空間信息系統(tǒng)原理

關(guān)于空間信息系統(tǒng)原理第1頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing)

遙感的基本概念和基礎(chǔ)遙感平臺(tái)遙感成像與遙感圖像特征遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遙感圖像的處理第2頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)

所謂遙感，通常指的是通過某種傳感器裝置，在不與研究對(duì)象直接接觸的情況下，獲得其特征信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行提取、加工、表達(dá)和應(yīng)用的一門科學(xué)技術(shù)。遙感是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的對(duì)地觀測(cè)綜合性技術(shù)。其概念出現(xiàn)于1962年，但其迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用則是在1972年美國(guó)第一顆地球資源技術(shù)衛(wèi)星（Landsat-1）發(fā)射并獲取大量衛(wèi)星圖像之后。第3頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)

遙感的物理基礎(chǔ)是電磁學(xué)。其中幾個(gè)重要的概念就是：電磁波：當(dāng)電磁振蕩進(jìn)入空間，在空間中傳播時(shí)，就形成了電磁波。電磁波譜：將電磁波在真空中傳播的波長(zhǎng)或頻率，按遞增或遞減的順序排列，就構(gòu)成了電磁波譜。電磁輻射：一切物體都能產(chǎn)生電磁波并發(fā)射出去，是輻射源。同時(shí)也能夠吸收和反射其他物體的輻射。黑體：能夠吸收全部入射輻射能量的物體稱絕對(duì)黑體。黑體輻射：絕對(duì)黑體是最有效的輻射體，其輻射度隨溫度T的增加而迅速加大；輻射度的峰值波長(zhǎng)隨溫度的增加向短波方向移動(dòng)，如圖。第4頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月電磁波譜1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)返回第5頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)不同溫度的黑體輻射第6頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)

遙感技術(shù)就是通過觀測(cè)電磁波，從而判斷和分析地表的目標(biāo)以及現(xiàn)象。這當(dāng)中最重要的一個(gè)基礎(chǔ)就是地物的電磁波特性，即“一切物體，由于其種類和環(huán)境條件不同，因而具有反射和輻射不同波長(zhǎng)的電磁波的特性”。換句話說，遙感是一種利用物體反射或輻射電磁波的固有特性，通過觀測(cè)電磁波、識(shí)別物體以及物體存在環(huán)境條件的技術(shù)。觀測(cè)電磁波的裝置是傳感器。第7頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)

太陽輻射（即太陽光）和地球輻射是遙感過程地物反射電磁波的主要來源。太陽光通過大氣照射到地面，經(jīng)過地物反射后返回，再經(jīng)過大氣到達(dá)傳感器。這時(shí)傳感器探測(cè)到的輻射強(qiáng)調(diào)與太陽光到達(dá)地球大氣上空的輻射強(qiáng)度相比，已經(jīng)有了很大的變化（大氣吸收、大氣散射、大氣窗口及折射等）。因此，在分析識(shí)別地物及其環(huán)境時(shí)需要考慮這些因素。同樣，地球作為輻射源的輻射特性和地球作為太陽輻射的接收者的反射特性，都是分析識(shí)別地物及其環(huán)境時(shí)需要考慮的因素。第8頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)

不同的地物對(duì)不同波長(zhǎng)的電磁波的反射率是不同的，由此形成了地物的反射波譜。地物的反射率隨波長(zhǎng)變化是有規(guī)律可循的，這為遙感影像的判讀提供了依據(jù)。如：植被：對(duì)可見光波段有一個(gè)小的反射峰，在綠光處（這是由于葉綠素的影響）；在藍(lán)光和紅光處則有兩個(gè)吸收帶。土壤：沒有明顯的峰值和谷值，一般土質(zhì)月細(xì)反射率越高，有機(jī)質(zhì)含量越高和含水量越高反射率越低。水體：主要在藍(lán)綠光波段反射率高，其他波段吸收都很強(qiáng)。巖石：無統(tǒng)一特性，礦物成分和含量、風(fēng)化程度、含水狀況、顆粒大小、表面光滑度和色澤等都有影響。第9頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)四種地物的反射光譜特性曲線第10頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)四種植物的反射光譜特性曲線第11頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)

地物反射和輻射不同波長(zhǎng)的電磁波的特性稱為地物波譜特性。其測(cè)量是由傳感器（如分光光度計(jì)、光譜儀、攝譜儀等）來完成的，其工作原理就是測(cè)量地物的反射輻射度，經(jīng)光電管轉(zhuǎn)化為電流強(qiáng)度讀出。反射輻射度由三部分組成：太陽經(jīng)大氣衰減后照射地面，經(jīng)地物反射后，又經(jīng)大氣第二次衰減進(jìn)入傳感器的能量；地面物體本身發(fā)射輻射的能量經(jīng)大氣后進(jìn)入傳感器；大氣散射和輻射的能量。第12頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月影響地物波譜特性的因素包括：太陽位置：太陽高度角和方位角；傳感器位置：傳感器的觀測(cè)角和方位角；地理位置：太陽高度角和方位角；地理景觀；海拔高度；大氣透明度等都不同；地物本身的變異：如植物病害，如圖；地物的含水量，如圖時(shí)間的變化，如圖植物生長(zhǎng)期的變化，如圖各種隨機(jī)因素的影響，如圖1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)第13頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)不同健康狀況的松樹反射特性曲線第14頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)不同含水量（濕度）的砂土的反射波譜特性曲線第15頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)新雪和陳雪的反射特性曲線第16頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)白橡樹在不同生長(zhǎng)期的反射特性曲線第17頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)在一分鐘間隔內(nèi)兩次測(cè)定同一麥田的反射率曲線第18頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感的基本概念和基礎(chǔ)

在了解了遙感的基本概念和基礎(chǔ)之后，我們來看看遙感的分類：按遙感平臺(tái)分（按傳感器放置的位置）：地面遙感（如車、船、手提、臺(tái)架）、航空遙感（如飛機(jī)、氣球）、航天遙感（如衛(wèi)星、航天飛機(jī)、空間站）、宇航遙感（如星際飛船）。按傳感器的探測(cè)波段分：紫外、紅外、微波、可見光以及多波段遙感。按工作方式分：主動(dòng)遙感（傳感器主動(dòng)發(fā)射電磁波并接收目標(biāo)的反射信號(hào)）和被動(dòng)遙感（只接收目標(biāo)自身的輻射及對(duì)自然輻射的反射信號(hào)）；成像遙感和非成像遙感。按應(yīng)用領(lǐng)域分：如外層空間遙感、大氣層遙感、陸地遙感、海洋遙感等。還可以更加細(xì)分，如環(huán)境，農(nóng)、林、漁等。第19頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感平臺(tái)

遙感平臺(tái)是搭載傳感器的工具，根據(jù)運(yùn)載工具的類型，可分為宇航平臺(tái)、航天平臺(tái)、航空平臺(tái)和地面平臺(tái)。宇航平臺(tái)：主要是利用星際飛船，對(duì)地月之外的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)；航天平臺(tái)：高度在150km以上，如靜止衛(wèi)星（位于赤道上空36000km）、地球觀測(cè)衛(wèi)星（約700～900km）、航天飛機(jī)（高300km左右）；航空平臺(tái)：包括低、中、高空飛機(jī)和飛艇、氣球等，高度在百米至十余千米不等；地面平臺(tái)：包括車、船、塔、手提等，高度在0～50m。航天平臺(tái)是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的平臺(tái)，根據(jù)其服務(wù)內(nèi)容，可分為氣象衛(wèi)星系列、陸地衛(wèi)星系列和海洋衛(wèi)星系列。第20頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感平臺(tái)

氣象衛(wèi)星主要用于天氣分析、氣象預(yù)報(bào)、氣候研究、氣候變遷以及其他資源環(huán)境研究。氣象衛(wèi)星分極地太陽同步軌道和地球同步軌道兩種。前者每天由南向北繞地球運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)整個(gè)地球進(jìn)行觀測(cè)；后者則對(duì)某一固定地區(qū)觀測(cè)。氣象衛(wèi)星具有短周期重復(fù)觀測(cè)、成像面積大、連續(xù)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和成本低等特點(diǎn)。全球氣象衛(wèi)星主要有：靜止衛(wèi)星：日本（GMS）、美國(guó)（SMS/GOES）、歐洲空間局（Meteosat）、俄羅斯（COMS）、中國(guó)（風(fēng)云1號(hào)，1988、1990年）極地衛(wèi)星：美國(guó)（NOAA系列）、俄羅斯（Meteop系列）、中國(guó)（風(fēng)云2號(hào)，1997年）第21頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感平臺(tái)

航天遙感中應(yīng)用最廣、最深入的就是陸地衛(wèi)星，其應(yīng)用幾乎涉及地學(xué)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。主要的陸地衛(wèi)星包括：美國(guó)的陸地衛(wèi)星系列（Landsat）法國(guó)的SPOT衛(wèi)星中國(guó)的資源一號(hào)衛(wèi)星其他陸地衛(wèi)星第22頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感平臺(tái)Landsat系列衛(wèi)星

1972年7月23日美國(guó)發(fā)射第一顆地球資源衛(wèi)星ERTS-1；

1975年發(fā)射ERTS-2，改名Landsat-2；

1978年發(fā)射Landsat-3；

1982年在Landsat1-3的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)并發(fā)射Landsat-4；

1984年發(fā)射Landsat-5；

1993年發(fā)射Landsat-6衛(wèi)星，上天后由于故障隕落；

1999年發(fā)射Landsat-7。

Landsat系列衛(wèi)星的運(yùn)行特點(diǎn)是近圓形、近極地、與太陽同步、可重復(fù)軌道等。目前，只有Landsat-5和Landsat-7仍在運(yùn)轉(zhuǎn)工作。第23頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感平臺(tái)Landsat衛(wèi)星外觀第24頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感平臺(tái)SPOT系列衛(wèi)星：由瑞典、比利時(shí)等國(guó)參加，由法國(guó)國(guó)家空間研究中心設(shè)計(jì)制造。1986年發(fā)射第一顆SPOT-1；1989年發(fā)射SPOT-2；1993年發(fā)射SPOT-3；1996年發(fā)射SPOT-4；

SPOT系列衛(wèi)星的軌道是太陽同步圓形近極地軌道，軌道高度832km、運(yùn)行周期101.4min、軌道傾角98.7、重復(fù)周期26天(369圈)。第25頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感平臺(tái)SPOT衛(wèi)星外觀第26頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感平臺(tái)1999年10月14日，我國(guó)第一顆地球資源遙感衛(wèi)星——資源一號(hào)衛(wèi)星（又稱中巴地球資源衛(wèi)星，China-BrazilEarthResourceSatellite，CBERS

）在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。資源一號(hào)衛(wèi)星的軌道是太陽同步極地軌道，高度778km，傾角98.5；運(yùn)行周期100.26min；重復(fù)時(shí)間26天（373圈）。所攜帶的傳感器最高空間分辨率是19.5m。第27頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感平臺(tái)

海洋衛(wèi)星主要用于觀察海況，研究海面形態(tài)、海面溫度、風(fēng)場(chǎng)、海冰、大氣含水量等。1978年6月26日美國(guó)發(fā)射了世界上第一顆海洋衛(wèi)星Seasat1。雖然這顆衛(wèi)星因?yàn)殡娫垂收现还ぷ髁?05天，但卻開創(chuàng)了海洋遙感和微波遙感的新階段。由于海洋具有面積大、反射強(qiáng)、海水透明差異明顯、海面特殊等特點(diǎn)，使得海洋遙感需要高空和空間平臺(tái)、以微波為主，同時(shí)結(jié)合激光、聲波等。主要的海洋衛(wèi)星包括：美國(guó)的Seasat1、“雨云”7號(hào)（Nimbus-7）日本的海洋觀測(cè)衛(wèi)星MOS1

歐洲空間局的ERS系列加拿大的雷達(dá)衛(wèi)星RADARSAT第28頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感成像與遙感圖像特征

遙感成像主要分為兩種，即攝影成像和掃描成像。

攝影成像：攝影是通過成像設(shè)備獲取物體的影像技術(shù)。傳統(tǒng)攝影是依靠光學(xué)鏡頭及放置在焦平面的感光膠片來記錄物體影像。數(shù)字?jǐn)z影則通過放置的焦平面的光敏元件，經(jīng)光/電轉(zhuǎn)換，以數(shù)字信號(hào)來記錄物體的影像。依據(jù)探測(cè)波長(zhǎng)的不同，又可分近紫外攝影、可見光攝影、紅外攝影、多光譜攝影等。

掃描成像：依靠探測(cè)元件和掃描鏡對(duì)目標(biāo)物體以瞬時(shí)視場(chǎng)為單位進(jìn)行的逐點(diǎn)、逐行取樣，以得到目標(biāo)物的電磁輻射特性信息，形成一定譜段的圖像。其探測(cè)波段可包括紫外、紅外、可見光和微波波段等。成像方式有光/機(jī)掃描成像、固體自掃描成像和高光譜成像光譜掃描三種。第29頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感成像與遙感圖像特征

遙感圖像是各種傳感器所獲信息的產(chǎn)物，是遙感探測(cè)目標(biāo)的信息載體。通過遙感圖像，人們希望獲得三個(gè)方面的信息：目標(biāo)地物的大小、形狀及空間分布特點(diǎn)；目地物的屬性特點(diǎn)；目標(biāo)地物的變化動(dòng)態(tài)特點(diǎn)。為此，可將遙感圖像歸納為三個(gè)方面的特征，即幾何特征、物理特征和時(shí)間特征，其表現(xiàn)參數(shù)為：空間分辨率：象素所代表的地面范圍。波譜分辨率：傳感器在接收目標(biāo)輻射的波譜時(shí)能分辯的最小波長(zhǎng)間隔，間隔越小，分辨率越高。輻射分辨率：傳感器在接收波譜信號(hào)時(shí)能分辯的最小輻射度差。時(shí)間分辨率：對(duì)同一地點(diǎn)進(jìn)行遙感采樣的時(shí)間間隔。第30頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括五個(gè)部分：控制中心跟蹤站地面接收站數(shù)據(jù)處理中心遙感基礎(chǔ)研究中心第31頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)第32頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制中心是整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的大腦，監(jiān)測(cè)和指揮衛(wèi)星的運(yùn)行；制定衛(wèi)星及傳感器每天的日程；控制和協(xié)調(diào)全系統(tǒng)的正常工作。美國(guó)陸地衛(wèi)星控制中心位于東海岸馬里蘭州。法國(guó)SPOT衛(wèi)星的控制中心設(shè)在法國(guó)南部城市圖魯茲市郊國(guó)家空間研究中心。我國(guó)衛(wèi)星控制中心設(shè)在西昌地區(qū)。第33頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)跟蹤站跟蹤星體，不斷對(duì)星體進(jìn)行觀測(cè)；將測(cè)得的衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)及時(shí)提供給控制中心，以計(jì)算星體空間軌道及其變化，控制星體的運(yùn)行；固定跟蹤站。流動(dòng)跟蹤站。目前多配置GPS用戶終端。第34頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)地面接收站接收衛(wèi)星發(fā)送的遙感圖像信息及衛(wèi)星姿態(tài)、星歷參數(shù)等；將信息記錄在高密度數(shù)字磁帶上，然后送往數(shù)據(jù)處理中心；接收美國(guó)陸地衛(wèi)星的地面接收站，如表；我國(guó)衛(wèi)星遙感地面接收站在北京，可接收除新疆、西藏、云南部分地區(qū)以外的約80%地域的多波段掃描儀（MultispectralScanner，MSS）、專題成像儀（ThematicMapper，TM）圖像信息，如圖；我國(guó)空缺地帶可由泰國(guó)接收站彌補(bǔ)，如圖；第35頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)返回第36頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)北京接收站陸地衛(wèi)星圖像覆蓋范圍第37頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)泰國(guó)曼谷接收站陸地衛(wèi)星圖像覆蓋范圍第38頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中心對(duì)地面接收站送來高密度數(shù)字磁帶進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，生產(chǎn)可供用戶使用的計(jì)算機(jī)兼容磁帶CCT(ComputerCompatibleTape)和70mm的膠片等。我國(guó)衛(wèi)星圖像接收站的數(shù)據(jù)處理中心設(shè)在北京，包括：計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)照相處理系統(tǒng)第39頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遙感基礎(chǔ)研究中心對(duì)星體、傳感器、發(fā)射、測(cè)控、通訊等進(jìn)行基礎(chǔ)研究；進(jìn)行衛(wèi)星和航空遙感的模擬試驗(yàn)；試驗(yàn)遙感儀器設(shè)備的性能；研究地物的波譜特性；遙感圖像解譯理論和應(yīng)用理論的研究。第40頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感圖像的處理

為了使得遙感圖像能夠符合人們的使用，通常需要對(duì)它進(jìn)行各種處理：光學(xué)處理：用光學(xué)的方法處理遙感圖像，使其有用信息更加突出，更加適合判讀。糾正處理：主要是消除圖像的畸變，包括輻射糾正和幾何糾正。前者是由于太陽位置、大氣吸收和散射等引起；后者則是由于遙感平臺(tái)的速度、姿態(tài)、傳感器、地形起伏等引起，需要通過采集地面控制點(diǎn)進(jìn)行糾正。增強(qiáng)處理：主要用于改善目視效果，使有用的信息更加突出。通常的方法包括對(duì)比度變換、空間濾波、彩色變換圖像運(yùn)算和多光譜變換等。第41頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月1、遙感（RemoteSensing) ——遙感信息的獲取和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

多源信息的復(fù)合：將多種遙感平臺(tái)、多時(shí)相遙感數(shù)據(jù)之間以及遙感數(shù)據(jù)和非遙感數(shù)據(jù)之間的信息進(jìn)行組合和匹配，使得復(fù)合后的圖像數(shù)據(jù)更加有利于綜合分析。圖像解譯：是從遙感圖像上獲得目標(biāo)地物信息的過程。一般分為兩種：目視解譯，由專業(yè)人員通過直接觀察或借助判讀儀器在遙感圖像上獲取特定目標(biāo)地物信息。計(jì)算機(jī)解譯，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為支撐環(huán)境，利用模式識(shí)別技術(shù)和人工智能技術(shù)，根據(jù)遙感圖像中目標(biāo)地物的各種影像特征（顏色、形狀、紋理與空間位置），結(jié)合專家知識(shí)庫中對(duì)目標(biāo)地物的解譯經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律等進(jìn)行分析和推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感圖像的理解。第42頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）GPS的基本概念

GPS的系統(tǒng)組成

GPS的定位原理

GPS誤差和糾正其他衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)第43頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS的基本概念

全球定位系統(tǒng)（GPS）是利用衛(wèi)星進(jìn)行點(diǎn)位測(cè)量和導(dǎo)航技術(shù)的一種，其全稱是導(dǎo)航衛(wèi)星測(cè)時(shí)和測(cè)距/全球定位系統(tǒng)（NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositionSystem）。它是由美國(guó)軍方組織研制建立，從1973年開始實(shí)施，到1994年完成，可實(shí)現(xiàn)地球上任何地方，任何時(shí)刻的自動(dòng)定位。第44頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS的系統(tǒng)組成GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分——GPS衛(wèi)星星座地面控制部分——地面監(jiān)控系統(tǒng)用戶設(shè)備部分——GPS信號(hào)接收機(jī)第45頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月空間部分：衛(wèi)星分布

21顆工作衛(wèi)星，3顆備用衛(wèi)星；每4顆衛(wèi)星工作在同一軌道平面內(nèi)，24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面，彼此夾角為60；軌道平面相對(duì)于赤道的傾角為55；衛(wèi)星離地面高度20200km；

12恒星時(shí)(11hr58min2.05s)繞地球一周；地球上任何地方任何時(shí)刻同時(shí)可收到4顆以上GPS衛(wèi)星的信號(hào)。2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS的系統(tǒng)組成第46頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS的系統(tǒng)組成GPS衛(wèi)星分布第47頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS的系統(tǒng)組成空間部分：衛(wèi)星運(yùn)行

每顆衛(wèi)星連續(xù)發(fā)射兩種頻率的電磁波

L1載波：f1=1575.42MHZ;1=19.0cmL2載波：f2=1227.60MHZ;2=24.4cm

每種載波有2類調(diào)制信號(hào)導(dǎo)航信號(hào)電文信號(hào)第48頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS的系統(tǒng)組成空間部分：衛(wèi)星運(yùn)行——導(dǎo)航信號(hào)粗碼（C/A碼）：面向民間用戶

1ms重復(fù)一次，容易用來捕獲導(dǎo)航信號(hào)；僅調(diào)制在L1載波上；

f=1.023Mb/s;=300m;精度3m;

精碼（P碼）：面向美國(guó)軍方及其他特許部門

7天重復(fù)一次，不易捕獲；可用于精密定位；可調(diào)制在L1、L2上；

f=10.23Mb/s；=30m;精度0.3m;P碼和C/A碼用于實(shí)時(shí)測(cè)定衛(wèi)星和接收機(jī)的直接距離。第49頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS的系統(tǒng)組成空間部分：衛(wèi)星運(yùn)行——電文信號(hào)同時(shí)調(diào)制L1和L2載波上；向用戶發(fā)播的電文信息包括：衛(wèi)星運(yùn)行情況；確定C/A碼過渡到P碼時(shí)間同步用的交接碼；衛(wèi)星鐘修正和星歷參數(shù)；修正電離層傳播延遲用的參數(shù)；系統(tǒng)中所有其它衛(wèi)星的星歷表和歷書信息。第50頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS的系統(tǒng)組成地面控制部分負(fù)責(zé)衛(wèi)星控制、時(shí)間同步、衛(wèi)星的跟蹤和監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星軌道控制向衛(wèi)星發(fā)送星歷

GPS的地面控制系統(tǒng)由位于美國(guó)科羅拉多的主控站、以及分布全球的三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站組成。第51頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS的系統(tǒng)組成用戶部分天線接受機(jī)對(duì)天線接收的信號(hào)進(jìn)行處理，獲取觀測(cè)值。微處理機(jī)

選擇合適的衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，以獲得最佳幾何圖形；對(duì)觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)流層折射改正，電離層折射改正及其它改正；根據(jù)觀測(cè)值及衛(wèi)星星歷進(jìn)行平差計(jì)算，求得用戶所需的三維坐標(biāo)和速度等；對(duì)整個(gè)用戶設(shè)備進(jìn)行控制、自檢核，并通過輸入輸出設(shè)備和操作人員保持聯(lián)系。輸入輸出設(shè)備第52頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS的定位原理GPS定位的基本原理是利用測(cè)距交會(huì)確定點(diǎn)位。D1D2D3準(zhǔn)確位置一臺(tái)接收機(jī)同時(shí)獲得與四個(gè)以上的GPS衛(wèi)星之間的距離。若多于四個(gè)，則可優(yōu)選出四個(gè)進(jìn)行計(jì)算。第53頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS誤差和糾正GPS接收機(jī)進(jìn)行測(cè)距時(shí)，一般都采取被動(dòng)式測(cè)距，即發(fā)射站（衛(wèi)星）精確地按規(guī)定瞬間發(fā)出信號(hào)，GPS接收機(jī)根據(jù)自己的時(shí)鐘記錄接收信號(hào)的時(shí)間，依據(jù)兩者之間的時(shí)間差，求出單程距離，由于包含時(shí)鐘誤差及大氣層延遲誤差，也稱偽距法。若不考慮時(shí)鐘誤差及大氣層延遲誤差，則GPS接收機(jī)與衛(wèi)星的距離為：R=C*t，此時(shí)定位精度太差；若考慮，則計(jì)算復(fù)雜，改正也有限。只用一個(gè)GPS接收機(jī)進(jìn)行定位，稱為絕對(duì)GPS定位，其優(yōu)點(diǎn)是全球性、實(shí)時(shí)性，但精度有限，誤差難以消除。第54頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS誤差和糾正

除了存在測(cè)距誤差之外，美國(guó)國(guó)防部為了防止未經(jīng)許可的用戶將GPS用于軍事目的，還實(shí)施了各種技術(shù)對(duì)定位精度進(jìn)行限制。首先就是用反電子欺騙技術(shù)（Anti-spoofing，AS）將P碼（精碼）進(jìn)行加密，禁止一般用戶獲得；其次就是采取選擇可用性技術(shù)（SelectiveAvailability，SA），將C/A碼的定位精度從20m降低到100m。

1996年3月底，美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)栃婷绹?guó)政府將對(duì)GPS政策進(jìn)行重大改變，并同時(shí)宣布將繼續(xù)免收用戶直接費(fèi)用而向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（StandardPositionService，SPS）和其他用于商業(yè)及和平目的定位服務(wù)。根據(jù)這一政策，預(yù)計(jì)將在2006年左右最終停止執(zhí)行SA政策，但事實(shí)上白宮已于2000年5月1日取消了SA政策。第55頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2、GPS（GlobalPositionSystem）

——GPS誤差和糾正

雖然測(cè)距誤差和認(rèn)為誤差給GPS的民用帶來了很大的障礙，但是可以通過差分技術(shù)來糾正。差分技術(shù)的原理就是通過2臺(tái)或多臺(tái)GPS接收機(jī)，在一個(gè)或多個(gè)已知位置安置一臺(tái)或多臺(tái)GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星信號(hào)，其他一臺(tái)GPS接收機(jī)作為未知位置的定位設(shè)備，通過它們的同步觀測(cè)值之差便可以消除常數(shù)的系統(tǒng)誤差。這種定位方式稱為相對(duì)GPS定位。靜態(tài)差分：利用基準(zhǔn)站和定位設(shè)備之間的同步觀測(cè)值進(jìn)行誤差消除的過程是在測(cè)量后進(jìn)行的。動(dòng)態(tài)差分：誤差消除的過程是利用通信設(shè)備在測(cè)量的同時(shí)進(jìn)行的。第56頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月其他的衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)還有：俄羅斯的全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（GLONASS），與GPS極為相似，也由24顆衛(wèi)星組成（21顆工作，3顆在軌備用）。我國(guó)的雙星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，又稱無線電測(cè)向衛(wèi)星業(yè)務(wù)（RDSS）系統(tǒng)。這是一個(gè)導(dǎo)航和個(gè)人通信技術(shù)結(jié)合的衛(wèi)星