GPS09GIS01绪论.ppt

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1、GPS原理与应用,地理信息工程本科生课程,主 讲： 杨 波,湖南师范大学资环学院 地理信息工程系,Email： Tel： 13077322612,学科背景,地球信息科学的主要技术手段,全球定位系统（GPS） 遥感（RS） 地理信息系统（GIS）,3S技术的集成,完整的卫星对地观测系统,需要学习的专业方向课程,3S课程 数字图像处理 GPS原理与应用 地理信息系统 “3S”技术与资源管理 ,计算机与数学 离散数学 数据结构 计算机图形学 软件工程 多媒体技术 WEBGIS与网络编程 ,其他 生态环境评价与规划 土地管理学 旅游资源开发与规划 ,课程目标,知识：了解GPS卫星定位、导航的基本原理，

2、以及GPS测量的设计与实施等。,技能：熟悉常用的几种GPS仪的组成及功能特点，能够使用GPS仪进行测量操作和数据处理等。,GPS卫星定位技术的发展、系统组成； 坐标系统和时间系统； 卫星运动基础及GPS星历； GPS卫星的导航电文和卫星信号； GPS卫星定位基本原理； GPS卫星导航原理；,课程内容-1,课程内容-2,GPS测量的误差来源及其影响； GPS测量的设计与实施； GPS测量数据处理； GPS应用； GPS与GIS和RS的结合。,学时安排,计划课时： 6学时/周1060学时 授课 43 学时 实习 9 学时 答疑 6 学时 考试 2 学时,参考书目,徐绍铨，2003. GPS测量原理

3、及应用（增订版）. 武汉：武汉大学出版社.（教材）,周忠谟，易杰军，周琪，2004. GPS卫星测量原理与应用. 北京：测绘出版社.,刘基余，2003. GPS卫星导航定位原理与方法. 北京：科学出版社.,参考期刊,测绘学报 武汉大学学报信息科学版 测绘通报 测绘科学,浏览的主要网站,国家测绘局网站 http:/ 中国GPS协会网站 http:/ 中国GPS网 http:/,考核方式,1、课堂授课、实习、作业等：30 分 其中：平时作业、考勤、小测验：10分； 实习报告：20 分 2、期末考试(闭卷)：70 分,第一讲 绪论,GPS卫星定位技术的发展 GPS系统组成 GPS在国民经济建设中的应

4、用,1.1 GPS卫星定位技术的发展,早期的卫星定位技术及其缺陷 现有的全球卫星导航系统 GPS全球定位系统的建立及其优势,早期的卫星定位技术,1.1 GPS卫星定位技术的发展,1957年10月世界上第一颗人造地球卫星在前苏联发射成功。 早期的卫星定位技术：,建立卫星三角网进行定位 建立卫星测距网,A、B、C为地面相隔很远的三个点位，S1、S2、S3、S4为卫星瞬时位置。 A、B、C 三站同时观测卫星得到它们到卫星的方向或距离。只要知道一个起始点（如A）的坐标和基线AB的距离，就能逐步扩展到全球，布成覆盖全球的卫星三角网，推算出各点的坐标。,几何法卫星测地,卫星仅作为空间观测的目标，而不是动态

5、的已知点。 受卫星可见条件及天气影响，费时费力，定位精度低，且不能测得点位的地心坐标。,早期的卫星定位技术的不足,1.1 GPS卫星定位技术的发展,第一代卫星导航系统的产生与发展,1.1 GPS卫星定位技术的发展,1958年12月美国建立 “子午卫星（TRANSIT）导航系统”（采用多普勒卫星定位技术），1964年1月研制成功。1967年美国宣布解密部分导航电文。 1965年前苏联建立了CICADA卫星导航系统,子午卫星导航系统,1.1 GPS卫星定位技术的发展,工作原理：若已知在轨卫星的轨道参数，地面的观测者测得该卫星发送信号的多普勒频移，则可计算出观测者的点位坐标。 卫星星座：6颗卫星,第

6、一代卫星导航系统的局限性,1.1 GPS卫星定位技术的发展,卫星少，不能实时定位和连续实时三维导航（12天观测时间），精度低（米级）； 轨道低，难以精密定轨； 频率低，难以补偿电离层效应的影响。,1.1 GPS卫星定位技术的发展,现有的全球卫星导航系统,GPS卫星导航系统 GLONASS全球卫星导航系统 伽利略GNSS系统 双星导航定位系统（北斗一号）,GPS全球定位系统的建立,GPS（Global Positioning System）全球定位系统：1973年12月起，美国历经20余年，投资300亿美元，建立起来的服务于全球的卫星导航与定位系统。其从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航及

7、定位问题。,1.1 GPS卫星定位技术的发展,实施阶段,1.1 GPS卫星定位技术的发展,1.方案论证（1974-1978） 1973年12月在美国空军司令部空间部成了联合计划办公室。,2. 系统论证（1979-1987） 1978年2月第一颗GPS试验卫星发射成功，到1984年共发射11颗实验卫星。,3. 生产实验（1988-1993） 1989年2月第一颗GPS工作卫星发射成功。,4. 发展阶段（1994-） 1994年3月完成第二代工作卫星发射。 1996年开始发射第三代卫星（Block II R，用于改进GPS系统）。,1.1 GPS卫星定位技术的发展,GPS卫星的发射概况,GPS B

8、LOCK II R 卫星,1.1 GPS卫星定位技术的发展,在轨重量：800多公斤 设计寿命：7年半 供电：太阳能和镉镍蓄电池 姿态调整：三轴稳定方式 覆盖范围：通过12根螺旋型阵列天线发射张角30的电磁波束,1.1 GPS卫星定位技术的发展,GLONASS全球导航卫星系统,前苏联1982年10月发射第一颗GLONASS卫星；至1996年整个系统正常运行。,包括三部分： 1.卫星星座（三个等间隔椭圆轨道） 2.地面控制系统（一个系统控制中心，一个指令跟踪站，控制网络） 3.用户设备,1.1 GPS卫星定位技术的发展,GLONASS全球导航卫星系统,卫星平均寿命超过4.5年； 2001年时在轨卫

9、星17颗，计划到2004年再发射15颗卫星。直到建成（24+3）颗的新的工作星座。 民用精度：水平5070m，垂直75m.,“GLONASSM”导航卫星,1.1 GPS卫星定位技术的发展,伽利略（Galileo）GNSS系统,1.1 GPS卫星定位技术的发展,1994年欧盟开始进行方案论证，2008年完成全系统部署并投入使用 由30颗卫星（27颗工作卫星加3颗备用卫星）组成 完全服务于民用，与GPS/GLONASS有机地兼容,由分布在三个轨道上的30颗中等高度轨道卫星构成，每个轨道面上有10颗卫星，9颗正常工作，1颗运行备用；轨道面倾角56度。,伽利略（Galileo）GNSS系统,1.1 G

10、PS卫星定位技术的发展,格林尼治时间2005年28日5时19分(北京时间13时19分)，由俄罗斯“联盟-FG”火箭运载的“伽利略”计划首颗实验卫星“GIOVE-A”顺利发射升空,卫星升空电脑示意图,1.1 GPS卫星定位技术的发展,1.1 GPS卫星定位技术的发展,1.1 GPS卫星定位技术的发展,双星导航定位系统（北斗一号）,2000年底，中国发射了两颗“北斗导航试验卫星” 系统由三颗地球静止轨道卫星组成（一颗备用） 定位精度：平面20m，高程10m 三大服务功能：导航定位、报文通信、精密授时。,北京时间2003年5月25日零时34分，第三颗“北斗一号”导航定位卫星发射成功,卫星发射升空后，

11、科研人员在地面进行观测。,1.1 GPS卫星定位技术的发展,双星导航定位系统（北斗一号）,“北斗一号”系统工作原理图,1.1 GPS卫星定位技术的发展,定位原理：空间球面交会测量原理,我国自主开发，独立于其它定位系统，具有很强的可用性。 不依赖任何其他通信手段而很容易地实现系统组网，还可同时进行数据通信，非常适合偏远地区和其他通信网络覆盖不到的地区。 覆盖面积完全可满足我国及周边国家的应用需要。,1.1 GPS卫星定位技术的发展,北斗一号系统的特点与优势,我国成功发射第九颗北斗导航卫星（时间：2011-07-27）,（北斗网讯 张利文 记者李玲丽）2011年7月27日5时44分，我国在西昌卫星

12、发射中心用“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。 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，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卫星，不断提升系统服务性能，扩大覆盖区域，完成

13、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。 此次发射的卫星和火箭分别由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院和中国运载火箭技术研究院研制。这是长征系列运载火箭的第141次飞行。,1.1 GPS卫星定位技术的发展,GPS相对于其它导航系统的特点,全球地面连续覆盖 在地球上任何地点任何时刻，高度角15以上，平均可同时观测到6颗卫星。 功能多，精度高（静态：毫米级；动态：厘米级） 实时定位 应用广泛,GPS相对于常规测量技术的优势,全天候作业 观测站之间无需通视 定位精度高 观测时间短,1.1 G

14、PS卫星定位技术的发展,大大节省人力资源 测线长度不受限制 操作简便 生产成本低,思 考 题,GPS的英文全称是什么？ 现有和在建的卫星导航系统有哪些？ GPS测量相对于其它常规测量技术的优势有哪些？,1.2 GPS系统组成,空间部分,地面控制部分,用户部分,GPS卫星星座,由 24 颗卫星组成 (21 + 3) 目前有 27 颗卫星处于工作状态 分布在 6 个轨道平面上 轨道平面的倾角为55 轨道矢径大约为 26.600 km 轨道曲线的形状几乎为圆形 轨道周期为 12 小时 卫星的设计寿命为 7.5 年,1.2 GPS系统组成,GPS卫星的基本功能,1.2 GPS系统组成,接收和储存由地面

15、监控站发来的导航信息，并执行它的控制指令； 利用微处理机进行部分必要的数据处理工作； 通过星载高精度的原子钟提供精密的时间基准； 向用户发送导航与定位信息； 通过指令调整卫星的姿态，或启用备用卫星。,GPS卫星星座,1.2 GPS系统组成,为了解算测站三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座 卫星编号方法： 按发射先后次序、PRN（伪随机噪声码）编号（定位测量中常用）、NASA编号、国际编号等 精码：P码；粗码：C/A码（S码） 核心部件：高精度时钟、导航电文存储器、双频发射和接收机以及微处理器,1.2 GPS系统组成,地面监控系统,一个主控站：科罗拉多 三个注入站：阿松森岛、狄哥加西亚

16、、卡瓦加兰 五个监测站：位于主控站和注入站，以及夏威夷,编制导航电文，传送到注入站。 提供全球定位系统的时间基准。 诊断所有地面支撑系统和天空卫星的健康状况，确保整个系统正常工作。 调整偏离轨道的卫星，启用备用卫星。,主控站的主要任务,1.2 GPS系统组成,注入站的主要任务,1.2 GPS系统组成,将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。,为主控站提供卫星的观测数据,1.2 GPS系统组成,监测站的主要任务,GPS信号接收机,1.2 GPS系统组成,任务： 捕获卫星信号，跟踪卫星运行，测量出信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译导航电文，计算出测站的三维位置、

17、速度和时间 包括接收机硬件、机内软件和数据后处理软件包,GPS信号接收机,1.2 GPS系统组成,测地型GPS接收机,天线单元,接收单元,测地型GPS信号接收机精度,1.2 GPS系统组成,双频：5mm+1ppmD 单频：10mm+2ppmD （D：测线长度）,GPS信号接收机,1.2 GPS系统组成,军用,海湾战争中美军几乎所有的坦克、装甲车、飞机、舰船、各级指挥部和陆军小分队都装备了GPS接收机，总数超过5万部。在轨的16颗GPS卫星，每天可提供19小时的三维数据，精度10 16m，测速精度0 .1m / s。,GPS信号接收机,1.2 GPS系统组成,民用、商用GPS接收机,汽车导航仪,

18、GPS手持机,GPS手表,1.3 GPS在国民经济建设中的应用,测绘 军事 农业 智能交通 救援,森林防火 地震预报 大坝及地面沉降的监测 ,1.3 GPS在国民经济建设中的应用,GPS在军事上的应用,精确标定战场重点设施的位置 空战指挥和控制 地面部队 扫雷 ,定位导航,1.3 GPS在国民经济建设中的应用,汽车、船舶、飞机等运动物体 船舶远洋导航和进港引水； 飞机航路导航和进场降落； 汽车自主导航； 地面车辆跟踪和城镇智能交通管理； 紧急救生； 个人旅游及野外探险； 个人通讯终端（与手机、PDA、电子地图等集成）,GPS应用于授时校频 1.电力，邮电，通讯等网络的时间同步 2.准确时间的授

19、入 3.准确频率的授入 GPS应用于高精度测量 1.各种等级的大地测量，控制测量 2.道路和各种线路放样 3.水下地形测量 4.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测 5.GIS应用 6.工程机械（轮胎吊，推土机等）控制 7.精细农业,应用实例,1.3 GPS在国民经济建设中的应用,GPS用于精准农业,联合收割机智能测产系统：以农机为载体，由GPS、产量传感系统、湿度传感系统、速度传感系统和软件控制部分等组成。,GPS用于绘制道路图,1.3 GPS在国民经济建设中的应用,今 后？,GPS将像移动电话、计算机互联网那样影响我们的日常生活。,我国的GPS定位技术应用和发展情况,1.3 GPS在国民经济建设中的应用,1970年4月发射第一颗人造卫星 80年代初，一些院校和科研单位开始研究GPS技术 1992年全国GPS定位大会战，建成了平均边长100km的GPS A级网，边长30100km的B级网 应用领域：测量、航空摄影测量、地球动力学、海洋测量、智能交通、农业、气象，等等 1995年成立GPS协会,思 考 题,GPS全球定位系统有哪些主要功能？ GPS卫星系统由哪三部分组成？试分述其主要作用？,