全球GPS定位系统_经典介绍

1、第三章第三章第第三三节节全球定位系统及其应用全球定位系统及其应用 一、一、全球定位系统全球定位系统（一）全球定位系统的概念（一）全球定位系统的概念v 全球定位系统全球定位系统(Global positioning system，简称，简称GPS)是具有在是具有在海、陆、空海、陆、空进进行行全方位全方位、实时、实时三维导航三维导航与与定定位功能位功能的新一代的新一代卫星导航卫星导航与与定定位系统位系统。跨越障碍跨越障碍 全球定位系统的特点是什么全球定位系统的特点是什么v (1)全球，全天候工作全球，全天候工作。v (2)能为用户提供能为用户提供连续连续、实时的三维位置实时的三维位置、三维速度三维

2、速度和和精密时间精密时间，不受天气不受天气的影响。的影响。v (3)定位精度高定位精度高：单机定位精度优于：单机定位精度优于10米，米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。v (4)功能多，应用广功能多，应用广：随着人们对：随着人们对GPS认认识的加深，识的加深，GPS不仅在测量、导航、测速、不仅在测量、导航、测速、测时等方面取得更广泛的应用而且其应用测时等方面取得更广泛的应用而且其应用领域不断扩大。领域不断扩大。 阅读指导阅读指导 GPS的起源的起源v 在卫星定位系统出现之前，在卫星定位系统出现之前，远程导航与定位主要用无线电导远程导航与定位主要用无线

3、电导航系统。航系统。v1无线电导航系统无线电导航系统v 缺点：覆盖的工作区域小；电缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不波传播受大气影响；定位精度不高。高。v2卫星定位系统卫星定位系统v 最早的卫星定位系统是美国的最早的卫星定位系统是美国的子午仪子午仪系统系统(TRANSIT)，1958年研制年研制1964年年正式投入使用。由于该系统卫星数目较正式投入使用。由于该系统卫星数目较少少(56颗颗)，运行高度较低，运行高度较低(平均平均1 000 km)，从地面站观测到卫星的时间间隔，从地面站观测到卫星的时间间隔较长较长(平均平均15 h)，因而它无法提供连，因而它无法提供连续的实时

4、三维导航，而且精度较低。为续的实时三维导航，而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，三维导航的迫切要求，1973年美国国防年美国国防部制定了部制定了GPS计划。计划。v3GPS发展历程发展历程v GPS实施计划共分实施计划共分三个阶段三个阶段：v 第一阶段为方案论证和初步设计阶段第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从从1973年到年到1979年，共发射了年，共发射了4颗试验颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。踪网。v 第二阶段为全面研制和试验阶段第二阶段为全面研制和试验阶段。从。从1979

5、年到年到1984年，又陆续发射了年，又陆续发射了7颗试颗试验卫星。研制了各种用途的接收机。实验卫星。研制了各种用途的接收机。实验表明，验表明，GPS定位精度远远超过设计标定位精度远远超过设计标准。准。 v第三阶段为实用组网阶段第三阶段为实用组网阶段。1989年年2月月4日第一颗日第一颗GPS工作卫星发工作卫星发射成功，表明射成功，表明GPS系统进入工程系统进入工程建设阶段。建设阶段。1993年底实用的年底实用的GPS网即网即(21+3)GPS星座已经建星座已经建成，今后将根据计划更换失效的成，今后将根据计划更换失效的卫星。卫星。（二）全球定位系统的组成（二）全球定位系统的组成系统结构系统结构

6、空间空间位置位置组成和分布组成和分布全全球球定定位位系系统统GPS卫星卫星星座星座地面地面监控监控系统系统GPS信信号接收号接收机机空空间间由由2l颗工作卫星和颗工作卫星和3颗在轨备用卫颗在轨备用卫星组成，星组成，24颗卫星均匀分布在颗卫星均匀分布在6个个轨道平面内轨道平面内地地 面面由分布在全球的由分布在全球的5个地面站个地面站(包括包括5个监控个监控站、站、1个主控站和个主控站和3个注入站，主控站和个注入站，主控站和注入站都位于监控站里注入站都位于监控站里)组成组成用用 户户导航型接收机、测地型接导航型接收机、测地型接收机、授时接收机收机、授时接收机v请思考：请思考：读读右图，相右图，相邻

7、两个邻两个GPS星座卫星轨星座卫星轨道平面之间道平面之间的夹角是多的夹角是多少度少度?()v每个卫星每个卫星轨道上各有轨道上各有几颗卫星几颗卫星?它们两两相它们两两相隔多少度隔多少度? ()604颗颗；90(1)GPS卫星星座卫星星座v 由由21颗工作卫星和颗工作卫星和3颗在轨备用卫颗在轨备用卫星组成。星组成。GPS卫星星座记作卫星星座记作(2l+3)GPS星座。星座。24颗卫星均匀分布在颗卫星均匀分布在6个轨道平个轨道平各个轨道平面之间的夹角为各个轨道平面之间的夹角为60度度(2)地面监控系统地面监控系统v 对于导航定位来对于导航定位来说说GPS卫星是一动态已知卫星是一动态已知点。星的位置是

8、依据卫星发射点。星的位置是依据卫星发射的星历的星历描述卫星运动及其描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历是由卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的。地面监控系统提供的。v卫星上的各种设备是否正常工作以及卫卫星上的各种设备是否正常工作以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准一时间标准GPS时间系统。这就需时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间求出钟差。要地面站监测各颗卫星

9、的时间求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。导航电文发给用户设备。GPS工作卫星工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。注入站和五个监测站。地面监控系统地面监控系统（1 1）主控站）主控站（2 2）监测站）监测站（3 3）注入站）注入站请你说说各自的组成和功能请你说说各自的组成和功能?监测站监测站获取获取GPSGPS数据数据, ,并将并将数据送至主控站。数据送至主控站。主控站主控站-控制、调度卫星。控制、调度卫星。注入站注入站 将主控站的改正参将主控站的改正参数等注入每颗卫星。

10、数等注入每颗卫星。 美国全球定位系统地面监控系统美国全球定位系统地面监控系统 由均匀分布在美国本土和三大洋的美由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的军基地上的1 1个个主控站、主控站、3 3个注入站、个注入站、5 5个个监测站监测站构成。该系统的功能是：对空构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。卫星注入更新的导航电文。 主控站位于美国科罗拉多的斯平士主控站位于美国科罗拉多的斯平士（Colorado SpringsColorado Springs）的联合空间执行中心）的联合空间执行中心（CSOCCSOC），三个注

11、入站分别设在），三个注入站分别设在大西洋、印大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基地上度洋和太平洋的三个美国军事基地上，即大西，即大西洋的阿松森岛（洋的阿松森岛（AscensionAscension）、印度洋的迭）、印度洋的迭哥哥伽西亚伽西亚( (岛岛Diego Garcia)Diego Garcia)和太平洋的夸和太平洋的夸贾林岛贾林岛Kwajalein),Kwajalein),五个监测站设在主控站和五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛。三个注入站以及夏威夷岛。 (3)GPS信号接收机信号接收机v 组成组成:GPS卫星接收机卫星接收机v GPS数据处理软件数据处理软件 任务任务:能够

12、能够捕获捕获到按一定卫星高度截止到按一定卫星高度截止角所选择的待测角所选择的待测卫星的信号卫星的信号，实时地计，实时地计算出测站的三维坐标，甚至三维速度和算出测站的三维坐标，甚至三维速度和时间。时间。vGPS卫星发送的导航定位信号，是一种卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户可供无数用户共享共享的信息资源。对于陆的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即信号的接收设备即GPS信号接收机。可信号接收机。可以在以在任何时候任何时候用用GPS信号进行导航定位信号进行导航定

13、位测量。根据使用目的的不同，用户要求测量。根据使用目的的不同，用户要求的的GPS信号接收机也各有差异。目前世信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产界上已有几十家工厂生产GPS接收机，接收机，产品也有几百种。这些产品可以按照原产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。理、用途、功能等来分类。 手机和手表上的GPS 手持型的GPS 测绘使用的GPS 航空与航海使用的GPS GPSGPS信信号号接接收收机机(三) . GPS 接收机的类型阅读指导阅读指导手持型手持型 CPS 接收机接收机应用领域应用领域性能性能优点优点功能功能手持型手持型 GPS 接收机接收机多为导多为导

14、航使用航使用液晶显液晶显示，导示，导航画面航画面清晰，清晰，配有背配有背景灯，景灯，方便夜方便夜问操作问操作功能键功能键齐全齐全不需要地不需要地面辅助设面辅助设备，只要备，只要收到卫星收到卫星信号，就信号，就能快速定能快速定位，不受位，不受天气、行天气、行政区域的政区域的限制限制能够计算当地的能够计算当地的国际标准时问，国际标准时问，处于运动状态还处于运动状态还能指出能指出 i 北方北方向，并将经过的向，并将经过的地点、路线记录地点、路线记录下来，方便返回下来，方便返回时用；计算两点时用；计算两点间的距离，实现间的距离，实现坐标系间的相互坐标系间的相互转换；计算日出、转换；计算日出、日落时间日

15、落时间“终结终结GPS垄断垄断 许多国家发展卫星导航许多国家发展卫星导航定位系统定位系统”，了解世界上发展，了解世界上发展GPS的一的一些国家概况。些国家概况。 1 1、GPSGPS在军事上的应用在军事上的应用3 3、GPSGPS在交通上的应用在交通上的应用4 4、GPSGPS在旅游探险中的应用在旅游探险中的应用2 2、民用、民用GPSGPS 军事是军事是GPSGPS技术最早的应用领域技术最早的应用领域, ,主要是为主要是为各种军事活动提供定位导航各种军事活动提供定位导航. .在现代战争中，在现代战争中，不仅陆、海、空三军，而且许多高科技武器弹不仅陆、海、空三军，而且许多高科技武器弹药等，也都

16、开始采用药等，也都开始采用GPSGPS技术进行定位导航。技术进行定位导航。 目前精确制导武器复合制导的重要技术目前精确制导武器复合制导的重要技术手段。装备手段。装备GPSGPS制导系统之前制导系统之前, ,美军美军BGM-10CBGM-10C“战战斧斧”巡航导弹误差约为巡航导弹误差约为9 9米；在其米；在其“惯性和地惯性和地形匹配形匹配”制导系统中加入制导系统中加入GPSGPS后，误差降至后，误差降至3 3米，米，制导精度大大提高。制导精度大大提高。 2 2、民用、民用GPSGPS 主要用于交通车辆导航管理、主要用于交通车辆导航管理、航空器定位及导航，以及大地测航空器定位及导航，以及大地测量野

17、外勘测、紧急求援、旅游探量野外勘测、紧急求援、旅游探险、农业监测、生态研究等方面。险、农业监测、生态研究等方面。3 3、GPSGPS在交通上的应用在交通上的应用4 4、户外旅游探险：、户外旅游探险： 余纯顺余纯顺在罗布泊探险遇难时离最近的补给站在罗布泊探险遇难时离最近的补给站仅几百米。风沙淹埋了前人走过的足迹，在茫茫仅几百米。风沙淹埋了前人走过的足迹，在茫茫荒漠中又渴又饿的他终于倒下了。如果当时他有荒漠中又渴又饿的他终于倒下了。如果当时他有一台一台 GPSGPS接收机，惨剧又何以发生？接收机，惨剧又何以发生？ 在地广人稀没有任何参照物可用以辨别方向在地广人稀没有任何参照物可用以辨别方向的情况下

18、，危险无时无刻不在的情况下，危险无时无刻不在, ,手持手持GPSGPS接收机沿接收机沿着机中记录的安全轨迹小心行进，可安全返航。着机中记录的安全轨迹小心行进，可安全返航。 目前，许多休闲俱乐部围绕目前，许多休闲俱乐部围绕GPSGPS功能相继推出功能相继推出“穿越穿越”、“寻宝寻宝”、“野外拓展野外拓展”等都市游戏，丰富等都市游戏，丰富了人们周末生活，提高了人们生活品位，深得户了人们周末生活，提高了人们生活品位，深得户外运动爱好者的欢迎。外运动爱好者的欢迎。内置天线内置天线翻页翻页光标键光标键定位键定位键输入键输入键显示屏显示屏导航键导航键开机键开机键退出键退出键图图1-1地平线地平线卫星编号卫

19、星编号卫星信号卫星信号图图1-21-2 C:C:定位定位 键，显示键，显示标定位置画面标定位置画面如图如图1-41-4所所示，经纬度为示，经纬度为N32N3203.23203.232，E118E11845.92345.923海拔高度海拔高度1717米等信息米等信息图1-4第三章第三章第第三三节节全球定位系统及其应用全球定位系统及其应用 二、二、全球定位系统与定位导航全球定位系统与定位导航1 . GPS 静态导航定位与动态导航定位静态导航定位与动态导航定位v静态定位中静态定位中， GPS 接收机在接收机在捕获和跟踪捕获和跟踪 GPS 卫星的过程卫星的过程中固定不变，接收机高精度地中固定不变，接收

20、机高精度地测量测量 GPS 信号的传播时间，信号的传播时间，利用利用 GPS 卫星在轨的已知位卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。置的三维坐标。v而而动态定位动态定位则是用则是用 GPS 接收机侧定接收机侧定一个运动物体的运行轨迹。一个运动物体的运行轨迹。 GPS 信信号接收机所位于的运动物体叫做载号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的行走的车辆等）。载体上的 GPS 接接收机天线在跟踪收机天线在跟踪 GPS 卫星的过程中卫星的过程中相对地球而运动，接收机用相对地球而运

21、动，接收机用 GPS 信信号实时地测得运动载体的状态参数号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）（瞬间三维位置和三维速度）2 . GPS 的用途的用途v GPS 最初就是为军方提供最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。军用由美国军方控制。军用 GPS 产产品主要用来确定并跟踪在野外行品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标、给海进中的士兵和装备的坐标、给海中的军舰导航、为军用飞机提供中的军舰导航、为军用飞机提供位置和导航信息等。位置和导航信息等。2 . GPS 的用途的用途v 目前目前 GPS 系统的应用已系统的应用已经十分广泛，我们可以