GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述

GPS導(dǎo)航原理控制理論與制導(dǎo)技術(shù)研究中心盧鴻謙GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第1頁!19

GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述控制理論與制導(dǎo)技術(shù)研究中心GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第2頁!本次課的主要內(nèi)容1.GPS簡介2.GPS發(fā)展歷史3.GPS應(yīng)用概述4.參考書目GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第3頁!什么是導(dǎo)航導(dǎo)航：指引某運(yùn)動(dòng)體，由某位置出發(fā)，達(dá)到某目標(biāo)點(diǎn)。導(dǎo)航的基本功能是回答“我在哪里”。常用導(dǎo)航系統(tǒng)：慣性導(dǎo)航、無線電導(dǎo)航、天文導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航等。不同導(dǎo)航設(shè)備給出的導(dǎo)航信息種類是不同的：位置、姿態(tài)、速度、角速度……GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第4頁!幾個(gè)相似的縮寫代表完全不同的概念GPSGIS:GeographicInformationSystem,地理信息系統(tǒng)(本質(zhì)是一個(gè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng))GPRS:GeneralPacketRadioService通用無線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPSONE(A-GPS):需要手機(jī)運(yùn)營商提供支持，將GPS技術(shù)與手機(jī)無線信號(hào)定位技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)戶外、室內(nèi)定位。I-GPS:室內(nèi)GPSGPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第5頁!各類導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)慣性導(dǎo)航優(yōu)點(diǎn)：自主、區(qū)域極廣、實(shí)時(shí)慣性導(dǎo)航缺點(diǎn)：誤差隨時(shí)間積累GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第6頁!各類導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)無線電導(dǎo)航：區(qū)域受限衛(wèi)星導(dǎo)航：與無線電導(dǎo)航系統(tǒng)比，有效區(qū)域廣，具有全球定位能力；與慣導(dǎo)比：誤差不隨時(shí)間積累；與天文導(dǎo)航比：全天候。缺點(diǎn)：實(shí)時(shí)性、動(dòng)態(tài)較差，

信號(hào)易受干擾遮蔽，受政治

因素影響。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第7頁!現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介歐洲-GNSS:建設(shè)中，第二階段Galileo計(jì)劃，2002年3月26日正式批準(zhǔn)啟動(dòng)。2005年12月發(fā)射顆試驗(yàn)衛(wèi)星。GNSS組成示意圖GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第8頁!北斗II類似GPS：定位精度優(yōu)于10m，授時(shí)精度優(yōu)于50ns，測速誤差優(yōu)于0.2m/s?！侗倍废到y(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范（1.0版）》2011年12月（10顆星左右）的誤差水平：平面10m,高程15m,測速0.2m/s,授時(shí)50ns.建設(shè)原則開放性獨(dú)立性兼容性漸進(jìn)性計(jì)劃2012年覆蓋亞太地區(qū)2020年覆蓋全球GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第9頁!定位基本原理平面2點(diǎn)定位R1R2用戶已知位置1已知位置2GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第10頁!定位基本原理空間3點(diǎn)定位分別已知空間某2個(gè)固定點(diǎn)(衛(wèi)星)坐標(biāo)分別已知用戶與2顆衛(wèi)星距離用戶必然在左圖2個(gè)球面的交線上GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第11頁!GPS服務(wù)的特點(diǎn)

定位高精度：mm~30m一般手持機(jī)能夠達(dá)到12m誤差左右；根據(jù)FAA（FederalAviationAdministration）的數(shù)據(jù)，某些高品質(zhì)接收機(jī)SPS定位精度可優(yōu)于3m。無源：接收機(jī)本身不發(fā)射信號(hào)，保密性好免費(fèi)：用戶只需購買接收機(jī)，即可享受免費(fèi)定位服務(wù)全天候、全球GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第12頁!GPS發(fā)展歷史（2）子午儀系統(tǒng)的特點(diǎn)：組成：6顆衛(wèi)星，近圓形軌道，軌道傾角90deg左右，周期107min，軌道高度1000km。定位精度對運(yùn)動(dòng)艦船為200m至80m；而對固定點(diǎn)可達(dá)100m至0.1m。全球、全天候二維定位。為北極星核潛艇提供定位服務(wù)。我國在上世紀(jì)70年代引入使用。南極長城站的定位就使用了子午儀系統(tǒng)。中國長城站S62°12′59.811〞±0.015〞W58°57′52.665〞±0.019〞誤差還不到1米！缺點(diǎn)：定位時(shí)間長、動(dòng)態(tài)低兩次定位間隔時(shí)間1.5~4小時(shí)。定位一次需要的測量為2分鐘以上。一臺(tái)接收機(jī)需要15次合格觀測才能達(dá)到±10m精度。

GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第13頁!GPS發(fā)展歷史（4）GPS實(shí)施計(jì)劃共分三個(gè)階段：階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段（1978年～1979年）。發(fā)射4顆試驗(yàn)衛(wèi)星（BLOCKI）。建立地面跟蹤網(wǎng)。研制地面GPS接收機(jī)。對系統(tǒng)軟、硬件進(jìn)行試驗(yàn)。第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段(1979年～1984年)。陸續(xù)發(fā)射7顆試驗(yàn)衛(wèi)星(BLOCKI)。研制各種類型接收機(jī)。第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段。1999年提出GPS衛(wèi)星現(xiàn)代化。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第14頁!GPS發(fā)展歷史（6）應(yīng)對SA的對策：各家公司和研究單位紛紛研制在實(shí)施SA政策下提高實(shí)時(shí)定位精度的技術(shù)。代表——差分技術(shù)。建設(shè)國際化導(dǎo)航衛(wèi)星星座：GNSS

GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第15頁!GPS發(fā)展歷史（8）建設(shè)國際化導(dǎo)航衛(wèi)星星座：GNSS在承認(rèn)GPS和GLONASS已經(jīng)存在的前提下，首先把GPS和GLONASS作為主體使用，然后逐步增加民間成分，在增發(fā)民間衛(wèi)星的基礎(chǔ)上逐漸減少對某一國軍方控制系統(tǒng)的依賴，最終試圖實(shí)現(xiàn)一個(gè)民間化，國際化的GNSS星座。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第16頁!GPS發(fā)展歷史（10）GPS現(xiàn)代化1999年1月25日美國副總統(tǒng)以文告的形式發(fā)表。內(nèi)涵：一是保護(hù)，即GPS現(xiàn)代化是為了更好地保護(hù)美方和友好方的使用，要發(fā)展軍碼和強(qiáng)化軍碼的保密性能，加強(qiáng)抗干擾能力；二是阻止：即阻擾敵對方的使用，施加干擾，施加SA，AS等；三是保持，即是保持在有威脅地區(qū)以外的民用用戶有更精確更安全的使用。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第17頁!GPS發(fā)展歷史（12）措施（民用）：1.2000年5月1日零點(diǎn)開始取消SA。美國不打算重新啟用全球性的SA政策，在BLOCK

III中去除了相關(guān)特性；但美軍方已經(jīng)掌握了對局部區(qū)域GPS施加干擾的技術(shù)(localizeddenial)，即GPS可以在局部區(qū)域內(nèi)使敵對方利用GPS時(shí)嚴(yán)重降低定位精度，無法用于軍事行動(dòng)，卻不影響其它區(qū)域的用戶正常使用。2.在L2頻道上增加第二民用碼，即L2C(C/AatL2)碼。這樣用戶就可以有更好的多余觀測，以提高定位精度，并有利于電離層的改正。(2005，BLOCKIIR(M)開始有，但目前未調(diào)制有用導(dǎo)航數(shù)據(jù))3.增加L5民用頻率，這有利于提高民用實(shí)時(shí)定位的精度和導(dǎo)航的安全性。目的：改善民用導(dǎo)航和定位的精度；擴(kuò)大服務(wù)的覆蓋面和改善服務(wù)的持續(xù)性；提高導(dǎo)航的完好性（integrity）；保持GPS在全球定位系統(tǒng)中技術(shù)和銷售的領(lǐng)先地位；

GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第18頁!SA取消的影響民用定位精度提高。無需差分的條件下精度也可滿足許多民用需要。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第19頁!GPS的應(yīng)用概述（2）

測地應(yīng)用機(jī)載應(yīng)用車載應(yīng)用手持應(yīng)用GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第20頁!GPS的應(yīng)用概述（4）其它1.電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步2.準(zhǔn)確時(shí)間的授入3.準(zhǔn)確頻率的授入4.各種等級(jí)的大地測量，控制測量5.道路和各種線路放樣6.水下地形測量7.地殼形變測量，大壩和大型建筑物變形監(jiān)測9.工程機(jī)械控制10.精細(xì)農(nóng)業(yè)GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第21頁!課程的特點(diǎn)GPS技術(shù)受政治因素影響大。其技術(shù)的發(fā)展、取舍與國家間的安全、利益矛盾轉(zhuǎn)化發(fā)展息息相關(guān)。技術(shù)發(fā)展靈活多變，涉及的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，與其它專業(yè)的結(jié)合點(diǎn)眾多。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)前景廣闊。仍在發(fā)展的熱門技術(shù)，以社會(huì)需求為導(dǎo)向。學(xué)習(xí)建議1）聽課2）主要是概念的理解，術(shù)語、縮寫的積累與記憶3）平時(shí)注意收集材料GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第22頁!GPS簡介GPS中文名稱：(導(dǎo)航星)全球定位系統(tǒng)GPS英文名稱：(NAVSTAR)GlobalPositioningSystem基本用途：定位技術(shù)途徑：利用衛(wèi)星使用范圍：全球用戶范圍：全球用戶由美國國防部控制類別從屬——衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第23頁!GPS技術(shù)的影響應(yīng)用二次開發(fā)，應(yīng)用廣泛技術(shù)擴(kuò)展室內(nèi)GPS火星車的導(dǎo)航GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第24頁!各類導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)天文導(dǎo)航優(yōu)點(diǎn)：誤差不積累、區(qū)域極廣天文導(dǎo)航缺點(diǎn)：定位間隔時(shí)間長、動(dòng)態(tài)低、需要星圖受天氣影響GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第25頁!現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介美國-GPS：若干地面支持設(shè)施，24顆衛(wèi)星，分6個(gè)軌道面，由美國國防部操作，軍民兩用，通訊使用L1,L2兩個(gè)載波頻率，碼分多址(CDMA)技術(shù)。實(shí)際在軌衛(wèi)星數(shù)目多于24顆。俄羅斯-GLONASS:若干地面支持設(shè)施，24顆衛(wèi)星，分3個(gè)軌道面，由俄羅斯國防部操作，軍民兩用，通訊使用頻分多址技術(shù)。軌道低，衛(wèi)星壽命短，需經(jīng)常補(bǔ)網(wǎng)。由于受俄經(jīng)濟(jì)狀況影響，導(dǎo)航星座不全。2011年已經(jīng)重新恢復(fù)全工作能力。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第26頁!現(xiàn)有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介中國-北斗系統(tǒng)：一代2顆衛(wèi)星，亞太地區(qū)定位。二代與GPS相似。發(fā)射一代顆星：2000年10月31日；2007年4月14日零時(shí)28分，發(fā)射第四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星（二代第1顆）。2012年達(dá)到正式區(qū)域服務(wù)水平。2013年12月27日，正式發(fā)布了《北斗系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范（1.0版）》和《北斗系統(tǒng)空間信號(hào)接口控制文件（2.0版）》兩個(gè)系統(tǒng)文件。（定位誤差10m[置信度95%]）中國北斗I系統(tǒng)定位示意圖中國北斗II系統(tǒng)定位示意圖GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第27頁!GPS提供的服務(wù)GPS的基本功能輸出PVT提供的基本服務(wù)（美國國防部與交通部規(guī)定）

PPS（精密定位服務(wù)/PrecisePositioningService）

服務(wù)對象：美國軍方，政府特別批準(zhǔn)的民用用戶1995年春達(dá)到全工作能力定位精度：水平<22m，垂直<27.7m，授時(shí)精度<200ns（2drms,95%）SPS（標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)/StandardPositioningService）服務(wù)對象：全球民用用戶1993年12月達(dá)到全工作能力定位精度：水平<100m，垂直<156m，授時(shí)精度<340ns （2drms,95%）（最初的規(guī)定）定位測速授時(shí)&&GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第28頁!定位基本原理空間3點(diǎn)定位已知空間某固定點(diǎn)(衛(wèi)星)坐標(biāo)已知用戶與該點(diǎn)距離R用戶必然在以衛(wèi)星為球心，半徑為R的球面上。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第29頁!定位基本原理空間3點(diǎn)定位分別已知空間某3個(gè)固定點(diǎn)(衛(wèi)星)坐標(biāo)分別已知用戶與3顆衛(wèi)星距離用戶必然在左圖3個(gè)球面的交點(diǎn)上實(shí)際使用4顆衛(wèi)星定位Why？

請聽后文分解GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第30頁!GPS發(fā)展歷史（1）前期：1957年10月，蘇聯(lián)發(fā)射世界上顆人造衛(wèi)星。美國霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室葦芬巴赫（G.C.Weiffenbach）

利用多普勒頻移定軌。同實(shí)驗(yàn)室的麥克雷(F.T.Meclure)提出了反問題，成為最早的利用人造衛(wèi)星進(jìn)行定位的設(shè)想。

1958年底，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室對該實(shí)驗(yàn)室的研究進(jìn)行了資助海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(NNSS——NavyNavigationSatelliteSystem)的誕生。1959年九月發(fā)射顆衛(wèi)星。1964年交付美國海軍使用。1967年7月，正式組網(wǎng)允許民用。由于軌道通過地極，因此又稱子午儀系統(tǒng)（Transit）。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第31頁!GPS發(fā)展歷史（3）看到了衛(wèi)星導(dǎo)航的巨大潛力：上世紀(jì)60年代，美國海、空軍開始獨(dú)立發(fā)展自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。海軍TIMATION計(jì)劃TIMATION：12~18顆衛(wèi)星，衛(wèi)星高度約10000km，近圓形。周期8小時(shí)，1967年和1969年先后發(fā)射兩顆試驗(yàn)衛(wèi)星。（不能滿足空軍的高動(dòng)態(tài)應(yīng)用要求）空軍621B計(jì)劃621B計(jì)劃:3~4個(gè)星群，每個(gè)星群4~5顆衛(wèi)星。同步軌道。每個(gè)星群需要一個(gè)地面控制站為它服務(wù)。

(通過偽衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證)1973年12月合并，成立聯(lián)合計(jì)劃局，在洛杉磯空軍航天處內(nèi)設(shè)立辦事機(jī)構(gòu)，組成人員包括美國陸、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、國防制圖局、交通部、北大西洋公約組織和澳大利亞代表。GPSGPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第32頁!實(shí)施SA（選擇可用性/SelectiveAvailability）與AS（反電子欺騙/Anti-Spoofing）政策，SA政策在C/A碼中人為引入了誤差，使水平定位精度下降到100米，垂直定位精度下降到157米；AS政策則對P碼實(shí)行加密。GPS發(fā)展歷史（5）后果：遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足民用需要。自動(dòng)車輛駕駛，船舶停靠，飛機(jī)進(jìn)場，精細(xì)農(nóng)業(yè)等即使無SA，也不能得到滿足。

第2階段實(shí)驗(yàn)表明，GPS粗碼定位精度可達(dá)14m，P碼可達(dá)3m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（粗碼100m）。目前的精度：粗碼定位誤差12m，授時(shí)誤差20ns。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第33頁!GPS發(fā)展歷史（7）差分技術(shù)坐標(biāo)差分偽距差分廣域差分載波相位差分差分技術(shù)的影響：幾乎去除SA政策的影響大幅減小電離層、對流層影響GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第34頁!GPS發(fā)展歷史（9）美國對策：GNSS方案遭到美國國防部的指責(zé)。美聯(lián)邦航空局（FAA）提出WAAS（廣域增強(qiáng)系統(tǒng)），但WAAS給美國和國際安全帶來威脅。美國國防部表示“暫時(shí)同意按計(jì)劃實(shí)施WAAS，但WAAS能否投入使用取決于該系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果和政府、軍隊(duì)高層部門和評(píng)估意見”。國防部還保留根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果在戰(zhàn)時(shí)或在特定地域?qū)AAS信號(hào)進(jìn)行干擾的權(quán)利。同時(shí)要求GNSS保留SA與AS能力。1999年提出GPS現(xiàn)代化。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第35頁!GPS發(fā)展歷史（11）措施（軍用）：1.增加GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度，以增加抗電子干擾能力。 2.在GPS信號(hào)頻道上，增加新的軍用碼（M碼），要與民用碼分開。M碼要有更好的抗破譯的保密和安全性能。3.軍事用戶的接受設(shè)備要比民用的有更好的保護(hù)裝置，特別是抗干擾能力和快速初始化功能4.創(chuàng)造新的技術(shù)，以阻止和阻擾敵方使用GPS。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第36頁!2009年3月24日，GPSIIR-20(M)發(fā)射升空。帶有L5演示試驗(yàn)載荷，1176.45MHz。星歷不完整，為未來的GPSIIF和GPSIII做準(zhǔn)備。2014年2月20日，GPSIIF成功發(fā)射。GPS發(fā)展簡史與服務(wù)概述共41頁，您現(xiàn)在瀏覽的是第37頁!GPS的應(yīng)用概述（1）3S的支柱技術(shù)之一3S－GPS,GIS(地理信息系統(tǒng)/GeographyInformationSystem),RS(遙感/RemoteSensing)民用：為船舶,汽車,飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。如：1.船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引導(dǎo)2.飛機(jī)