全球定位系統(tǒng)

全球定位系統(tǒng)第1頁/共53頁在東海路銀都花園附近，8號、9號警車對被劫寶馬形成合圍，不熟悉地形的“劫匪”見情況不妙，立即逼迫王某將車轉(zhuǎn)到臺南路。臺南路道路狹窄、車輛較多，寶馬車的車速被迫慢下來。指揮中心的民警在電腦前將鼠標指向了GPS系統(tǒng)里的“斷油斷電”指令，正在行駛的寶馬車在?？诼方鸲夹麓彘T前突然“趴窩”。還沒等“劫匪”回過神來，4名持槍民警已經(jīng)將寶馬車團團包圍,迅速將兩名“劫匪”摁住。第2頁/共53頁一、全球定位系統(tǒng)Globalpositioningsystem(GPS)通俗地說：1、定位:2、導(dǎo)航:我現(xiàn)在在哪里？我要去哪里？如何去？1.概念：具有海陸空進行全方位、實時三維導(dǎo)航與定位功能的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。第3頁/共53頁

[閱讀指導(dǎo)]

GPS的起源

在衛(wèi)星定位系統(tǒng)出現(xiàn)之前，遠程導(dǎo)航與定位主要用無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。1．無線電導(dǎo)航系統(tǒng)缺點：覆蓋的工作區(qū)域小；電波傳播受大氣影響；定位精度不高。第4頁/共53頁2．衛(wèi)星定位系統(tǒng)最早的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國的子午儀系統(tǒng)(TRANSIT)，1958年研制．1964年正式投入使用。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少(5～6顆)，運行高度較低(平均1000km)，從地面站觀測到衛(wèi)星的時間間隔較長(平均1．5h)，因而它無法提供連續(xù)的實時三維導(dǎo)航，而且精度較低。為滿足軍事部門和民用部門對連續(xù)實時和三維導(dǎo)航的迫切要求，1973年美國國防部制定了GPS計劃。第5頁/共53頁3．GPS發(fā)展歷程

GPS實施計劃共分三個階段：

第一階段為方案論證和初步設(shè)計階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。

第二階段為全面研制和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星。研制了各種用途的接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設(shè)計標準。第6頁/共53頁第三階段為實用組網(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進入工程建設(shè)階段。1993年底實用的GPS網(wǎng)即(21+3)GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。第7頁/共53頁

導(dǎo)航與定位技術(shù)的發(fā)展全球定位系統(tǒng)是美國從本世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位的新一代衛(wèi)星系統(tǒng)。目前的全球覆蓋率為98%。在美國,GPS全球衛(wèi)星定位技術(shù)與“阿波羅”飛船登月,航天飛機升空,共同被列為20世紀“三大航天工程”能實時測量“四度”：經(jīng)度、緯度、高度、速度。第8頁/共53頁[跨越障礙]

全球定位系統(tǒng)的特點是什么

(1)全球，全天候工作。

(2)能為用戶提供連續(xù)、實時的三維位置、三維速度和精密時間，不受天氣的影響。

(3)定位精度高：單機定位精度優(yōu)于10米，采用差分定位，精度可達厘米級和毫米級。

(4)功能多，應(yīng)用廣：隨著人們對GPS認識的加深，GPS不僅在測量、導(dǎo)航、測速、測時等方面取得更廣泛的應(yīng)用．而且其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。第9頁/共53頁2.特點和用途：特點：全能性、全球性、全天候、連續(xù)性、實時性提供精密的三維坐標、速度和時間信息第10頁/共53頁3.GPS功能1、定位:2、導(dǎo)航:我現(xiàn)在在哪里？我要去哪里？如何去？3、測量：精度高，方便攜帶，操作簡單4、跟蹤：跟蹤-監(jiān)視人或物體的運動。5、定時：提供精確的時間。第11頁/共53頁二、全球定位系統(tǒng)組成1.組成：包括三大部分空間星座、地面控制部分、用戶系統(tǒng)第12頁/共53頁GPS定位系統(tǒng)1、空間星座:由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成，24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)（24顆衛(wèi)星、6條軌道）第13頁/共53頁GPS的空間部分的組成6個軌道面平均軌道高度20200km軌道傾角55周期11h58min（顧及地球自轉(zhuǎn)，地球-衛(wèi)星的幾何關(guān)系每天提前4min重復(fù)一次）GPS的空間部分①GPS定位系統(tǒng)第14頁/共53頁GPS的空間部分②GPS衛(wèi)星星座設(shè)計星座：21+321顆正式的工作衛(wèi)星+3顆活動的備用衛(wèi)星保證在每天24小時的任何時刻，在高度角15以上，能夠同時觀測到4顆以上衛(wèi)星GPS定位系統(tǒng)第15頁/共53頁BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同類型的GPS衛(wèi)星第16頁/共53頁然后你又遇到了另外一個路人，他告訴你距離李家村15千米。你按同樣的方法，繪制第二個圓（圖Ｂ）?，F(xiàn)在，你得到了兩個交點，你必定處在其中一個點的位置。假如你在野外迷了路，為了確定你所處的位置，你向一個路人詢問，他告訴你這里離王家村10千米。你于是打開地圖，找到王家村，以它為圓心，按比例尺在地圖上畫一個半徑相當于10千米的圓.第17頁/共53頁這時，你向第三個人打聽到，這里距離張家村10千米。當你把這個圓在地圖上畫好后，你的位置也就一目了然了（圖Ｃ）。這就是三邊測量術(shù)的原理。第18頁/共53頁

GPS的定位原理與“三邊測量術(shù)”原理相似。不同的是3顆衛(wèi)星代替了3個村子,地圖上平面圓變成了三維球面。問題探討:

按照理論,我們知道要保證地面各點能接收到信息只要3顆衛(wèi)星就可以了,為什么我們要用4顆衛(wèi)星呢?

當GPS收到3顆衛(wèi)星的信號，它只能計算出2維坐標：經(jīng)度和緯度，這時它可能還會顯示高度數(shù)據(jù)，但這數(shù)據(jù)是無效的。當GPS能夠收到4顆及以上衛(wèi)星的信號時，它能計算出本地的3維坐標：經(jīng)度、緯度、高度。第19頁/共53頁

如圖GPS接收機接收GPS衛(wèi)星A、B、C傳來的信號，計算出接收機與它們之間的距離，然后分別以3顆衛(wèi)星為球心，以該衛(wèi)星到接收機之間的距離為半徑，“繪制”3個巨大的球體。3個球體會交于兩點，其中那個與地球表面相交的點就是這臺GPS接收機所處的位置，然后通過計算得到該接收機所處的經(jīng)緯度。衛(wèi)星D測量GPS接收機所在的高程。第20頁/共53頁2、地面控制部分1個主控站3個注入站5個監(jiān)控站第21頁/共53頁地面監(jiān)控系統(tǒng)主要用于監(jiān)測和控制衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作以及衛(wèi)星是否沿著預(yù)定軌道運行。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準——GPS時間系統(tǒng)第22頁/共53頁監(jiān)測站—獲取GPS數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)送至主控站。主控站--控制、調(diào)度衛(wèi)星。注入站—將主控站的改正參數(shù)等注入每顆衛(wèi)星。第23頁/共53頁第24頁/共53頁

主控站位于美國科羅拉多的斯平士（ColoradoSprings）的聯(lián)合空間執(zhí)行中心（CSOC），三個注入站分別設(shè)在大西洋、印度洋和太平洋的三個美國軍事基地上，即大西洋的阿松森島（Ascension）、印度洋的迭哥·伽西亞(島DiegoGarcia)和太平洋的夸賈林島Kwajalein),五個監(jiān)測站設(shè)在主控站和三個注入站以及夏威夷島。第25頁/共53頁第26頁/共53頁GPS的地面監(jiān)控部分①地面監(jiān)控部分（GroundSegment）組成主控站：1個監(jiān)測站：5個注入站：3個通訊與輔助系統(tǒng)第27頁/共53頁GPS的地面監(jiān)控部分②地面監(jiān)控部分（GroundSegment）分布注入站第28頁/共53頁GPS的地面監(jiān)控部分③監(jiān)測站（5個）作用：

接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)，采集氣象信息，并將所收集到的數(shù)據(jù)傳送給主控站。地點：

夏威夷、主控站及三個注入站。第29頁/共53頁GPS的地面監(jiān)控部分④主控站（1個）作用：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(dǎo)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。第30頁/共53頁3、用戶設(shè)備GPS衛(wèi)星接收機硬件（接收單元和天線單元）GPS數(shù)據(jù)處理軟件第31頁/共53頁(3)GPS信號接收機

GPS信號接收機的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間。第32頁/共53頁GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶，只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備即GPS信號接收機。可以在任何時候用GPS信號進行導(dǎo)航定位測量。根據(jù)使用目的的不同，用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機，產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來分類。第33頁/共53頁導(dǎo)航型接收機第34頁/共53頁測地型接收機天線單元接收單元第35頁/共53頁授時接收機第36頁/共53頁用戶設(shè)備類型應(yīng)用用于運動載體的導(dǎo)航，分為車載型、艦載型、機載型和星載型能夠?qū)崟r給出載體的位置和速度，價格便宜，應(yīng)用廣泛測地接收機定位精度高，儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較貴授時接收機用于天文臺及無線電通訊利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間進行授時用于精密大地測量導(dǎo)航接收機第37頁/共53頁返回第38頁/共53頁應(yīng)用領(lǐng)域性能優(yōu)點功能手持型GPS接受機多為導(dǎo)航使用（掌握）夜晶顯示，導(dǎo)航畫面清晰，配有背景燈，方便夜間操作，功能齊全不需要地面設(shè)備，只要收到衛(wèi)星信號，就能快速定位，不受天氣、行政區(qū)域的限制能夠計算當?shù)氐膰H標準時間，處于運動狀態(tài)還能指出正北方，并將經(jīng)過的地點、路線記錄下來，方便返回時用；計算兩點的距離，實現(xiàn)坐標系之間的相互轉(zhuǎn)換；計算日出、日落時間手持型GPS接收機第39頁/共53頁全球定位系統(tǒng)的組成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)空間位置組成和分布全球定位系統(tǒng)GPS衛(wèi)星星座地面監(jiān)控系統(tǒng)GPS信號接收機空間由2l顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成，24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)地面由分布在全球的5個地面站(包括5個監(jiān)控站、1個主控站和3個注入站，主控站和注入站都位于監(jiān)控站里)組成用戶導(dǎo)航型接收機、測地型接收機、授時接收機第40頁/共53頁二、GPS的應(yīng)用領(lǐng)域1、GPS在軍事上的應(yīng)用3、GPS在交通上的應(yīng)用4、GPS在旅游探險中的應(yīng)用2、民用GPS第41頁/共53頁1、GPS在軍事上的應(yīng)用

隨著衛(wèi)星技術(shù)在軍事領(lǐng)域的廣泛運用，戰(zhàn)爭的陸、海、空三維空間已發(fā)展到陸、海、空、天、電（磁）五維空間。在海灣戰(zhàn)爭中，美國航天司令部統(tǒng)一指揮了約70顆衛(wèi)星，支援陸?？兆鲬?zhàn)，海灣戰(zhàn)爭也因此被稱為“第一次空間戰(zhàn)爭”。顯然，誰擁有“制信息權(quán)”，誰就能掌握高技術(shù)戰(zhàn)場的主動權(quán)，而“制信息權(quán)”又離不開“制天權(quán)”?！爸铺鞕?quán)”與美國國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)也有著密不可分的聯(lián)系，如果衛(wèi)星被毀或“致盲”它就會癱瘓，因此，美國在打“衛(wèi)星戰(zhàn)”方面比誰都起勁。作用：給航行中的軍艦、飛機及導(dǎo)彈等設(shè)施提供定位和導(dǎo)航信息；同時也應(yīng)用于野外行進中的單兵和移動裝置的定位及跟蹤第42頁/共53頁轟炸前后的巴格達衛(wèi)星圖第43頁/共53頁GPS在交通運輸中的作用車載型GPS機1、GPS在交通上的應(yīng)用第44頁/共53頁

本次測量除采用1975年時的傳統(tǒng)測量方法外，還采取GPS測量系統(tǒng)。

珠穆朗瑪峰高度最新測量結(jié)果為8844.43米

參數(shù)：珠穆朗瑪峰峰頂巖石面高程測量精度±0.21米；峰頂冰雪深度3.50米。

原1975年公布的珠峰高程數(shù)據(jù)停止使用。2005年10月9日上午10時，國家測繪局局長陳邦柱宣布珠穆朗瑪峰高度最新測量結(jié)果：3、GPS在測量上的應(yīng)用第45頁/共53頁

地處北回歸線以北5°，在崇山峻嶺之間，幽深而綿長地躺臥著一條“巨龍”——世界上最深和最長的峽谷，1998年10月，中國國務(wù)院正式批準將這一世界最大峽谷科學(xué)地定名為——雅魯藏布大峽谷。其峽谷核心河段平均深度為5000米，最深處達5382米，峽谷長496.3千米，遠遠超過了此前認為是世界第一的秘魯科爾卡大峽谷（深3200米）。雅魯藏布大峽谷最窄處為74米，一般寬在80至200米之間。

世界上最大的峽谷－－美國科羅拉多大峽谷,也是地球上自然界7大奇景之一。該大峽谷全長347千米,寬6至29千米,深1600米,位于美國西部亞利桑那州北部的凱巴布高原。雅魯藏布江大峽谷的基本特點可以用十個字來概括：高、壯、深、潤、幽、長、險、低、奇、秀。

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通過GPS定位和監(jiān)控管理系統(tǒng)可以對遇有險情或發(fā)生事故的車輛進行緊急援助。監(jiān)控臺的電子地圖可顯示求助信息和報警目標，規(guī)劃出最優(yōu)援助方案，并以報警聲、光提醒值班人員進行應(yīng)急處理。案例：2005年8月10日傍晚六點左右，飛達GPS監(jiān)控中心接到要求查詢粵S4HXXX車輛位置的電話，原來駕駛該車輛的趙先生當天下午被一伙歹徒劫持了，這伙歹徒打電話給趙先生的親人勒索金錢，飛達監(jiān)控中心迅速查出該車輛停放在惠州市惠環(huán)鎮(zhèn)離莞惠公路約100米的地方，并將情況通知了公司的負責人。傍晚七點半，飛達公司人員到達現(xiàn)場，利用先進的專用設(shè)備，很快發(fā)現(xiàn)該車輛，為了不打草驚蛇，指示監(jiān)控中心將車輛斷油斷電。后來，在當?shù)鼐斓拇罅ψ凡断?，將一名探聽虛實的賊抓獲。警察根據(jù)他提供的指示很快找回了被劫持了的趙先生，人和車都完好無損。經(jīng)審訊，該團伙共有八人，專門伺機對東莞的車主進行綁架勒索，已多次作案，想不到這次栽在衛(wèi)星定位手里。4、GPS在野外探險中的應(yīng)用第47頁/共53頁

在2006年的“五一”黃金周，12位北京戶外運動愛好者在內(nèi)蒙古庫布其沙漠進行徒步穿越時被困，其中一位隊員不幸遇難。由于遇險地點位于沙漠深處，給搜救工作帶來很大困難。所幸的是探險隊員們隨身帶了GPS全球衛(wèi)星定位手持機，通過GPS定位準確地向救援人員報告了遇險地點的經(jīng)緯度坐標，救援人員也通過GPS定位，在茫茫沙漠中找到了被困隊員。這次意外，讓更多人知道了GPS這個名詞。如果沒有GPS，在沒有向?qū)У那闆r下，這樣的沙漠穿越與救援幾乎是不可想象的。在旅游及野外考察中，比如到風景秀麗的地區(qū)去旅游，到原始大森林、雪山峽谷或者大沙漠地區(qū)去進行野外考察，GPS接收機是你最忠實的向?qū)??？梢噪S時知道你所在的位置及行走速度和方向，使你不會迷失路途。4、GPS在軍事上的應(yīng)用第48頁/共53頁（1）精準農(nóng)業(yè)耕作

利用GPS技術(shù)，配合遙感技術(shù)（RS）和地理信息系統(tǒng)（GIS），能夠做到監(jiān)測農(nóng)作物產(chǎn)量分布、土壤成分和性質(zhì)分布、做到合理施肥、播種和噴灑農(nóng)藥，節(jié)約費用、降低成本、達到增加產(chǎn)量提高效益的目的。利用差分GPS技術(shù)可以做到：土壤養(yǎng)分分布調(diào)查、監(jiān)測作物產(chǎn)量、合理施肥，精確農(nóng)業(yè)管理。在作物生長期的管理中，利用遙感圖象并結(jié)合GPS可繪出作物色彩變化圖。利用GPS定位采集一定數(shù)量的土壤及作物樣品進行分析，可以繪制出作物生長的不同時期的土壤含量的系列分布圖。這樣可以做到精確地對作物生長進行管理。5、GPS在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用第49頁/共53頁（2）在林業(yè)管理方面的應(yīng)用GPS技術(shù)在確