全球定位系统

全球定位系统第1页/共53页在东海路银都花园附近，8号、9号警车对被劫宝马形成合围，不熟悉地形的“劫匪”见情况不妙，立即逼迫王某将车转到台南路。台南路道路狭窄、车辆较多，宝马车的车速被迫慢下来。指挥中心的民警在电脑前将鼠标指向了GPS系统里的“断油断电”指令，正在行驶的宝马车在海口路金都新村门前突然“趴窝”。还没等“劫匪”回过神来，4名持枪民警已经将宝马车团团包围,迅速将两名“劫匪”摁住。第2页/共53页一、全球定位系统Globalpositioningsystem(GPS)通俗地说：1、定位:2、导航:我现在在哪里？我要去哪里？如何去？1.概念：具有海陆空进行全方位、实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统。第3页/共53页

[阅读指导]

GPS的起源

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航系统。1．无线电导航系统缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高。第4页/共53页2．卫星定位系统最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统(TRANSIT)，1958年研制．1964年正式投入使用。由于该系统卫星数目较少(5～6颗)，运行高度较低(平均1000km)，从地面站观测到卫星的时间间隔较长(平均1．5h)，因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。为满足军事部门和民用部门对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部制定了GPS计划。第5页/共53页3．GPS发展历程

GPS实施计划共分三个阶段：

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。

第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星。研制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。第6页/共53页第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。第7页/共53页

导航与定位技术的发展全球定位系统是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位的新一代卫星系统。目前的全球覆盖率为98%。在美国,GPS全球卫星定位技术与“阿波罗”飞船登月,航天飞机升空,共同被列为20世纪“三大航天工程”能实时测量“四度”：经度、纬度、高度、速度。第8页/共53页[跨越障碍]

全球定位系统的特点是什么

(1)全球，全天候工作。

(2)能为用户提供连续、实时的三维位置、三维速度和精密时间，不受天气的影响。

(3)定位精度高：单机定位精度优于10米，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。

(4)功能多，应用广：随着人们对GPS认识的加深，GPS不仅在测量、导航、测速、测时等方面取得更广泛的应用．而且其应用领域不断扩大。第9页/共53页2.特点和用途：特点：全能性、全球性、全天候、连续性、实时性提供精密的三维坐标、速度和时间信息第10页/共53页3.GPS功能1、定位:2、导航:我现在在哪里？我要去哪里？如何去？3、测量：精度高，方便携带，操作简单4、跟踪：跟踪-监视人或物体的运动。5、定时：提供精确的时间。第11页/共53页二、全球定位系统组成1.组成：包括三大部分空间星座、地面控制部分、用户系统第12页/共53页GPS定位系统1、空间星座:由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内（24颗卫星、6条轨道）第13页/共53页GPS的空间部分的组成6个轨道面平均轨道高度20200km轨道倾角55周期11h58min（顾及地球自转，地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次）GPS的空间部分①GPS定位系统第14页/共53页GPS的空间部分②GPS卫星星座设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星保证在每天24小时的任何时刻，在高度角15以上，能够同时观测到4颗以上卫星GPS定位系统第15页/共53页BlockIIRBlockIIABlockIIABlockIIRBlockIIFBlockIIR不同类型的GPS卫星第16页/共53页然后你又遇到了另外一个路人，他告诉你距离李家村15千米。你按同样的方法，绘制第二个圆（图Ｂ）。现在，你得到了两个交点，你必定处在其中一个点的位置。假如你在野外迷了路，为了确定你所处的位置，你向一个路人询问，他告诉你这里离王家村10千米。你于是打开地图，找到王家村，以它为圆心，按比例尺在地图上画一个半径相当于10千米的圆.第17页/共53页这时，你向第三个人打听到，这里距离张家村10千米。当你把这个圆在地图上画好后，你的位置也就一目了然了（图Ｃ）。这就是三边测量术的原理。第18页/共53页

GPS的定位原理与“三边测量术”原理相似。不同的是3颗卫星代替了3个村子,地图上平面圆变成了三维球面。问题探讨:

按照理论,我们知道要保证地面各点能接收到信息只要3颗卫星就可以了,为什么我们要用4颗卫星呢?

当GPS收到3颗卫星的信号，它只能计算出2维坐标：经度和纬度，这时它可能还会显示高度数据，但这数据是无效的。当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它能计算出本地的3维坐标：经度、纬度、高度。第19页/共53页

如图GPS接收机接收GPS卫星A、B、C传来的信号，计算出接收机与它们之间的距离，然后分别以3颗卫星为球心，以该卫星到接收机之间的距离为半径，“绘制”3个巨大的球体。3个球体会交于两点，其中那个与地球表面相交的点就是这台GPS接收机所处的位置，然后通过计算得到该接收机所处的经纬度。卫星D测量GPS接收机所在的高程。第20页/共53页2、地面控制部分1个主控站3个注入站5个监控站第21页/共53页地面监控系统主要用于监测和控制卫星上的各种设备是否正常工作以及卫星是否沿着预定轨道运行。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准——GPS时间系统第22页/共53页监测站—获取GPS数据,并将数据送至主控站。主控站--控制、调度卫星。注入站—将主控站的改正参数等注入每颗卫星。第23页/共53页第24页/共53页

主控站位于美国科罗拉多的斯平士（ColoradoSprings）的联合空间执行中心（CSOC），三个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的三个美国军事基地上，即大西洋的阿松森岛（Ascension）、印度洋的迭哥·伽西亚(岛DiegoGarcia)和太平洋的夸贾林岛Kwajalein),五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛。第25页/共53页第26页/共53页GPS的地面监控部分①地面监控部分（GroundSegment）组成主控站：1个监测站：5个注入站：3个通讯与辅助系统第27页/共53页GPS的地面监控部分②地面监控部分（GroundSegment）分布注入站第28页/共53页GPS的地面监控部分③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。第29页/共53页GPS的地面监控部分④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。第30页/共53页3、用户设备GPS卫星接收机硬件（接收单元和天线单元）GPS数据处理软件第31页/共53页(3)GPS信号接收机

GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。第32页/共53页GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、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GPS信号的接收设备即GPS信号接收机。可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求的GPS信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机，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。第33页/共53页导航型接收机第34页/共53页测地型接收机天线单元接收单元第35页/共53页授时接收机第36页/共53页用户设备类型应用用于运动载体的导航，分为车载型、舰载型、机载型和星载型能够实时给出载体的位置和速度，价格便宜，应用广泛测地接收机定位精度高，仪器结构复杂，价格较贵授时接收机用于天文台及无线电通讯利用GPS卫星提供的高精度时间进行授时用于精密大地测量导航接收机第37页/共53页返回第38页/共53页应用领域性能优点功能手持型GPS接受机多为导航使用（掌握）夜晶显示，导航画面清晰，配有背景灯，方便夜间操作，功能齐全不需要地面设备，只要收到卫星信号，就能快速定位，不受天气、行政区域的限制能够计算当地的国际标准时间，处于运动状态还能指出正北方，并将经过的地点、路线记录下来，方便返回时用；计算两点的距离，实现坐标系之间的相互转换；计算日出、日落时间手持型GPS接收机第39页/共53页全球定位系统的组成系统结构空间位置组成和分布全球定位系统GPS卫星星座地面监控系统GPS信号接收机空间由2l颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内地面由分布在全球的5个地面站(包括5个监控站、1个主控站和3个注入站，主控站和注入站都位于监控站里)组成用户导航型接收机、测地型接收机、授时接收机第40页/共53页二、GPS的应用领域1、GPS在军事上的应用3、GPS在交通上的应用4、GPS在旅游探险中的应用2、民用GPS第41页/共53页1、GPS在军事上的应用

随着卫星技术在军事领域的广泛运用，战争的陆、海、空三维空间已发展到陆、海、空、天、电（磁）五维空间。在海湾战争中，美国航天司令部统一指挥了约70颗卫星，支援陆海空作战，海湾战争也因此被称为“第一次空间战争”。显然，谁拥有“制信息权”，谁就能掌握高技术战场的主动权，而“制信息权”又离不开“制天权”。“制天权”与美国国家导弹防御系统也有着密不可分的联系，如果卫星被毁或“致盲”它就会瘫痪，因此，美国在打“卫星战”方面比谁都起劲。作用：给航行中的军舰、飞机及导弹等设施提供定位和导航信息；同时也应用于野外行进中的单兵和移动装置的定位及跟踪第42页/共53页轰炸前后的巴格达卫星图第43页/共53页GPS在交通运输中的作用车载型GPS机1、GPS在交通上的应用第44页/共53页

本次测量除采用1975年时的传统测量方法外，还采取GPS测量系统。

珠穆朗玛峰高度最新测量结果为8844.43米

参数：珠穆朗玛峰峰顶岩石面高程测量精度±0.21米；峰顶冰雪深度3.50米。

原1975年公布的珠峰高程数据停止使用。2005年10月9日上午10时，国家测绘局局长陈邦柱宣布珠穆朗玛峰高度最新测量结果：3、GPS在测量上的应用第45页/共53页

地处北回归线以北5°，在崇山峻岭之间，幽深而绵长地躺卧着一条“巨龙”——世界上最深和最长的峡谷，1998年10月，中国国务院正式批准将这一世界最大峡谷科学地定名为——雅鲁藏布大峡谷。其峡谷核心河段平均深度为5000米，最深处达5382米，峡谷长496.3千米，远远超过了此前认为是世界第一的秘鲁科尔卡大峡谷（深3200米）。雅鲁藏布大峡谷最窄处为74米，一般宽在80至200米之间。

世界上最大的峡谷－－美国科罗拉多大峡谷,也是地球上自然界7大奇景之一。该大峡谷全长347千米,宽6至29千米,深1600米,位于美国西部亚利桑那州北部的凯巴布高原。雅鲁藏布江大峡谷的基本特点可以用十个字来概括：高、壮、深、润、幽、长、险、低、奇、秀。

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通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图可显示求助信息和报警目标，规划出最优援助方案，并以报警声、光提醒值班人员进行应急处理。案例：2005年8月10日傍晚六点左右，飞达GPS监控中心接到要求查询粤S4HXXX车辆位置的电话，原来驾驶该车辆的赵先生当天下午被一伙歹徒劫持了，这伙歹徒打电话给赵先生的亲人勒索金钱，飞达监控中心迅速查出该车辆停放在惠州市惠环镇离莞惠公路约100米的地方，并将情况通知了公司的负责人。傍晚七点半，飞达公司人员到达现场，利用先进的专用设备，很快发现该车辆，为了不打草惊蛇，指示监控中心将车辆断油断电。后来，在当地警察的大力追捕下，将一名探听虚实的贼抓获。警察根据他提供的指示很快找回了被劫持了的赵先生，人和车都完好无损。经审讯，该团伙共有八人，专门伺机对东莞的车主进行绑架勒索，已多次作案，想不到这次栽在卫星定位手里。4、GPS在野外探险中的应用第47页/共53页

在2006年的“五一”黄金周，12位北京户外运动爱好者在内蒙古库布其沙漠进行徒步穿越时被困，其中一位队员不幸遇难。由于遇险地点位于沙漠深处，给搜救工作带来很大困难。所幸的是探险队员们随身带了GPS全球卫星定位手持机，通过GPS定位准确地向救援人员报告了遇险地点的经纬度坐标，救援人员也通过GPS定位，在茫茫沙漠中找到了被困队员。这次意外，让更多人知道了GPS这个名词。如果没有GPS，在没有向导的情况下，这样的沙漠穿越与救援几乎是不可想象的。在旅游及野外考察中，比如到风景秀丽的地区去旅游，到原始大森林、雪山峡谷或者大沙漠地区去进行野外考察，GPS接收机是你最忠实的向导。可以随时知道你所在的位置及行走速度和方向，使你不会迷失路途。4、GPS在军事上的应用第48页/共53页（1）精准农业耕作

利用GPS技术，配合遥感技术（RS）和地理信息系统（GIS），能够做到监测农作物产量分布、土壤成分和性质分布、做到合理施肥、播种和喷洒农药，节约费用、降低成本、达到增加产量提高效益的目的。利用差分GPS技术可以做到：土壤养分分布调查、监测作物产量、合理施肥，精确农业管理。在作物生长期的管理中，利用遥感图象并结合GPS可绘出作物色彩变化图。利用GPS定位采集一定数量的土壤及作物样品进行分析，可以绘制出作物生长的不同时期的土壤含量的系列分布图。这样可以做到精确地对作物生长进行管理。5、GPS在农业上的应用第49页/共53页（2）在林业管理方面的应用GPS技术在确