具備定位與雙向通北斗導航系統(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抗衡的全球性導航系統(tǒng)。幾年后，在我國用北斗導航全面代替GPS。第一章GPS基本原理緒論61北斗導航系統(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，實踐證實，GPS對人類活動影響極大，應(yīng)用價值極高，所以得到美國政府和軍隊的高度重視，不惜投資300億美元來建立這一工程，成為繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃之后的第三項龐大空間計劃。它從根本上解決了人類在地球上的導航和定位問題，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)用特點觀測站之間不需要通視定位精度高觀測時間短提供三維坐標操作簡便全天候24小時作業(yè)功能多，應(yīng)用廣第一章GPS基本原理緒論63GPS的應(yīng)用特點觀測站之間不需要通視定位精度高觀測時間短提供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。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”狀符號的形式直觀的為司機指明當前車輛位置，并可以通過無線集群通訊網(wǎng)將位置信息接入控制中心局域網(wǎng)，車輛導航與監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器接收各個移動車輛的位置信息，并分發(fā)給與其相連的各個操作臺。GIS——安裝在管理操作臺與監(jiān)視操作臺上，可把GPS定位信息表現(xiàn)在電子地圖相應(yīng)位置上，進而實現(xiàn)各種車輛信息的管理、顯示和分析，為管理人員和司機提供輔助決策，在突發(fā)事件時它可以快速在地圖上準確標出各個移動車輛的當前位置，為公安快速反應(yīng)，交通調(diào)度管理，車輛報警求援提供幫助。以上各項技術(shù)各有側(cè)重，相互補充，共同完成車輛導航與監(jiān)控系統(tǒng)承擔的各項任務(wù)。車輛導航與監(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)因子動態(tài)變化信國家高精度GPS網(wǎng)布測方案GPS的應(yīng)用第一章GPS基本原理緒論67國家高精度GPS網(wǎng)布測方案GPS的應(yīng)用第一章GPS基本原理緒提出了一套實用、科學、嚴謹，適合我國國情的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、軟件開發(fā)、實際應(yīng)用四個層面上取得了一系列進展，完成了新中國五十年來測繪技術(shù)的一次大飛躍，同時極大地推動了相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步。GPS的應(yīng)用第一章GPS基本原理緒論68提出了一套實用、科學、嚴謹，適合我國國情的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GPS牧草監(jiān)測系統(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：精細農(nóng)業(yè)發(fā)展

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

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

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

第一章GPS基本原理緒論71例如：精細農(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接收機和計算機，計算機中配置地理信息系統(tǒng)軟件。采集樣品時，GPS接收機把樣品采集點的位置精確地測定出來，將其輸入計算機，計算機依據(jù)地理信息系統(tǒng)將采樣點標定，繪出一幅土壤樣品點位分布圖。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)測作物產(chǎn)量在聯(lián)合收割機上配置計算機、產(chǎn)量監(jiān)視器和GPS接收機，就構(gòu)成了作物產(chǎn)量監(jiān)視系統(tǒng)。對不同的農(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，當收割玉米時，監(jiān)視器記錄下玉米所接穗數(shù)和產(chǎn)量，同時GPS接收機記錄下收割該株玉米所處位置，通過計算機最終繪制出一幅關(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)飛機進行播種、施肥、除草利用GPS差分定位技術(shù)可以使飛機在噴灑化肥和除草劑時減少橫向重疊，節(jié)省化肥和除草劑用量，避免