武漢大學(xué)GPS原理與數(shù)據(jù)處理緒論

武漢大學(xué)GPS原理與數(shù)據(jù)處理緒論第1頁/共41頁GPS首先想到什么？GPS能夠干什么？誰的手機(jī)上有GPS？誰會用GPS？第2頁/共41頁GPS的應(yīng)用導(dǎo)航授時定位測量導(dǎo)航型GPS接收機(jī)測量型GPS接收機(jī)第3頁/共41頁課程基本情況教材《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%第4頁/共41頁課程主要內(nèi)容全球定位系統(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定位的坐標(biāo)系統(tǒng)和時間系統(tǒng)GPS測量數(shù)據(jù)處理GPS測量的技術(shù)設(shè)計與數(shù)據(jù)采集教學(xué)日歷第5頁/共41頁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)的概況第6頁/共41頁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第7頁/共41頁人造地球衛(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)星照片第8頁/共41頁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(biāo)，由地面通過拍攝衛(wèi)星的位置而測定地面點的坐標(biāo)。第9頁/共41頁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(jìn)行多普勒測量，則可以確定用戶的位置第10頁/共41頁2、衛(wèi)星多普勒定位測量定位原理是基于“多普勒效應(yīng)”。fsfr第11頁/共41頁3、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(jìn)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月在克什納博士的領(lǐng)導(dǎo)下開始研究1964年1月建成1967年7月解密供民用第12頁/共41頁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、150MHz第13頁/共41頁3、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、精度低第14頁/共41頁4、全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展距離交會第15頁/共41頁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(zhǔn)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(jī)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(jī)。試驗表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)第16頁/共41頁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(dá)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(dá)到FOC–

完全運行能力（FullOperationalCapability）第17頁/共41頁§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)彈第18頁/共41頁§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(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水第19頁/共41頁3、GPS在測量中的應(yīng)用建立和維持全球性的參考框架第20頁/共41頁3、GPS在測量中的應(yīng)用板塊運動和監(jiān)測第21頁/共41頁3、GPS在測量中的應(yīng)用建立各級國家平面控制網(wǎng)第22頁/共41頁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(jìn)行各種工程測量第23頁/共41頁第24頁/共41頁在航空攝影測量、地籍測量、海洋測量中的應(yīng)用第25頁/共41頁4、GPS在其他領(lǐng)域中的應(yīng)用精細(xì)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…第26頁/共41頁§1.3

美國政府的GPS政策1、SPS與PPSStandard

Positioning

Service

(標(biāo)準(zhǔn)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±200ns第27頁/共41頁Selective

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(jī)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)第28頁/共41頁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(jī)具有更好的保護(hù)裝置，特別是抗干擾能力，具有快速初始化功能。第29頁/共41頁§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)第30頁/共41頁GLONASS衛(wèi)星星座GLONASS衛(wèi)星第31頁/共41頁衛(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(jì)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。第32頁/共41頁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(zhǔn)后才能使用第33頁/共41頁2005年12月28日第一顆Galileo試驗衛(wèi)星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GIOVE-A）成功進(jìn)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(biāo)志著總投資為34億歐元（約合41億美元）的計劃已進(jìn)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年第34頁/共41頁Galileo衛(wèi)星第35頁/共41頁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?？臻g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(tuán)用戶管理站終端第36頁/共41頁第37頁/共41頁車載型用戶機(jī)通訊型用戶機(jī)便攜型用戶機(jī)船載型用戶機(jī)指揮型用戶機(jī)第38頁/共41頁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