第0章 开场白：全球卫星定位的特点、学习方法与要求

1、引言引言 GNSS（GPS）的）的 特点、特点、 学习方法与要求学习方法与要求 水利与环境学院郑州大学国 际 学 院王 金 鑫0.1 什么是全球卫星导航定位系统什么是全球卫星导航定位系统u导航导航u字典含义：利用航行标志、雷达、无线电装置等字典含义：利用航行标志、雷达、无线电装置等引导飞机、轮船或车辆等航行引导飞机、轮船或车辆等航行现代汉语词典，商现代汉语词典，商务印书馆，务印书馆，1996。 u大家想一想卫星导航属于上面定义中的哪一类？大家想一想卫星导航属于上面定义中的哪一类？u定位定位u字典含义：字典含义：（1）用仪器对物体所作位置进行）用仪器对物体所作位置进行测量；（测量；（2）：经测量

2、后确定的位置；（）：经测量后确定的位置；（3）把）把事物放在适当的地位并做出某种评价事物放在适当的地位并做出某种评价现代汉语现代汉语词典，商务印书馆，词典，商务印书馆，1996。 u我们这门课程里的定位特指物体或实体在我们这门课程里的定位特指物体或实体在地理地理空间空间中的定位。中的定位。u分类分类u绝对定位：相对于某一坐标系的坐标；绝对定位：相对于某一坐标系的坐标；u相对定位：相对于某一点的位置参数（需要知道哪相对定位：相对于某一点的位置参数（需要知道哪些参数？）；些参数？）；u方向（角度）；方向（角度）；u距离。距离。u要定位必须具备哪些基本前提？要定位必须具备哪些基本前提？u坐标系；坐标

3、系；u已知点。已知点。u定位意味着什么（作用与意义）？定位意味着什么（作用与意义）？u定位是一种战略；定位是一种战略；u定位是一种产业；定位是一种产业；u定位是一门科学。定位是一门科学。u总之，定位意味着生存！包括国家、民族总之，定位意味着生存！包括国家、民族的生存和个人的生存！的生存和个人的生存！uGPS是是3S之一，有广义和狭义之分：之一，有广义和狭义之分：u广义：广义：GNSS；u狭义：美国的狭义：美国的GPS系统。系统。u我们的课程就是狭义的我们的课程就是狭义的GPS。0.2 我国北斗系统发展现状！我国北斗系统发展现状！u哪位同学知道目前世界上都有哪些哪位同学知道目前世界上都有哪些GN

4、SS系统？系统？u美国的美国的GPS；u俄罗斯的俄罗斯的GLONASS；u欧盟的欧盟的Galileo;u中国的北斗系统（中国的北斗系统（Beidou或或COMPASS）u印度的区域卫星导航系统（印度的区域卫星导航系统（IRNSS） 中国北斗系统中国北斗系统(英文简称英文简称COMPASS，中文音译名称中文音译名称BeiDou)重要事件回顾重要事件回顾u1983年，我国开始启动北斗卫星定位系统建设；年，我国开始启动北斗卫星定位系统建设；u1994年，陈芳允院士提出了双星定位系统的计划；年，陈芳允院士提出了双星定位系统的计划；u2000年，第一颗北斗导航试验卫星发射升空；年，第一颗北斗导航试验卫星

5、发射升空；u2003年，又发射两颗北斗导航卫星（一颗为备用），组年，又发射两颗北斗导航卫星（一颗为备用），组成我国第一代北斗导航系统。该系统只能定位平面坐标，成我国第一代北斗导航系统。该系统只能定位平面坐标，高程由指挥中心从数字高程模型中内插得到；高程由指挥中心从数字高程模型中内插得到；u经过多年的实验和研究之后，经过多年的实验和研究之后，2007年开始，新一代（第年开始，新一代（第二代）北斗导航系统正式开始组建。二代）北斗导航系统正式开始组建。 北京时间北京时间2007年年4月月14日凌晨日凌晨4时时11分，中国在西昌卫星分，中国在西昌卫星发射中心用发射中心用“长征三号甲长征三号甲”运载火箭

6、，成功将第一颗北斗运载火箭，成功将第一颗北斗导航卫星送入太空导航卫星送入太空 2009年4月15日0时16分，北斗二号卫星在西昌卫星发射中心升空2010年1月17日0时12分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号”运载火箭成功发射第三颗北斗导航卫星 北京时间北京时间2010年年6月月2日凌晨日凌晨23时时53分，中国在西昌卫星分，中国在西昌卫星发射中心用发射中心用“长征三号丙长征三号丙”运载火箭，成功将第四颗北斗运载火箭，成功将第四颗北斗导航试验卫星送入太空导航试验卫星送入太空 u北京时间2010年8月1日5时30分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，将第五颗北斗导航卫星成功送入太

7、空预定转移轨道。这是一颗倾斜地球同步轨道卫星。GSI Japan - 21st of June 1999北京时间（2010年）11月1日0时26分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，将第六颗北斗导航卫星（地球同步静止轨道）成功送入太空，这是中国今年连续发射的第4颗北斗导航系统组网卫星。 u首次在运载火箭上使用了北斗卫星导航系统标志。蓝色圆形标志包含有北斗七星、司南、网格化地球等元素以及北斗卫星导航系统的中英文名称(COMPASS，中文音译名称BeiDou)，表明北斗系统星地一体，为全球提供高精度、高可靠的定位、导航和授时服务的行业特点，展示其开放兼容、走向世界、服务全球的建设宗旨

8、。 u2010年年12月月18日日4时时20分，我国在西昌卫星发射中心使用长征三号甲运分，我国在西昌卫星发射中心使用长征三号甲运载火箭，成功将第载火箭，成功将第7颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。至此，今年颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。至此，今年我国共进行了我国共进行了15次航天发射，全部获得成功。次航天发射，全部获得成功。u 第第7颗北斗导航卫星是一颗倾斜地球同步轨道卫星，也是我国今年连颗北斗导航卫星是一颗倾斜地球同步轨道卫星，也是我国今年连续发射的第颗北斗导航系统组网卫星。续发射的第颗北斗导航系统组网卫星。u2011年4月10日4时47分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载

9、火箭，成功将第八颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道，这是一颗倾斜地球同步轨道卫星，是今年北斗导航系统组网卫星的第一次发射，也是我国“十二五”期间的首次航天发射。 第八颗北斗导航卫星发射u本次北斗导航卫星的成功发射，标志着北斗区域卫星导航系统的基本系统建设完成，我国自主卫星导航系统建设进入新的发展阶段。这颗卫星将与去年发射的5颗导航卫星共同组成“3+3”基本系统（即3颗GEO（地球静止轨道）卫星加上3颗IGSO（倾斜地球同步轨道）卫星），经一段时间在轨验证和系统联调后，将具备向我国大部分地区提供初始服务条件。今明两年，我国还将陆续发射多颗组网导航卫星，完成北斗区域卫星导航系统建设，满足测绘、渔业

10、、交通运输、气象、电信、水利等行业，以及大众用户的应用需求。第八颗北斗导航卫星发射u中央电视台（2011年）4月10日晚的今日关注节目，采访了中科院院士杨元喜，他说北斗系统是我国重要的信息基础设施，还谈到北斗定位系统的几个“瓶颈”问题，体现在三个“有限”： 有限的频率！（不能干扰其他系统信号）有限的频率！（不能干扰其他系统信号） 有限的轨道！有限的轨道！ 有限的市场！有限的市场！ 并谈到，北斗系统与GPS、格洛纳斯和伽利略完全兼容。在实际应用中，你可能体会不到你到底使用的是哪个系统的信号；而且和其他系统一样，普通的民用服务是完全免费的。u2011年7月27日5时44分，我国在西昌卫星发射中心用

11、“长征三号甲”运载火箭，成功将第九颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道，这是北斗导航系统组网的第四颗倾斜地球同步轨道卫星。这次北斗导航卫星的成功发射，标志着我国北斗区域卫星导航系统建设又迈出了坚实一步。 u这次北斗导航卫星的成功发射，标志着我国北斗区域卫星导航系统建设又迈出了坚实一步。目前，北斗区域卫星导航系统的基本系统已建设完成北斗区域卫星导航系统的基本系统已建设完成，正在抓紧开展星地联调和测试评估工作，经初步测试系统运行良好，将于今年年底前为我国及周边大部分地区初步提供连续无源定位、导航和授时以及短报文通信服务，满足交通运输、渔业、林业、气象、电信、水利、测绘等行业以及大众用户的应用需求。按

12、照“三步走”的发展战略，明年年底前，我国还将陆续发射多颗组网导航明年年底前，我国还将陆续发射多颗组网导航卫星，卫星，不断提升系统服务性能，扩大覆盖区域，完成北斗区域卫星导航系统建设。2020年左右，将建成由30余颗卫星组成的北斗全球卫星导航系统，提供覆盖全球的高精度、高可靠的定位、导航和授时服务。 u2011年年12月月2日日5时时7分，我国在西昌卫星发射中心用分，我国在西昌卫星发射中心用“长征长征三号甲三号甲”运载火箭，成功将第十颗北斗导航卫星送入太空预运载火箭，成功将第十颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道，这是北斗导航系统组网的第五颗倾斜地球同步定转移轨道，这是北斗导航系统组网的第五颗倾斜

13、地球同步轨道卫星。本次北斗导航卫星的成功发射，标志着我国北斗轨道卫星。本次北斗导航卫星的成功发射，标志着我国北斗区域卫星导航系统建设又迈出了重要一步。区域卫星导航系统建设又迈出了重要一步。u2012年2月25日0时12分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第十一颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。这是一颗地球静止轨道卫星，是我国今年发射的首颗北斗导航系统组网卫星。u2012年4月30日4时50分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，成功发射两颗北斗导航卫星，卫星顺利进入预定转移轨道。这是我国北斗卫星导航系统首次采用“一箭双星”方式发射导航卫星，也是我国首次采用“

14、一箭双星”方式发射两颗地球中高轨道卫星。此次发射的两颗卫星是北斗卫星导航系统的第十二、十三颗组网卫星。 u2012年9月19日凌晨3时10分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号乙”运载火箭，采用一箭双星方式，成功将第十四颗和第十五颗北斗导航卫星发射升空并送入预定转移轨道（中圆轨道（MEO） ）。u这是我国第二次采用一箭双星方式发射北斗导航卫星，也是今年北斗卫星导航系统组网的第三次发射。此次北斗导航卫星的成功发射，标志着我国北斗卫星导航系统快速组网技术日臻成熟。u2012年10月25日23时33分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第十六颗北斗导航卫星发射升空并送入预定转移轨

15、道。这是一颗地球静止轨道卫星，将与先期发射的十五颗北斗导航卫星组网运行，形成区域服务能力。根据计划，北斗卫星导航系统将于明年初向亚太大部分地区提供正式服务。u斗卫星导航系统BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、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。u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

16、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。中国中国3颗导航卫星正在对导弹弹头进行跟踪颗导航卫星正在对导弹弹头进行跟踪北斗导航设备屏幕显示图北斗导航设备屏幕显示图卫星定位系统在军事作战中的应用示意卫星定位系统在军事作战中的应用示意u中国自行研制生产的北斗卫星导航系统不仅具备在任何时中国自行研制生产的北斗卫星导航系统不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所创新。的能力，而且在定位性能上有所创新。北斗系统与其他系北

17、斗系统与其他系统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置，特别适用于需要导航与移，还可以告诉别人自己的位置，特别适用于需要导航与移动数据通信场所。动数据通信场所。此外，中国还致力于提高北斗卫星导航此外，中国还致力于提高北斗卫星导航系统与其他全球卫星导航系统的兼容性，促进卫星定位、系统与其他全球卫星导航系统的兼容性，促进卫星定位、导航、授时服务功能的应用。导航、授时服务功能的应用。u美国、俄罗斯、英国、法国等国的主流媒体和港台媒美国、俄罗斯、英国、法国等国的主流媒体和港台媒体均在第一时间报道了此次中国成功进行卫星

18、发射的消息体均在第一时间报道了此次中国成功进行卫星发射的消息。国际舆论普遍认为，这标志着中国的北斗卫星导航系统。国际舆论普遍认为，这标志着中国的北斗卫星导航系统又向前大大推进了一步，形成美、俄、欧、中在卫星导航又向前大大推进了一步，形成美、俄、欧、中在卫星导航系统上的系统上的“四强争霸四强争霸”格局。格局。u欧洲日报欧洲日报报道说，在中国成功发射第四颗导报道说，在中国成功发射第四颗导航定位卫星第二天，美国务院负责东亚事务的副航定位卫星第二天，美国务院负责东亚事务的副助理国务卿柯庆生再提此前中国在助理国务卿柯庆生再提此前中国在今年今年1月进行月进行的那次太空试验的那次太空试验，称这是解放军现代化

19、过程中一，称这是解放军现代化过程中一项项“令人焦虑的发展令人焦虑的发展”。更有美。更有美“专家专家”对媒体对媒体表示，中国北斗卫星导航系统，表示，中国北斗卫星导航系统，“不仅具备在任不仅具备在任何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬何时间、任何地点为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所创度和海拔高度的能力，而且在定位性能上有所创新，将对美国构成新，将对美国构成威胁威胁”。中国太空实验中国太空实验u2007年1月11日美国东部时间下午5点28分，中国军方在四川西昌成功用一枚改进后的远程弹道地空导弹击毁了一颗距地球865公里，很早时候中国自己发射的老旧气象卫星“风云

20、一C”。美国认为这是一种挑衅行为。中国反卫星战的成功，标志打破了中国反卫星战的成功，标志打破了美国垄断且自以为可以独霸的外太空战场，中国成美国垄断且自以为可以独霸的外太空战场，中国成为继美国、前苏联后第三个可以在太空摧毁目标物为继美国、前苏联后第三个可以在太空摧毁目标物的国家。也超过了日本的太空技术。的国家。也超过了日本的太空技术。令美日军事同盟感到不安。美国上周召见了中国驻美国大使，表达了美国对此事的抗议，要求作出解释。 u国外绘制的中国2007年摧毁报废卫星试验示意图 u美国一些分析人士认为，扩展后的北斗卫星导航系统，将美国一些分析人士认为，扩展后的北斗卫星导航系统，将极大地推动解放军的精

21、确打击能力，如透过卫星引导，从极大地推动解放军的精确打击能力，如透过卫星引导，从潜艇或远程轰炸机发射巡航导弹。还有离谱的观点认为，潜艇或远程轰炸机发射巡航导弹。还有离谱的观点认为，美国即将干预美国即将干预“恐怖国家恐怖国家”使用全球定位系统使用全球定位系统(GPS)，让，让这些国家无法进行全球定位。中国建立这些国家无法进行全球定位。中国建立“全球定位中心全球定位中心”，很可能诱使，很可能诱使“恐怖国家恐怖国家”听命于自己。最耸人听闻的还听命于自己。最耸人听闻的还是美航空航天局，该机构一位官员称，中国建立北斗计划是美航空航天局，该机构一位官员称，中国建立北斗计划，“除了很少的民用基础外，大多是主

22、要应用于军事。除了很少的民用基础外，大多是主要应用于军事。”他还煞有介事地称，美国是他还煞有介事地称，美国是“民用和平利用民用和平利用”太空，不希太空，不希望搞望搞“星球大战星球大战”，而中国军方通信保障能力已能满足防，而中国军方通信保障能力已能满足防御作战需求，还建立这种可以扩张到全球任何角落的庞大御作战需求，还建立这种可以扩张到全球任何角落的庞大系统，目的就是想系统，目的就是想“打破我们在这一领域的主导打破我们在这一领域的主导”。最能。最能说明这轮恶炒本质的，是美说明这轮恶炒本质的，是美太空评论太空评论的一篇文章，文的一篇文章，文章认为，美国化解中国卫星导航系统威胁，最好的办法是章认为，美

23、国化解中国卫星导航系统威胁，最好的办法是“将将GPS从第三代升级到第四代，发射更多更先进的卫星从第三代升级到第四代，发射更多更先进的卫星。” u最新的网络消息： 美智库惊呼：北斗将使解放军作美智库惊呼：北斗将使解放军作战效能提高战效能提高1000倍！倍！0.3 GNSS(3S)的学科特点的学科特点u以3S为核心的地球空间信息技术已经发展成为一个影响经济建没、社会发展、国家安全、科学研究等国家活动和民众生活各个方面的高新技术产业领域；u地球空间信息技术是信息技术领域涉及面最广、学科交叉性最强、近年来发展最快的科学技术之一，其未来目标将在信息的获取、传输、处理、应用方面向精度更高、速度更快、覆盖更

24、广、功能更强、服务更好、成本更低的方向发展。 那么，这些学科具有哪些特点呢？学科特点学科特点u原理上具有简明性；原理上具有简明性；可理解性、非神秘性可理解性、非神秘性u理论（推理）上具有反演性；理论（推理）上具有反演性；模型、计算、创新性模型、计算、创新性u技术上具有复杂性；技术上具有复杂性；复杂、精密技术巨系统复杂、精密技术巨系统u学科上具有交叉性；学科上具有交叉性； 数学、物理学、天文学、地理学、数学、物理学、天文学、地理学、计算机科学、系统科学、精密制造等等。计算机科学、系统科学、精密制造等等。u应用上具有广泛性。应用上具有广泛性。尖端领域、各行各业、日常生活尖端领域、各行各业、日常生活

25、原理简明uGPS的基本原理。S1（x1,y1）S2（x2,y2）T（x, y）l1l2理论反演理论反演v摄影测量中的共线方程：摄影测量中的共线方程：)()()()()()()()()()()()(333222333111SASASASASASASASASASASASAZZcYYbXXaZZcYYbXXafyZZcYYbXXaZZcYYbXXafxvGPS的双差模型的双差模型： )()()()()()()()()()()()()()()()()()()()(11220102010212121122jkjkjkkkjjjkjkjkkNNttttcftNtNtNtNttttfttttfttttcft

26、tt技术复杂u硬件技术、软件技术、应用技术学科交叉u学科交叉是现代科学技术发展的必然趋势！u地球空间信息学是3S学科与计算机、网络通信学科的交叉与融合。应用广泛u人们所接触的信息中，80%的信息与空间有关！可以说3S应用，仅受人们想象力的限制！几个理论要点几个理论要点u坐标变换；坐标变换；u线性化；线性化；u从粗到精的迭代算法；从粗到精的迭代算法；u最小二乘平差方法；最小二乘平差方法；0.4 教学要求教学要求uGPS是我们专业的核心课程，无论今后是工作还是读研，是我们专业的核心课程，无论今后是工作还是读研，对我们的前程都十分重要，必须学好，学扎实；对我们的前程都十分重要，必须学好，学扎实；u从

27、整体上把握学科的基本概念、基本原理和基本过程，很从整体上把握学科的基本概念、基本原理和基本过程，很多的公式你不必亲自去推导，但你必须明白推理的过程以多的公式你不必亲自去推导，但你必须明白推理的过程以及各种参数的涵义；一些很重要或核心的公式或步骤你要及各种参数的涵义；一些很重要或核心的公式或步骤你要会推理并记清楚；会推理并记清楚；u认真实验、实习，掌握相关技术，理论、实践、应用相结认真实验、实习，掌握相关技术，理论、实践、应用相结合。合。u要求每个学生，人手一本教材！不允许两人共用一本教材要求每个学生，人手一本教材！不允许两人共用一本教材！0.5 学习方法建议学习方法建议u认真听讲；认真听讲；u课前预习，课后复习；课前预习，课后复习；u认真、耐心地读教材、查资料，从薄到厚，从厚到认真、耐心地读教材、查资料，从薄到厚，从厚到薄。薄。u注意从整体上把握，前后融会贯通，不在细节上钻注意从整体上把握，前后融会贯通，不在细节上钻牛角尖；透过复杂的现象抓本质。牛角尖；透过复杂的现象抓本质。u注意在学习过程中，