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1、GPS定位技术及其应用GPS定位技术及其应用2022-4-29课程简介 必要性 GPS导航与定位技术在各行各业广泛应用 GPS定位技术已成为测绘的主打技术 目的与要求 了解GPS的发展历程、优点和用途 掌握GPS定位的理论基础知识 掌握GPS组成及信号结构、误差源、距离测量与定位方法 掌握GPS接收机与软件的实际操作与应用 培养独立从事GPS生产的能力 教学安排 授课方式：理论与实践教学相结合 时间安排： 理论教学 30学时 集中复习 2周GPS定位技术及其应用2022-4-29课程简介 主要内容 第一章 绪论 第二章 GPS定位的坐标系统与时间系统 第三章 卫星运动与GPS卫星信号 第四章

2、GPS卫星定位原理 第五章 GPS接收机基本工作原理 第六章 GPS测量的误差来源与减弱措施 第七章 GPS测量技术与实施 第八章 GPS测量数据处理 第九章 GPS的工程应用 第十章 3S技术集成应用-绪论常规测量的局限性第一章 绪论2022-4-291.1 常规（地面）定位方法 近、现代的常规定位方法 采用的仪器设备 尺：铟钢尺 光学仪器：经纬仪，水准仪 电磁波或激光仪器：测距仪 综合多种技术的仪器：全站仪 观测值 角度或方向观测 距离观测 高程观测常规测量的局限性第一章 绪论2022-4-291.2 常规定位方法的局限性 测站间需保持通视 限制地面测站间通视的因素 地球曲率、地形地物、大

3、气等 产生的问题 需修建觇标 边长受限 作业难度大，作业效率低 工程中有时需布设过渡点常规测量的局限性第一章 绪论2022-4-291.2 常规定位方法的局限性 无法同时精确确定点的三维坐标 水平位置和垂直位置的基准面不同 水平位置和垂直位置测量方法不同 水平位置和垂直位置点位设置不同 观测受气候等条件限制 受雨雪的限制 受大气能见度的限制 受地面大气稳定度的限制常规测量的局限性第一章 绪论2022-4-291.2 常规定位方法的局限性 难以避免系统误差的影响 地球旁折光 由大气密度随纬度的系统性变化所引起 对沿纬度线布设的观测路线有影响 地区性旁折光 由观测路线两侧的地貌、植被的差异所引起

4、难以建立地心坐标参照系 大地控制网覆盖面积不够（控制网只能布设在陆地上，无法布设在大洋上） 大陆间的大地控制网无法联测卫星定位技术的发展历程第一章 绪论2022-4-292.1 卫星定位技术的发展历史 新形势下定位技术的新要求 提供精确的地心坐标(卫星和弹道导弹) 提供全球统一的坐标 适应长距离高精度定位 全天候、快速精确、操作简便的定位技术卫星定位技术的发展历程第一章 绪论2022-4-292.2 产生卫星定位技术的可能性 人造卫星的发射 计算机技术的发展 现代电子技术的发展 通信技术的发展卫星定位技术的发展历程第一章 绪论2022-4-292.3 卫星定位技术的发展历史 卫星定位系统的发展

5、名称建成年代建立国家子午卫星系统1964美国GPS1994美国GLONASS1996前苏联GALILEO2010欧盟北斗系统2000中国卫星定位技术的发展历程第一章 绪论2022-4-292.4 子午卫星系统 系统简介 NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统） 由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit （子午卫星系统利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统） 其他：美国研制、建立 1964年1月建成 1967年7月解密供民用空间部分卫星数 6颗卫星离地面的高度 约1075km运行周期 107min信号频率 400MHz、1

6、50MHz卫星定位技术的发展历程第一章 绪论2022-4-292.4 子午卫星系统 地面控制部分 卫星跟踪站（4个）亦称监测站，对卫星进行多普勒测量，并将观测数据发送到计算中心 计算中心由跟踪站的数据计算卫星轨道，将结果送往注入站 注入站接收计算中心传送来的导航电文注入卫星 控制中心负责协调和管理整个地面控制系统的工作 海军天文台负责进行时间对比，求出卫星钟的改正数和频率改正数 用户部分 多普勒接收机卫星定位技术的发展历程第一章 绪论2022-4-292.5 子午卫星系统的定位原理及精度 定位原理 多普勒效应 定位精度 单点定位精度：约10m 联测定位精度：约0.5m多普勒联测定位多普勒联测定

7、位多普勒单点定位多普勒单点定位卫星定位技术的发展历程第一章 绪论2022-4-292.6 子午卫星系统缺陷 子午卫星系统的缺陷 卫星少，观测时间和间隔时间长， 无法提供实时导航定位服务 导航定位精度低 卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响 卫星轨道低，难以进行精密定轨GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.1 GPS简介 GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。其意为“导航卫星测时与测距全球定位系统”，或简

8、称全球定位系统。GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.2 GPS的发展简史 GPS系统的概念构思和分析测试阶段（1973-1979） 1973年12月，美国国防部批准研制GPS 1978年2月22日，第1颗GPS试验卫星发射成功 从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星，并研制了地面接收机及建立地面跟踪网GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.2 GPS的发展简史 GPS系统发展建设阶段（1980-1989） 发射了11颗组网试验卫星Block I和1颗工作卫星Block II 进一步完善了地面监控系统 发展了GPS用户接收机GPS的发展

9、、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.2 GPS的发展简史 GPS建成并进入完全运作阶段(1990-1999) 1991年，在海湾战争中，GPS首次大规模用于实战。 1993年底实用的GPS网（21+3GPS星座）已经建成，今后将根据计划更换失效卫星。 1995年7月17日，GPS达到 完全运行能力（Full Operational Capability ，FOC ）。GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.2 GPS的发展简史 GPS现代化计划更新阶段（2000-2030） 防止敌方破坏 增加GPS军用信号的抗干扰能力 增加GPS的军用无线电信号的强度

10、防止敌方利用 设计新的GPS卫星型号（F） 设计新的GPS信号结构，将民用频道L1、L2、L5 和军用频道L3、L4分开。 改进定位精度 在L2中增加CA码（2005年） 增加L5民用频道（2007年）GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.3 GPS的系统组成 GPS系统由三部分组成 空间部分（ Space segment ） 地面控制部分（Control segment） 用户设备部分（User segment）GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.4 GPS的空间部分（ Space segment ） GPS卫星星座（satellite

11、constellation） 设计星座 24颗（21颗工作卫星+3颗活动的备用卫星） 6个轨道面 平均轨道高度20200km 轨道倾角55 周期11h 58min 保证在24小时，在高度角15以上，能够同时观测到4至8颗卫星 当前星座：31颗GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.4 GPS的空间部分（ Space segment ） GPS卫星 作用： 接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距码、载波） 发送用于导航定位的信号，接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等 主要设备 太阳能电池板 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 信号生成与发射装置

12、 GPS工作卫星类型试验卫星：Block 工作卫星：Block GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.5 GPS的地面监控部分（Ground Segment） 地面监控部分 （Ground Segment） 组成 主控站：1个 监测站：5个 注入站：3个 通讯与辅助系统GPS卫星注入站监测站主控站GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.5 GPS的地面监控部分（Ground Segment） 地面监控部分 （Ground Segment）的分布GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.5 GPS的地面监控部分（Ground

13、 Segment） 主控站（1个） 作用： 管理、协调地面监控系统各部分的工作 收集各监测站的数据，编制导航电文， 送往注入站 将卫星星历注入卫星 监控卫星状态，向卫星发送控制指令 卫星维护与异常情况的处理 地点 美国科罗拉多州法尔孔空军基地。GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.5 GPS的地面监控部分（Ground Segment） 监测站（5个） 作用： 接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。 地点： 夏威夷、主控站及三个注入站。 注入站（3个） 作用： 将导航电文注入GPS卫星。 地点： 阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加

14、兰（太平洋）GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.6 GPS的用户部分（ User segment ） GPS信号接收机 采用石英钟接收设备 GPS信号接收机的类型 依用途 大地型（测地型）、导航型与授（守）时型 依能否接收测距码（伪距码） 有码与无码 依接收伪距码的种类 P码与C/A码 依接收不同频率载波的数量： 单频与双频GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.7 GPS接收机JPL于1982年的GPS接收机： 接收机73 kg，天线 18 kgTrimble R8接收机不到1kgGPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-29

15、3.7 GPS接收机带GPS导航的手表手持GPS导航仪GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.8 GPS的定位原理 定位原理 距离交会GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.9 GPS测距原理 测距原理 被动式电磁波测距GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.10 GPS在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹 配备GPS的士兵 美国海军核潜艇 GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.11 GPS在交通运输业中的应用 在交通运输业的应用航运、航空搜索陆路交通（车辆导航、监控）船舶远洋导航和进港引水GPS的

16、发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.12 GPS在测量中的应用 建立和维持全球性的参考框架GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.13 GPS在测量中的应用 板块运动和监测GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.13 GPS在测量中的应用 建立各级国家、地区平面控制网GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.13 GPS在测量中的应用 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量润扬长江公路大桥首级施工控制网图 GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.13 GPS在测量中的应用

17、 在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用GPS的发展、组成、特点及应用第一章 绪论2022-4-293.14 GPS在其他领域中的应用 GPS其他应用领域精细农业遥感卫星定轨资源勘探个人旅游及野外探险电力、广播、电视、通讯等 网络的时间同步、时间传递.第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.1 GLONASS GLONASS Global Navigation Satellite System（全球导航卫星系统） 开发者 俄罗斯（前苏联） 系统构成 卫星星座 地面控制部分 用户设备GLONASS constellationGLONASS satel

18、lite第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.2 GLONASS与GPS的比较参 数GLONASSGPS系统中的卫星数213213轨道平面数36轨道倾角64.8 55轨道高度19100km20180km轨道周期（恒星时）11h15min12h卫星信号的区分FDMACDMAL1频率16021615MHz频道间隔0.5625MHz1575MHzL2频率12461256MHz频道间隔0.4375MHz1228MHz第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.3 GLONASS卫星运行状况 GLONASS卫星运行状况n从

19、1982年10月12日至1995年12月14日共发射了73颗卫星。n卫星寿命过短n至2006年3月20日，GLONASS系统共有17颗卫星在轨（11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗过期停用）n计划到2007年GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.4 Galileo系统 简介 GALILEO是全球多模式卫星定位导航系统 提供高精度、高可靠性的定位服务 计划将于2010年投入运营 可兼容GPS和GLONASS，但更安全、更准确 该系统将启用30颗导航卫星 发展计划（过程） 1999，

20、欧盟委员会提出伽利略计划 20022005 伽利略计划发展阶段 2006年进入部署阶段(卫星的研制、发射和地面设施建设) 2010年开始运转第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.5 Galileo的卫星星座第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.6 Galileo系统的卫星 卫星重680kg，设计寿命为20年，每颗卫星上均配备2台氢原子钟和2台铷原子钟，一台应用，其余备用。第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.7 北斗一代卫星导航系统 概述 1983年，提出建设自己

21、的双静止卫星导航定位系统。 两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12 月20日升空，进入地球同步轨道（东经80和140的赤道上空） 2003年5月另一颗备用卫星被送入预定轨道（东经110.5的赤道上空），标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统 北斗卫星导航系统（ BD-1 ）第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.8系统组成集团用户管理中心北斗运营服务中心北斗地面控制中心公路公路海洋陆地陆地 系统组成第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.9 北斗一代卫星导航系统 系统组成 空间卫星 地面控制中

22、心站 北斗用户终端 空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。 卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。北斗1代卫星导航系统组成图第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.10 北斗一代卫星导航系统特点 系统特点n主动式定位，是一种有源定位导航系统（GPS为被动式定位，是一种无源定位导航系统。n保密性好，用户数量不受限制，但用户间、用户和地面系统间不能进行通讯。n地面控制中心可以保留全部北斗终端用户机的位置及时间信息，还负责整个系统的监控管理。 优点：投资少，组建快；具有通信功能；捕获信号快等 缺点：用户

23、隐蔽性差；无测高和测速功能；用户数量受限制；用户的设备体积大、重量重、能耗大等第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.11 北斗二代卫星导航系统特点 BD2 从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等 方面进行全面改进 卫星星座计划由GEO卫星，IGSO卫星和MEO卫星组成第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.11 北斗二代卫星导航系统特点 （一）概述 北斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开

24、放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。 北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.11 北斗二代卫星导航系统特点 （二）发展历程 卫星导航系统是重要的空间信息基础设施。中国高度重视卫星导航系统的建设，一直在努力探索和

25、发展拥有自主知识产权的卫星导航系统。2000年，首先建成北斗导航试验系统，使我国成为继美、俄之后的世界上第三个拥有自主卫星导航系统的国家。该系统已成功应用于测绘、电信、水利、渔业、交通运输、森林防火、减灾救灾和公共安全等诸多领域，产生显著的经济效益和社会效益。特别是在2008年北京奥运会、汶川抗震救灾中发挥了重要作用。为更好地服务于国家建设与发展，满足全球应用需求，我国启动实施了北斗卫星导航系统建设。第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.11 北斗二代卫星导航系统特点 （三）建设原则 北斗卫星导航系统的建设与发展，以应用推广和产业发展为根本目标，不仅

26、要建成系统，更要用好系统，强调质量、安全、应用、效益，遵循以下建设原则： 1、开放性。北斗卫星导航系统的建设、发展和应用将对全世界开放，为全球用户提供高质量的免费服务，积极与世界各国开展广泛而深入的交流与合作，促进各卫星导航系统间的兼容与互操作，推动卫星导航技术与产业的发展。 2、自主性。中国将自主建设和运行北斗卫星导航系统，北斗卫星导航系统可独立为全球用户提供服务。 3、兼容性。在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，使北斗卫星导航系统与世界各卫星导航系统实现兼容与互操作，使所有用户都能享受到卫星导航发展的成果。 4、渐进性。中国将积极稳妥地推进北斗卫星导航系统的建

27、设与发展，不断完善服务质量，并实现各阶段的无缝衔接。第一章绪论GPS定位技术及其应用其他卫星导航系统第一章 绪论2022-4-294.11 北斗二代卫星导航系统特点 （四）发展计划 目前，我国正在实施北斗卫星导航系统建设。根据系统建设总体规划，2012年左右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力；2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。 （五）服务 北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是

28、为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。 为使北斗卫星导航系统更好地为全球服务，加强北斗卫星导航系统与其它卫星导航系统之间的兼容与互操作，促进卫星定位、导航、授时服务的全面应用，中国愿意与其它国家合作，共同发展卫星导航事业。 结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best, Failure Is Great, So DonT Give Up, Stick To The End谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日