(武漢大學)GPS原理及其應(yīng)用

1、 武漢大學武漢大學 測繪學院測繪學院 GPSGPS原理及其應(yīng)用課程組原理及其應(yīng)用課程組GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用( (一一) )GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用第一章第一章緒緒 論論1.1 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景1.2 GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用1.1 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用什么是什么是GPS？ GPS的英文全稱是的英文全稱是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position Sys

2、tem簡稱簡稱GPS，有時也被稱作，有時也被稱作NAVSTAR GPS。其意為其意為“導航星測時與測距全球?qū)Ш叫菧y時與測距全球定位系統(tǒng)定位系統(tǒng)”，或簡稱全球定位系，或簡稱全球定位系統(tǒng)。統(tǒng)。緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 什么是全球定位系統(tǒng)什么是全球定位系統(tǒng)GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS概述概述 建立國家建立國家 美國美國 目的目的 在全球范圍內(nèi)，提供實時、連續(xù)、全天候的導在全球范圍內(nèi)，提供實時、連續(xù)、全天候的導航定位及授時服務(wù)航定位及授時服務(wù) 開始籌建時間開始籌建時間 1973年年 完全建成時間完全建成時間 1995年年緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生

3、、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 GPS概述概述GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS概述概述 系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成 空間部分、地面控制部分、用戶部分空間部分、地面控制部分、用戶部分 服務(wù)方式服務(wù)方式 通過由多顆衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星星座提供導航定位服務(wù)通過由多顆衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星星座提供導航定位服務(wù) 定位原理定位原理 距離交會距離交會 測距原理測距原理 被動式電磁波測距被動式電磁波測距 特點特點 全球覆蓋、全天候、不間斷、精度高全球覆蓋、全天候、不間斷、精度高緒論緒論緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 GPS概述概述GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用常規(guī)（地面）定

4、位方法常規(guī)（地面）定位方法 近、現(xiàn)代的常規(guī)定位方法近、現(xiàn)代的常規(guī)定位方法 采用的儀器設(shè)備采用的儀器設(shè)備 尺：銦鋼尺尺：銦鋼尺 光學儀器：經(jīng)緯儀，水準儀光學儀器：經(jīng)緯儀，水準儀 電磁波或激光儀器：測距儀電磁波或激光儀器：測距儀 綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀 觀測值觀測值 角度或方向觀測角度或方向觀測 距離觀測距離觀測 天文觀測方法天文觀測方法緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 常規(guī)（地面）定位方法常規(guī)（地面）定位方法GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用常規(guī)定位方法的局限性常規(guī)定位方法的局限性 需要事先布設(shè)大量的地面控制點需要事先布設(shè)大量的地面

5、控制點/地面站地面站 無法同時精確確定點的三維坐標無法同時精確確定點的三維坐標 觀測受氣候、環(huán)境條件限制觀測受氣候、環(huán)境條件限制 觀測點之間需要保證通視觀測點之間需要保證通視 需要修建覘標需要修建覘標/架設(shè)高大的天線架設(shè)高大的天線 邊長受到限制邊長受到限制 觀測難度大觀測難度大 效率低：無用的中間過渡點效率低：無用的中間過渡點 受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光 難以確定地心坐標難以確定地心坐標緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 常規(guī)（地面）定位方法的局限性常規(guī)（地面）定位方法的局限性GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局

6、限性子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性 系統(tǒng)簡介系統(tǒng)簡介 NNSS Navy Navigation Satellite System（海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)），由（海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)），由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）（子午衛(wèi)星系統(tǒng)） 采用利用多普勒效應(yīng)進行導航定位，采用利用多普勒效應(yīng)進行導航定位，也被稱為多普勒定位系統(tǒng)也被稱為多普勒定位系統(tǒng) 美國研制、建立美國研制、建立 1964年年1月建成月建成 1967年年7月解密供民用月解密供民用子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座子午衛(wèi)星星座緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 子

7、午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 空間部分空間部分 衛(wèi)星：發(fā)送導航定位信號（信號：衛(wèi)星：發(fā)送導航定位信號（信號：4.9996MHz 30 = 149.988MHz；4.9996MHz 80 = 399.968MHz；星；星歷）歷） 衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座 由由6顆衛(wèi)星構(gòu)成，顆衛(wèi)星構(gòu)成，6軌道面，軌道面，軌道高度軌道高度1075km 地面控制部分地面控制部分 包括：跟蹤站、計算中心、注入站、包括：跟蹤站、計算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺控制中心和海軍天文臺 用戶部分用戶部分 多普勒接收機多普勒接

8、收機大地測量多普勒接收大地測量多普勒接收機機 - 1（MX1502）大地測量多普勒接收大地測量多普勒接收機機 - 2（CMA751）緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性 應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)用領(lǐng)域 海上船舶的定位海上船舶的定位 大地測量大地測量 精度精度 單點定位：單點定位：15次合格衛(wèi)星通次合格衛(wèi)星通過（兩次通過之間的時間間過（兩次通過之間的時間間隔為隔為0.8h 1.6h），精度約為），精度約為10m 聯(lián)測定位：聯(lián)測定位： 各站共同觀測各站共同觀測

9、17次合格衛(wèi)星通過，精度約為次合格衛(wèi)星通過，精度約為0.5m多普勒聯(lián)測定位多普勒聯(lián)測定位多普勒單點定位多普勒單點定位緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性 系統(tǒng)缺陷系統(tǒng)缺陷 衛(wèi)星少，觀測時間和衛(wèi)星少，觀測時間和間隔時間長，無法提間隔時間長，無法提供實時導航定位服務(wù)供實時導航定位服務(wù) 導航定位精度低導航定位精度低 衛(wèi)星信號頻率低，不衛(wèi)星信號頻率低，不利于補償電離層折射利于補償電離層折射效應(yīng)的影響效應(yīng)的影響 衛(wèi)星軌道低，難以進衛(wèi)星軌道低，難以進行精

10、密定軌行精密定軌TRANSIT系統(tǒng)系統(tǒng) 衛(wèi)星：衛(wèi)星：6顆顆 極地軌道極地軌道 軌道高度：軌道高度：1075km 信號頻率：信號頻率：400MHz、150MHz 絕對定位精度：絕對定位精度：1m 相對定位精度：相對定位精度：0.1m0.5m 定位原理：多普勒定位定位原理：多普勒定位 存在問題：衛(wèi)星少，無法實現(xiàn)實時存在問題：衛(wèi)星少，無法實現(xiàn)實時定位；軌道低，難以精密定軌；頻定位；軌道低，難以精密定軌；頻率低，難以消除電離層影響率低，難以消除電離層影響。緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用G

11、PS的發(fā)展簡史的發(fā)展簡史方案論證階段方案論證階段 1973年年12月，美國國防部批準研制月，美國國防部批準研制GPS。 1978年年2月月22日，第日，第1顆顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。功。 從從1973年到年到1979年，共發(fā)射了年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。 緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 GPS的發(fā)展簡史的發(fā)展簡史GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的發(fā)展簡史的發(fā)展簡史全面研制和試驗階段全面研制和試驗階段 從從1979年到年到1987年，又陸續(xù)發(fā)射了年，又陸續(xù)發(fā)

12、射了7顆試驗顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。實驗表明，衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設(shè)計標準。定位精度遠遠超過設(shè)計標準。 緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 GPS的發(fā)展簡史的發(fā)展簡史GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS的發(fā)展簡史的發(fā)展簡史實用組網(wǎng)階段實用組網(wǎng)階段 1989年年2月月14日，第日，第1顆顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成工作衛(wèi)星發(fā)射成功。功。 1991年，在海灣戰(zhàn)爭中，年，在海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)。于實戰(zhàn)。 1993年底實用的年底實用的GPS網(wǎng)即（網(wǎng)即（21+3）GPS星座星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)

13、計劃更換失效的衛(wèi)星。已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。 1995年年7月月17日，日，GPS達到達到FOC 完全運行完全運行能力（能力（Full Operational Capability）。）。緒論緒論 全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景 GPS的發(fā)展簡史的發(fā)展簡史GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用1.2 GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在軍事中的應(yīng)用在軍事中的應(yīng)用GPS導航的艦載飛彈導航的艦載飛彈 配備配備GPS的士兵的士兵 美國海軍核潛艇美國海軍核潛艇 緒論緒論 GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS原

14、理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在交通運輸業(yè)中的應(yīng)用在交通運輸業(yè)中的應(yīng)用 航運、航空搜索航運、航空搜索 陸路交通（車輛導航、監(jiān)控）陸路交通（車輛導航、監(jiān)控） 船舶遠洋導航和進港引水船舶遠洋導航和進港引水緒論緒論 GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用在測量中的應(yīng)用 建立和維持全球性的參考框架建立和維持全球性的參考框架緒論緒論 GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用在測量中的應(yīng)用 板塊運動和監(jiān)測板塊運動和監(jiān)測緒論緒論 GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GP

15、S在測量中的應(yīng)用在測量中的應(yīng)用 建立各級國家平面控制網(wǎng)建立各級國家平面控制網(wǎng)緒論緒論 GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用在測量中的應(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)，進行各種工程測量種工程測量市話網(wǎng)市話網(wǎng)市話網(wǎng)市話網(wǎng)市話網(wǎng)深圳市連續(xù)運行衛(wèi)星定位導航服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò)示意圖深圳市連續(xù)運行衛(wèi)星定位導航服務(wù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及通信網(wǎng)絡(luò)示意圖市電信局監(jiān)控分析中心衛(wèi)星定位信號發(fā)射臺FM電臺基準站1基準站2基準站3基準站4基準站5進入移動電話系統(tǒng)用戶用戶全向天線定向天線Modem緒論緒論 GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS原理及其應(yīng)用原理及其應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用在測