GPS原理和应用第一讲

GPS原理及其应用

(一)第一章 绪论§1.1全球定位系统的产生、发展及前景§1.2GPS在各个领域中的应用§1.1全球定位系统的产生、发展及前景什么是GPS？GPS的英文全称是 NavigationSatelliteTimingAndRangingGlobalPositionSystem 简称GPS，有时也被称作NAVSTARGPS。其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。绪论>全球定位系统的产生、发展及前景>什么是全球定位系统GPS概述①建立国家美国目的在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务开始筹建时间1973年完全建成时间1995年绪论>全球定位系统的产生、发展及前景>GPS概述①GPS概述②系统构成空间部分、地面控制部分、用户部分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定位原理距离交会测距原理被动式电磁波测距特点全球覆盖、全天候、不间断、精度高绪论绪论>全球定位系统的产生、发展及前景>

GPS概述②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天文观测方法绪论>全球定位系统的产生、发展及前景>常规（地面）定位方法常规定位方法的局限性需要事先布设大量的地面控制点/地面站无法同时精确确定点的三维坐标观测受气候、环境条件限制观测点之间需要保证通视需要修建觇标/架设高大的天线边长受到限制观测难度大效率低：无用的中间过渡点受系统误差影响大，如地球旁折光难以确定地心坐标绪论>全球定位系统的产生、发展及前景>常规（地面）定位方法的局限性多普勒测量与子午卫星系统多普勒效应当信号源S与信号接收处R间存在相对运动从而导致径向运动速度V≠0时，接收到的信号频率fR就会发生变化而与发射频率fS不等。例如：火车驶入站台和驶离站台多普勒效应1.信号源S与接收处R保持相对静止此时fR=fS相同S与R间的距离为S发出的第一个波前到达S的时间为时间内S与R的距离保持D不变时间内，S发出的波数为，均匀分布在D中R处接收到信号的波长。多普勒效应2.信号源S与接收处R做相向运动此时fR>fS相同S发出的第一个波前到达S的时间为时间内S与R的距离由

变为时间内，S发出的波数为，均匀分布在D中R处接收到信号的波长。多普勒效应3.信号源S与接收处R做相离运动此时fR<fS相同S发出的第一个波前到达S的时间为时间内S与R的距离由

变为时间内，S发出的波数为，均匀分布在D中R处接收到信号的波长。多普勒效应4.信号源S与接收处R做任意运动将S相对R的速度V分解为径向分量和法相分量。时间当，S与R间的距离将增加，波长将被拉伸,fR<fS当时，fR=fS当

时，fR<fS多普勒测量原理多普勒频移：信号发射频率fS与信号接收频率fR之差Δf称为多普勒频移。径向速度为Vcosα若信源在卫星上，R低速运动，则星站间径向速度<8km/sfR按泰勒级数展开略去高次项多普勒测量原理接收机产生频率为fS的信号与接收到的频率为fR的信号混频。求得差频信号。在[t1,t2]时间段内积分，积分值为N。D1和D2分别为t1时刻和t2时刻信源和接收机之间的距离。故多普勒测量也被称为距离差测量。多普勒测量原理缺陷：无法判断（D2-D1）符号解决方法：提高接收机产生信号f0的频率，使其在任何情况下都大于fR

。多普勒测量原理子午卫星系统及其局限性系统简介NNSS–NavyNavigationSatelliteSystem（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）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美国研制、建立1964年1月建成1967年7月解密供民用子午卫星子午卫星星座绪论>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系统组成空间部分卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz

30=149.988MHz；4.9996MHz

80=399.968MHz；星历）卫星星座–由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km地面控制部分包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台用户部分多普勒接收机大地测量多普勒接收机-1（MX1502）大地测量多普勒接收机-2（CMA751）绪论>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应用领域海上船舶的定位大地测量精度单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h~1.6h），精度约为10m联测定位：各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m多普勒联测定位多普勒单点定位绪论>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系统缺陷卫星少，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TRANSIT系统卫星：6颗极地轨道轨道高度：1075km信号频率：400MHz、150MHz绝对定位精度：1m相对定位精度：0.1m~0.5m定位原理：多普勒定位存在问题：卫星少，无法实现实时定位；轨道低，难以精密定轨；频率低，难以消除电离层影响。绪论>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GPS的发展简史——方案论证阶段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。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。绪论>全球定位系统的产生、发展及前景>GPS的发展简史GPS的发展简史——全面研制和试验阶段从1979年到1987年，又陆续发射了7颗试验卫星，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。绪论>全球定位系统的产生、发展及前景>GPS的发展简史GPS的发展简史——实用组网阶段1989年2月14日，第1颗GPS工作卫星发射成功。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网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。1995年7月17日，GPS达到FOC–完全运行能力（FullOperationalCapability）。绪论>全球定位系统的产生、发展及前景>GPS的发展简史§1.2GPS在各个领域中的应用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

绪论>GPS在各个领域中的应用GPS在交通运输业中的应用航运、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绪论>GPS在各个领域中的应用GPS在测量中的应用建立和维持全球性的参考框架绪论>GPS在各个领域中的应用GPS在测量中的应用板块运动和监测绪论>GPS在各个领域中的应用GPS在测量中的应用建立各级国家平面控制网绪论>GPS在各个领域中的应用GPS在测量中