GPS理論與應(yīng)用第一章緒論

GPS理論與應(yīng)用第一章緒論導(dǎo)航的基本概念導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)與分類無(wú)線電導(dǎo)航定位GPS的特點(diǎn)、組成與應(yīng)用北斗衛(wèi)星和其它導(dǎo)航衛(wèi)星GIS技術(shù)

31.導(dǎo)航的基本概念導(dǎo)航的定義：引導(dǎo)人、或者平臺(tái)(飛機(jī)、艦船、車輛等載體)，準(zhǔn)確地沿著所選定的路線，按照規(guī)定的時(shí)間到達(dá)目的地。

導(dǎo)航的基本任務(wù)：

Who:載體或個(gè)人

When:時(shí)間

Where:位置----線路、精度

4導(dǎo)航的實(shí)例磁針的北極指向地理的南極，利用這一性能可以辨別方向。判別方位的簡(jiǎn)單儀器，常用于航海、測(cè)量、旅行及軍事。司南（磁羅盤）指南針

5導(dǎo)航的實(shí)例飛機(jī)導(dǎo)航：確定所在地與目的地，選擇航線、確定距離、安排時(shí)間表。

飛機(jī)導(dǎo)航的任務(wù)：使飛機(jī)遵照事先安排的時(shí)間表，沿著所選定的航線，在某一方向上(航向)、以一定的速度飛行。

6飛機(jī)導(dǎo)航航向角HX：由飛機(jī)所在位置的經(jīng)線北端順時(shí)針測(cè)量到航向線的角度?？账賄：是發(fā)動(dòng)機(jī)推動(dòng)飛機(jī)相對(duì)于空氣的運(yùn)動(dòng)速度。風(fēng)速U：是空氣流動(dòng)速度。地速W：飛機(jī)在地面上的投影點(diǎn)的移動(dòng)速度。

7飛機(jī)導(dǎo)航地速方向和機(jī)頭朝向一致。無(wú)側(cè)風(fēng)時(shí)的飛行路線

8飛機(jī)導(dǎo)航航跡角HJ：從經(jīng)線北端順時(shí)針量到航跡去向的角度。偏流角PL：航向線與航跡線之間的夾角。有側(cè)風(fēng)時(shí)的飛行路線

9飛機(jī)導(dǎo)航

10引導(dǎo)環(huán)航向和航速環(huán)控制環(huán)飛機(jī)導(dǎo)航

11導(dǎo)航的功能按傳統(tǒng)的觀點(diǎn)，導(dǎo)航系統(tǒng)就是定位系統(tǒng)。

極高的飛行速度：航向和距離

交通密度增加：需要連續(xù)的、實(shí)時(shí)的駕駛信息提供航行中的位置、方向、距離和速度等導(dǎo)航參量。導(dǎo)航的研究：就是要弄清楚導(dǎo)航參量的測(cè)量和運(yùn)用。

導(dǎo)航的實(shí)踐：就是運(yùn)用導(dǎo)航參量來(lái)保證載體安全而有效地航行。

122.導(dǎo)航系統(tǒng)的分類與技術(shù)指標(biāo)觀測(cè)導(dǎo)航航標(biāo)方法，比如目視方法，就是借助信標(biāo)或參照物實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航。簡(jiǎn)單、可靠，比如飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)著陸；航標(biāo)法飛行：以地面參照物作為路標(biāo)，即目視飛行，飛行員入門課程；缺點(diǎn)：沒有導(dǎo)航儀器，飛得慢又飛得低，能見度低、難以辨認(rèn)標(biāo)志；在海洋、沙漠中等無(wú)航標(biāo)地區(qū)無(wú)法導(dǎo)航。

13推算導(dǎo)航根據(jù)載體的運(yùn)動(dòng)方向和所航行的距離(或速度、時(shí)間)的測(cè)量，從過去已知的位置來(lái)推算當(dāng)前位置，或預(yù)測(cè)將來(lái)位置，從而得到運(yùn)動(dòng)軌跡。它克服了觀測(cè)導(dǎo)航的缺點(diǎn)，不受天氣、地理?xiàng)l件的限制。隨著航行時(shí)間和航行距離的增長(zhǎng)，位置積累誤差越來(lái)越大，需進(jìn)行位置校準(zhǔn)，比如慣性導(dǎo)航。導(dǎo)航系統(tǒng)的分類

14天文導(dǎo)航天空中的星體(太陽(yáng)、月亮、其他行星、恒星等)相對(duì)于地球有一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌道和位置。通過觀測(cè)多個(gè)星體的位置參數(shù)，來(lái)確定觀測(cè)者在地球上的位置。廣泛應(yīng)用于航空、航天。與推算導(dǎo)航一樣，不需要地面支撐設(shè)施，可用來(lái)校正推算導(dǎo)航的積累誤差。缺點(diǎn)：受時(shí)間、氣象條件限制，定位時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算復(fù)雜。導(dǎo)航系統(tǒng)的分類

15無(wú)線電導(dǎo)航

通過測(cè)量無(wú)線電波從導(dǎo)航發(fā)射臺(tái)到載體接收機(jī)的傳輸時(shí)間來(lái)定位。陸基無(wú)線電導(dǎo)航：導(dǎo)航臺(tái)位于地面

衛(wèi)星無(wú)線電導(dǎo)航：導(dǎo)航臺(tái)設(shè)在衛(wèi)星上不受時(shí)間、天氣的限制，設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠；精度高，定位時(shí)間短，可以連續(xù)實(shí)時(shí)地定位。導(dǎo)航系統(tǒng)的分類

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自主式導(dǎo)航系統(tǒng)：由載體設(shè)備直接產(chǎn)生導(dǎo)航信息。前面三種方法都屬于自主式。具有保密性強(qiáng)，安全，不易干擾的優(yōu)點(diǎn)。

它備式導(dǎo)航系統(tǒng)：通過導(dǎo)航臺(tái)發(fā)布導(dǎo)航信息，載體上的設(shè)備接收導(dǎo)航信息實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。無(wú)線電導(dǎo)航屬于它備式。必須要輻射和接收無(wú)線電波，易被發(fā)現(xiàn)和干擾。導(dǎo)航系統(tǒng)的分類

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精度：導(dǎo)航系統(tǒng)為載體所提供的位置與載體當(dāng)時(shí)的真實(shí)位置之間的重合度。導(dǎo)航誤差是隨機(jī)變量，通常采用定位誤差不超過一個(gè)數(shù)值的概率來(lái)描述。

2σ表示每次測(cè)量結(jié)果有95%的可能性其誤差小于等于這個(gè)值。3σ對(duì)應(yīng)99%的可能性。比如：1m(2σ)

ppm(partpermillion)百萬(wàn)分之...(相對(duì)于基線)導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

182DRMS表示距離誤差均方根值。CEP(圓概率誤差)表示一個(gè)以載體真實(shí)位置為圓心的圓的半徑，每次測(cè)量結(jié)果有50%的可能性其誤差落在這個(gè)圓內(nèi)，即相當(dāng)于有50%的置信度。比如：1m(CEP)

±2m+5ppm(2DRMS)通常，2DRMS值是CEP的2.5倍左右。導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

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覆蓋范圍：指在一個(gè)面積或立體空間內(nèi)，導(dǎo)航系統(tǒng)可以規(guī)定的精度確定載體位置。受幾何關(guān)系、發(fā)射信號(hào)功率、接收機(jī)靈敏度、傳播環(huán)境等影響。北斗一代是覆蓋我國(guó)本土的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)。覆蓋范圍東經(jīng)約70－140度,北緯5-55度。北斗二代覆蓋亞太地區(qū)。

GPS覆蓋全球。導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

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連續(xù)性：導(dǎo)航系統(tǒng)可連續(xù)提供導(dǎo)航服務(wù)的能力。

可用性：導(dǎo)航系統(tǒng)為載體提供可用的導(dǎo)航服務(wù)的時(shí)間的百分比?？煽啃裕簩?dǎo)航系統(tǒng)在給定的使用條件下在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)以規(guī)定的性能完成其功能的概率。平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)：表明系統(tǒng)發(fā)生故障的頻度。導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

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信息更新率：導(dǎo)航系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)提供定位或其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)的次數(shù)。單位Hz。比如：信息更新率10Hz，每秒10次對(duì)更新率的要求與載體的航行速度和所執(zhí)行的任務(wù)有關(guān)系。要求信息更新率與載體操作速度相當(dāng)，或者與載體運(yùn)動(dòng)速度相當(dāng)。導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

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系統(tǒng)容量：指導(dǎo)航系統(tǒng)可以同時(shí)供多少載體使用的能力。無(wú)限系統(tǒng)容量和有限系統(tǒng)容量?jī)煞N。比如：GPS系統(tǒng)是無(wú)限容量北斗一代是有限容量。導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

23全球覆蓋，容量無(wú)限絕對(duì)準(zhǔn)確度和相對(duì)準(zhǔn)確度都必須很高準(zhǔn)確度應(yīng)不受環(huán)境影響實(shí)時(shí)反應(yīng)，可隨運(yùn)動(dòng)而連續(xù)變動(dòng)無(wú)多值解系統(tǒng)穩(wěn)定無(wú)故障，體積、重量和電源消耗都要小。導(dǎo)航系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)

243.無(wú)線電導(dǎo)航定位通過電磁波的發(fā)射、接收和處理，無(wú)線電導(dǎo)航設(shè)備能夠測(cè)量出所在載體相對(duì)于導(dǎo)航臺(tái)的方向、距離、距離差和速度等導(dǎo)航參量。ρ-θ定位θ-θ定位雙曲線定位距離交會(huì)定位

25ρ-θ定位利用測(cè)距系統(tǒng)的圓形位置線與測(cè)向系統(tǒng)的直線位置線相交的方法，可以確定接收點(diǎn)的具體位置M，也稱為極坐標(biāo)定位。

氣象雷達(dá)塔康系統(tǒng)(TacticalAirNavigationSystem,TACAN)

26θ-θ定位通過測(cè)定對(duì)于兩個(gè)導(dǎo)航臺(tái)的方位，可以獲得兩條徑向直線，從而通過這兩條直線的交點(diǎn)可確定飛機(jī)的位置。

伏爾系統(tǒng)(VeryHighFrequencyOmnidirectionalRanging,VOR)

27雙曲線定位通過測(cè)量到一組導(dǎo)航臺(tái)的距離差，可以得到一組雙曲線；同時(shí)測(cè)量到另一組導(dǎo)航臺(tái)的距離差，又可以得到另一組雙曲線。利用這兩組雙曲線的交點(diǎn)，即可確定飛機(jī)的位置。

羅蘭

(Longrangenavigation,Loran)

28距離交會(huì)定位利用2個(gè)或3個(gè)測(cè)距臺(tái)，即可進(jìn)行ρ-ρ或ρ-ρ-ρ定位。

29常用航空無(wú)線電導(dǎo)航系統(tǒng)無(wú)線電高度表（RA）自動(dòng)定向機(jī)（ADF）甚高頻全向信標(biāo)(VOR)測(cè)距機(jī)(DME)儀表著陸系統(tǒng)(ILS)微波著陸系統(tǒng)(MLS)

空中交通管制(ATC)系統(tǒng)精密進(jìn)近雷達(dá)(PAR)

氣象雷達(dá)（WXR）羅蘭(LORAN)系統(tǒng)多卜勒導(dǎo)航雷達(dá)(Transit，CICADA)塔康(TACAN)系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(GPS)全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS）北斗（Compass)系統(tǒng)

304.GPS的特點(diǎn)與組成GPS——GlobalPositioningSystemGPS是美國(guó)研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，可向全球用戶提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、高精度的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。

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1957年，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星發(fā)射成功1958年，美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室開始建立“海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)”（NavyNavigationSatelliteSystem——NNSS）多普勒衛(wèi)星定位系統(tǒng)，也稱“子午(Transit)衛(wèi)星系統(tǒng)”。1964年系統(tǒng)建成啟用。該系統(tǒng)不受氣象條件的限制，自動(dòng)化程度高，具有良好的定位精度。NNSS是低軌道衛(wèi)星，雙曲線定位，1000公里，定位速度1至2天，精度3至5米，難以滿足導(dǎo)航要求。GPS的發(fā)展

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1969年，為滿足軍事和民用對(duì)連續(xù)實(shí)時(shí)和三維導(dǎo)航的迫切要求，美國(guó)國(guó)防部開始組織陸?？杖?，共同研究建立新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的計(jì)劃；1973年，由GPS聯(lián)合計(jì)劃辦公室制定了NAVSTARGPS計(jì)劃，簡(jiǎn)稱GPS。

NavigationSatelliteTimingandranging/GlobalPositioningSystem,NAVSTARGPS導(dǎo)航衛(wèi)星授時(shí)測(cè)距/全球定位系統(tǒng)GPS的發(fā)展

331973-1978年：方案論證階段，發(fā)射了4顆衛(wèi)星1979-1989年：系統(tǒng)論證階段，發(fā)射了7顆衛(wèi)星1990-1999年：建成實(shí)驗(yàn)階段，1993年滿24顆，

1995年達(dá)到預(yù)定工作能力2000-2030年：改進(jìn)更新階段GPS的實(shí)施計(jì)劃

34GPS定位系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：GPS衛(wèi)星星座（空間部分）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分）GPS信號(hào)接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）GPS的組成

35空間部分：

提供星歷和時(shí)間信息

發(fā)射偽距和載波信號(hào)

提供其它輔助信息用戶部分：

接收并測(cè)定衛(wèi)星信號(hào)

記錄原始數(shù)據(jù)

得到導(dǎo)航定位信息地面控制部分：

解算中心控制參數(shù)

實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步

跟蹤衛(wèi)星并進(jìn)行定軌GPS的組成

36GPS的特點(diǎn)軌道面相對(duì)地球赤道面的傾角為55°，各軌道平面升交點(diǎn)赤經(jīng)相差60°。同一測(cè)站上每天出現(xiàn)衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5小時(shí)在地平線以上，位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時(shí)間地點(diǎn)而異，最少4顆，最多達(dá)11顆。

37GPS的測(cè)量精度

38全球性連續(xù)覆蓋，全天候工作定位精度高觀測(cè)時(shí)間短測(cè)站間無(wú)需通視可提供三維坐標(biāo)操作簡(jiǎn)便GPS的優(yōu)點(diǎn)

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SPS與PPS