全球定位系统-GPS(精)

DigitalAgriculture课程授课讲义东北农业大学计算机科学系计算机专业教研室2004年8月全球定位系统-GPSGlobalPositioningSystemNEAUComputerScienceandTechnologyagenda•GPS概念、发展历程、系统的组成•GPS系统的特点•GPS定位原理•精确农业用GPS设备NEAUComputerScienceandTechnology什么是GPS？•全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）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能力的新一代卫星导航与定位系统。它的全称为“导航卫星授时和测距全球定位系统”(NavigationSatelliteTimingAndRanging/GlobalPositioningSystem)，简称为GPS。NEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnologyGPS手表NEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnologyGPS应用于导航•主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。例如：1.船舶远洋导航和进港引水2.飞机航路引导和进场降落3.汽车自主导航4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理5.紧急救生6.个人旅游及野外探险7.个人通讯终端(与手机，PDA，电子地图等集成一体)NEAUComputerScienceandTechnologyGPS应用于授时校频•1.电力，邮电，通讯等网络的时间同步•2.准确时间的授入•3.准确频率的授入NEAUComputerScienceandTechnologyGPS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NEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnologyGPS系统的特点•高精度•全天候•高效率•多功能•操作简便•应用广泛NEAUComputerScienceandTechnology定位精度高•GPS相对定位精度在50KM以内可达10-6，100-500KM可达10-7，1000KM可达10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小时以上观测的解其平面其平面位置误差小于1mm，与ME-5000电磁波测距仪测定得边长比较，其边长较差最大为0.5mm,校差中误差为0.3mm。NEAUComputerScienceandTechnology观测时间短•目前，20KM以内相对静态定位，仅需15-20分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。NEAUComputerScienceandTechnology测站间无须通视•GPS测量不要求测站之间互相通视，只需测站上空开阔即可，因此可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、过渡点的测量工作。NEAUComputerScienceandTechnology可提供三维坐标•经典大地测量将平面与高程采用不同方法分别施测。GPS可同时精确测定测站点的三维坐标。目前GPS水准可满足四等水准测量的精度。NEAUComputerScienceandTechnology操作简便•随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化”的程度；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻测量工作者的工作紧张程度和劳动强度。使野外工作变得轻松愉快。NEAUComputerScienceandTechnology全天候作业•目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行,不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。NEAUComputerScienceandTechnology功能多、应用广•GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1M/S，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。GPS系统的应用前景当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位，米级至亚米级精度的动态定位，亚米级至厘米级精度的速度测量和毫微秒级精度的时间测量。因此，GPS系统展现了极其广阔的应用前景。NEAUComputerScienceandTechnologyGPS定位系统的发展历史•无线电导航系统•卫星定位系统NEAUComputerScienceandTechnology无线电导航系统•罗兰--C：工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM，一般精度200-300M。•Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。•多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。•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NEAUComputerScienceandTechnology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，64年正式投入使用。•由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星的时间隔较长（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。NEAUComputerScienceandTechnologyGPS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1988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。•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。NEAUComputerScienceandTechnology初期应用--测绘•GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得广大测绘工作者的信赖•成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。NEAUComputerScienceandTechnologyGPS系统的组成SegmentsofGPS•GPS由三个独立的部分组成：1.空间部分(Space)：21颗工作卫星，3颗备用卫星。共多少个？2.地面支撑系统(Control)：1个主控站，3个注入站，5个监测站。共多少个？3.用户设备部分(User)：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。NEAUComputerScienceandTechnologyGPS组成图示DigitalAgriculture课程授课讲义东北农业大学计算机科学系计算机专业教研室2004年8月空间部分NEAUComputerScienceandTechnologyGPS卫星•圆柱形，直径约为1.5m，重约774kg(包括310kg燃料)•两块双叶太阳能板，自动对日定向，保证电力•4台高精度原子钟(2台铷钟和2台铯钟)，为定位提供高精度的时间标准•提供两个波段的无线广播信号：L1=1575.42MHzL2=1227.60MHzNEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnologyGPS卫星星座的构成•全球3D分布•轨道高度：20,200公里•绕地一周：11小时58分•卫星数：21+3颗/6轨道•轨道傾角：55°•坐标系統：WGS84NEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnology轨道倾角NEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnology前苏联GLONASS系统GlobalNavigationSatelliteSystem-GLONASS•轨道高度：19100公里•运行周期：11小时15分•卫星数：21+3颗/3轨道•轨道傾角：64.8°•坐标系統：SGS85NEAUComputerScienceandTechnologyDigitalAgriculture课程授课讲义东北农业大学计算机科学系计算机专业教研室2004年8月地面支撑系统NEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnology地面监控部分NEAUComputerScienceandTechnology监测站MONITORSTATIONS•HAWAII夏威夷•KWAJALEIN卡瓦加兰•ASCENSIONISLAND阿松森群岛•DIEGOGARCIA迭戈加西亚•COLORADOSPRINGS克罗拉多NEAUComputerScienceandTechnology监测站功能•在主控站直接控制下的数据自动采集中心。•双频GPS接收机•高精度原子钟•计算机•环境数据传感器接收机原子钟Modem数据处理机气象传感器NEAUComputerScienceandTechnology主控站MASTERCONTROLSTATION•位置：科罗拉多(ColoradoSprings)•协调和管理地面监控站系统•推算编制星历、卫星钟差和大气层参数修正，传输数据到注入站•提供GPS的时间基准•调整卫星轨道，启用备用卫星NEAUComputerScienceandTechnology注入站UploadStation•位置：迭哥加西亚(DiegoGarcia)、阿松森岛(Ascencion)卡瓦加兰(Kwajalein)•主要设备：二台直径为3.6m的天线、一台C波段发射机和一台计算机。•主要任务：在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。NEAUComputerScienceandTechnology用户设备UserEquipment•构成：GPS接收机硬件、数据处理软件、微处理机、终端设备•GPS接收硬件：主机、天线和电源•主要任务：接收GPS卫星信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作。NEAUComputerScienceandTechnology地面监控系统NEAUComputerScienceandTechnologyNEAUComputerScienceandTechnologyObserveephemerisandclockComputeerrorsCreatenew