(武汉大学)GPS原理及其应用

1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组GPS原理及其应用原理及其应用( (一一) )GPS原理及其应用原理及其应用第一章第一章绪绪 论论1.1 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景1.2 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用1.1 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景GPS原理及其应用原理及其应用什么是什么是GPS？ GPS的英文全称是的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position Sys

2、tem简称简称GPS，有时也被称作，有时也被称作NAVSTAR GPS。其意为其意为“导航星测时与测距全球导航星测时与测距全球定位系统定位系统”，或简称全球定位系，或简称全球定位系统。统。绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 什么是全球定位系统什么是全球定位系统GPS原理及其应用原理及其应用GPS概述概述 建立国家建立国家 美国美国 目的目的 在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务航定位及授时服务 开始筹建时间开始筹建时间 1973年年 完全建成时间完全建成时间 1995年年绪论绪论 全球定位系统的产生

3、、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS概述概述GPS原理及其应用原理及其应用GPS概述概述 系统构成系统构成 空间部分、地面控制部分、用户部分空间部分、地面控制部分、用户部分 服务方式服务方式 通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务 定位原理定位原理 距离交会距离交会 测距原理测距原理 被动式电磁波测距被动式电磁波测距 特点特点 全球覆盖、全天候、不间断、精度高全球覆盖、全天候、不间断、精度高绪论绪论绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS概述概述GPS原理及其应用原理及其应用常规（地面）定

4、位方法常规（地面）定位方法 近、现代的常规定位方法近、现代的常规定位方法 采用的仪器设备采用的仪器设备 尺：铟钢尺尺：铟钢尺 光学仪器：经纬仪，水准仪光学仪器：经纬仪，水准仪 电磁波或激光仪器：测距仪电磁波或激光仪器：测距仪 综合多种技术的仪器：全站仪综合多种技术的仪器：全站仪 观测值观测值 角度或方向观测角度或方向观测 距离观测距离观测 天文观测方法天文观测方法绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 常规（地面）定位方法常规（地面）定位方法GPS原理及其应用原理及其应用常规定位方法的局限性常规定位方法的局限性 需要事先布设大量的地面控制点需要事先布设大量的地面

5、控制点/地面站地面站 无法同时精确确定点的三维坐标无法同时精确确定点的三维坐标 观测受气候、环境条件限制观测受气候、环境条件限制 观测点之间需要保证通视观测点之间需要保证通视 需要修建觇标需要修建觇标/架设高大的天线架设高大的天线 边长受到限制边长受到限制 观测难度大观测难度大 效率低：无用的中间过渡点效率低：无用的中间过渡点 受系统误差影响大，如地球旁折光受系统误差影响大，如地球旁折光 难以确定地心坐标难以确定地心坐标绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 常规（地面）定位方法的局限性常规（地面）定位方法的局限性GPS原理及其应用原理及其应用子午卫星系统及其局

6、限性子午卫星系统及其局限性 系统简介系统简介 NNSS Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称于其卫星轨道为极地轨道，故也称为为Transit（子午卫星系统）（子午卫星系统） 采用利用多普勒效应进行导航定位，采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统也被称为多普勒定位系统 美国研制、建立美国研制、建立 1964年年1月建成月建成 1967年年7月解密供民用月解密供民用子午卫星子午卫星子午卫星星座子午卫星星座绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子

7、午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性GPS原理及其应用原理及其应用子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性 系统组成系统组成 空间部分空间部分 卫星：发送导航定位信号（信号：卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz 30 = 149.988MHz；4.9996MHz 80 = 399.968MHz；星；星历）历） 卫星星座卫星星座 由由6颗卫星构成，颗卫星构成，6轨道面，轨道面，轨道高度轨道高度1075km 地面控制部分地面控制部分 包括：跟踪站、计算中心、注入站、包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台控制中心和海军天文台 用户部分用户部分 多普勒接收机多普勒接

8、收机大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收机机 - 1（MX1502）大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收机机 - 2（CMA751）绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性GPS原理及其应用原理及其应用子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性 应用领域应用领域 海上船舶的定位海上船舶的定位 大地测量大地测量 精度精度 单点定位：单点定位：15次合格卫星通次合格卫星通过（两次通过之间的时间间过（两次通过之间的时间间隔为隔为0.8h 1.6h），精度约为），精度约为10m 联测定位：联测定位： 各站共同观测各站共同观测

9、17次合格卫星通过，精度约为次合格卫星通过，精度约为0.5m多普勒联测定位多普勒联测定位多普勒单点定位多普勒单点定位绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性GPS原理及其应用原理及其应用子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性 系统缺陷系统缺陷 卫星少，观测时间和卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提间隔时间长，无法提供实时导航定位服务供实时导航定位服务 导航定位精度低导航定位精度低 卫星信号频率低，不卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射利于补偿电离层折射效应的影响效应的影响 卫星轨道低，难以进卫星轨道低，难以进行精

10、密定轨行精密定轨TRANSIT系统系统 卫星：卫星：6颗颗 极地轨道极地轨道 轨道高度：轨道高度：1075km 信号频率：信号频率：400MHz、150MHz 绝对定位精度：绝对定位精度：1m 相对定位精度：相对定位精度：0.1m0.5m 定位原理：多普勒定位定位原理：多普勒定位 存在问题：卫星少，无法实现实时存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响率低，难以消除电离层影响。绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 子午卫星系统及其局限性子午卫星系统及其局限性GPS原理及其应用原理及其应用G

11、PS的发展简史的发展简史方案论证阶段方案论证阶段 1973年年12月，美国国防部批准研制月，美国国防部批准研制GPS。 1978年年2月月22日，第日，第1颗颗GPS试验卫星发射成试验卫星发射成功。功。 从从1973年到年到1979年，共发射了年，共发射了4颗试验卫星。颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史GPS原理及其应用原理及其应用GPS的发展简史的发展简史全面研制和试验阶段全面研制和试验阶段 从从1979年到年到1987年，又陆续发射了年，又陆续发

12、射了7颗试验颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。定位精度远远超过设计标准。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史GPS原理及其应用原理及其应用GPS的发展简史的发展简史实用组网阶段实用组网阶段 1989年年2月月14日，第日，第1颗颗GPS工作卫星发射成工作卫星发射成功。功。 1991年，在海湾战争中，年，在海湾战争中，GPS首次大规模用首次大规模用于实战。于实战。 1993年底实用的年底实用的GPS网即（网即（21+3）GPS星座星座已经建成，今后将根据

13、计划更换失效的卫星。已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。 1995年年7月月17日，日，GPS达到达到FOC 完全运行完全运行能力（能力（Full Operational Capability）。）。绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史GPS原理及其应用原理及其应用1.2 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GPS在军事中的应用在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹导航的舰载飞弹 配备配备GPS的士兵的士兵 美国海军核潜艇美国海军核潜艇 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原

14、理及其应用原理及其应用GPS在交通运输业中的应用在交通运输业中的应用 航运、航空搜索航运、航空搜索 陆路交通（车辆导航、监控）陆路交通（车辆导航、监控） 船舶远洋导航和进港引水船舶远洋导航和进港引水绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GPS在测量中的应用在测量中的应用 建立和维持全球性的参考框架建立和维持全球性的参考框架绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GPS在测量中的应用在测量中的应用 板块运动和监测板块运动和监测绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GP

15、S在测量中的应用在测量中的应用 建立各级国家平面控制网建立各级国家平面控制网绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GPS在测量中的应用在测量中的应用 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量种工程测量市话网市话网市话网市话网市话网深深圳圳市市连连续续运运行行卫卫星星定定位位导导航航服服务务系系统统结结构构及及通通信信网网络络示示意意图图市电信局监控分析中心卫星定位信号发射台FM电台基准站1基准站2基准站3基准站4基准站5进入移动电话系统用户用户全向天线定向天线Modem绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用GPS原理及其应用原理及其应用GPS在测量中的应用在测