GPS原理和應(yīng)用第一講

GPS原理及其應(yīng)用

(一)第一章 緒論§1.1全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景§1.2GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用§1.1全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景什么是GPS？GPS的英文全稱是 NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem 簡稱GPS，有時也被稱作NAVSTARGPS。其意為“導(dǎo)航星測時與測距全球定位系統(tǒng)”，或簡稱全球定位系統(tǒng)。緒論>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)GPS概述①建立國家美國目的在全球范圍內(nèi)，提供實時、連續(xù)、全天候的導(dǎo)航定位及授時服務(wù)開始籌建時間1973年完全建成時間1995年緒論>全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景>GPS概述①GPS概述②系統(tǒng)構(gòu)成空間部分、地面控制部分、用戶部分服務(wù)方式通過由多顆衛(wèi)星所組成的衛(wèi)星星座提供導(dǎo)航定位服務(wù)定位原理距離交會測距原理被動式電磁波測距特點全球覆蓋、全天候、不間斷、精度高緒論緒論>全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景>

GPS概述②常規(guī)（地面）定位方法近、現(xiàn)代的常規(guī)定位方法采用的儀器設(shè)備尺：銦鋼尺光學(xué)儀器：經(jīng)緯儀，水準儀電磁波或激光儀器：測距儀綜合多種技術(shù)的儀器：全站儀觀測值角度或方向觀測距離觀測天文觀測方法緒論>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)定位方法的局限性需要事先布設(shè)大量的地面控制點/地面站無法同時精確確定點的三維坐標(biāo)觀測受氣候、環(huán)境條件限制觀測點之間需要保證通視需要修建覘標(biāo)/架設(shè)高大的天線邊長受到限制觀測難度大效率低：無用的中間過渡點受系統(tǒng)誤差影響大，如地球旁折光難以確定地心坐標(biāo)緒論>全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景>常規(guī)（地面）定位方法的局限性多普勒測量與子午衛(wèi)星系統(tǒng)多普勒效應(yīng)當(dāng)信號源S與信號接收處R間存在相對運動從而導(dǎo)致徑向運動速度V≠0時，接收到的信號頻率fR就會發(fā)生變化而與發(fā)射頻率fS不等。例如：火車駛?cè)胝九_和駛離站臺多普勒效應(yīng)1.信號源S與接收處R保持相對靜止此時fR=fS相同S與R間的距離為S發(fā)出的第一個波前到達S的時間為時間內(nèi)S與R的距離保持D不變時間內(nèi)，S發(fā)出的波數(shù)為，均勻分布在D中R處接收到信號的波長。多普勒效應(yīng)2.信號源S與接收處R做相向運動此時fR>fS相同S發(fā)出的第一個波前到達S的時間為時間內(nèi)S與R的距離由

變?yōu)闀r間內(nèi)，S發(fā)出的波數(shù)為，均勻分布在D中R處接收到信號的波長。多普勒效應(yīng)3.信號源S與接收處R做相離運動此時fR<fS相同S發(fā)出的第一個波前到達S的時間為時間內(nèi)S與R的距離由

變?yōu)闀r間內(nèi)，S發(fā)出的波數(shù)為，均勻分布在D中R處接收到信號的波長。多普勒效應(yīng)4.信號源S與接收處R做任意運動將S相對R的速度V分解為徑向分量和法相分量。時間當(dāng)，S與R間的距離將增加，波長將被拉伸,fR<fS當(dāng)時，fR=fS當(dāng)

時，fR<fS多普勒測量原理多普勒頻移：信號發(fā)射頻率fS與信號接收頻率fR之差Δf稱為多普勒頻移。徑向速度為Vcosα若信源在衛(wèi)星上，R低速運動，則星站間徑向速度<8km/sfR按泰勒級數(shù)展開略去高次項多普勒測量原理接收機產(chǎn)生頻率為fS的信號與接收到的頻率為fR的信號混頻。求得差頻信號。在[t1,t2]時間段內(nèi)積分，積分值為N。D1和D2分別為t1時刻和t2時刻信源和接收機之間的距離。故多普勒測量也被稱為距離差測量。多普勒測量原理缺陷：無法判斷（D2-D1）符號解決方法：提高接收機產(chǎn)生信號f0的頻率，使其在任何情況下都大于fR

。多普勒測量原理子午衛(wèi)星系統(tǒng)及其局限性系統(tǒng)簡介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)），由于其衛(wèi)星軌道為極地軌道，故也稱為Transit（子午衛(wèi)星系統(tǒng)）采用利用多普勒效應(yīng)進行導(dǎo)航定位，也被稱為多普勒定位系統(tǒng)美國研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用子午衛(wèi)星子午衛(wèi)星星座緒論>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)及其局限性系統(tǒng)組成空間部分衛(wèi)星：發(fā)送導(dǎo)航定位信號（信號：4.9996MHz

30=149.988MHz；4.9996MHz

80=399.968MHz；星歷）衛(wèi)星星座–由6顆衛(wèi)星構(gòu)成，6軌道面，軌道高度1075km地面控制部分包括：跟蹤站、計算中心、注入站、控制中心和海軍天文臺用戶部分多普勒接收機大地測量多普勒接收機-1（MX1502）大地測量多普勒接收機-2（CMA751）緒論>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)及其局限性應(yīng)用領(lǐng)域海上船舶的定位大地測量精度單點定位：15次合格衛(wèi)星通過（兩次通過之間的時間間隔為0.8h~1.6h），精度約為10m聯(lián)測定位：各站共同觀測17次合格衛(wèi)星通過，精度約為0.5m多普勒聯(lián)測定位多普勒單點定位緒論>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)及其局限性系統(tǒng)缺陷衛(wèi)星少，觀測時間和間隔時間長，無法提供實時導(dǎo)航定位服務(wù)導(dǎo)航定位精度低衛(wèi)星信號頻率低，不利于補償電離層折射效應(yīng)的影響衛(wèi)星軌道低，難以進行精密定軌TRANSIT系統(tǒng)衛(wèi)星：6顆極地軌道軌道高度：1075km信號頻率：400MHz、150MHz絕對定位精度：1m相對定位精度：0.1m~0.5m定位原理：多普勒定位存在問題：衛(wèi)星少，無法實現(xiàn)實時定位；軌道低，難以精密定軌；頻率低，難以消除電離層影響。緒論>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GPS的發(fā)展簡史——方案論證階段1973年12月，美國國防部批準研制GPS。1978年2月22日，第1顆GPS試驗衛(wèi)星發(fā)射成功。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)。緒論>全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景>GPS的發(fā)展簡史GPS的發(fā)展簡史——全面研制和試驗階段從1979年到1987年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(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(biāo)準。緒論>全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景>GPS的發(fā)展簡史GPS的發(fā)展簡史——實用組網(wǎng)階段1989年2月14日，第1顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功。1991年，在海灣戰(zhàn)爭中，GPS首次大規(guī)模用于實戰(zhàn)。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。1995年7月17日，GPS達到FOC–完全運行能力（FullOperationalCapability）。緒論>全球定位系統(tǒng)的產(chǎn)生、發(fā)展及前景>GPS的發(fā)展簡史§1.2GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS在軍事中的應(yīng)用GPS導(dǎo)航的艦載飛彈

配備GPS的士兵

美國海軍核潛艇

緒論>GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS在交通運輸業(yè)中的應(yīng)用航運、航空搜索陸路交通（車輛導(dǎo)航、監(jiān)控）船舶遠洋導(dǎo)航和進港引水緒論>GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用建立和維持全球性的參考框架緒論>GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用板塊運動和監(jiān)測緒論>GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS在測量中的應(yīng)用建立各級國家平面控制網(wǎng)緒論>GPS在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用GPS在測量中