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武汉大学测绘学院GPS原理及其应用课程组GPS原理及其应用长春师范学院城市与环境科学学院GPS原理及其应用全球定位系统（GlobalPositioningSystem）是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星导航定位系统。GPS与GIS的关系对于GIS来说，GPS提供了一种极为重要的实时、动态、精确获取空间数据的方法，是GIS的重要数据源，GPS大大地拓展了GIS的应用领域和应用方式。而对于GPS来说，GIS是一种重要的空间数据处理、集成和应用工具。二者紧密联系，共同开创和深化更多领域的空间应用GPS原理及其应用第一章绪论§1.1GPS卫星定位技术的发展§1.2GPS系统组成§1.3GPS在国民经济建设中的应用GPS原理及其应用1.1.1早期的卫星定位技术（初级阶段）GPS卫星定位技术的发展卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术。卫星三角测量：人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标，由地面观测站对它进行摄影观测，测定测站至卫星的方向。GPS原理及其应用卫星测距网：用激光技术对卫星进行距离观测，测定测站至卫星的距离。应用：1966－1972年，美国国家大地测量局在英国和德国测绘部门的协助下，用卫星三角测量的方法测设了一个具有45个测站点的全球三角网，点位精度5m。GPS卫星定位技术的发展早期的卫星定位技术GPS原理及其应用用途：采用这两种方法，均可以实现大陆与海岛的联测定位，解决了常规大地测量难以实现的远距离联测定位问题。缺点：受卫星可见条件及天气的影响，费时费力，定位精度不高，并且不能测得点位的地心坐标。GPS卫星定位技术的发展早期的卫星定位技术GPS原理及其应用1.1.2子午卫星导航系统的应用及其缺陷（高级阶段）1958年12月，美国海军和詹斯.霍普金斯大学应用物理实验室，为了给北极星核潜艇提供全球性导航，开始研制一种卫星导航系统，称为美国海军导航卫星系统（NavyNavigationSatelliteSystemNNSS）。1964年系统建成并投入使用。GPS卫星定位技术的发展子午卫星导航系统德应用及其缺陷GPS原理及其应用系统组成及其特征：系统由6颗工作卫星，卫星的轨道均经过地球的南北极上空，组成子午卫星星座，故称为子午（Transit）卫星系统。该系统的卫星平均高度为1000km，卫星运行周期约为107min，轨道近似于圆形，地球表面上任何一个测站平均每隔2h便可观测到其中一颗卫星。系统意义：标志着海空导航进入了一个崭新时代，揭开了卫星大地测量新篇章。GPS卫星定位技术的发展子午卫星导航系统德应用及其缺陷GPS原理及其应用1967年7月29日，美国政府宣布该系统解密并提供民用。由于接收机都是采用多普勒效应原理进行接收和定位的，所以也称为卫星多普勒定位系统。优点：经济、快速、精度较高。不受天气和时间的限制等优点。只要能见到子午卫星，便可在地球表面的任何地方进行单点和联测定位，从而获得测站的三维地心坐标。GPS卫星定位技术的发展子午卫星导航系统德应用及其缺陷GPS原理及其应用自80年代初期以来，我国开展了几次大规模的卫星多普勒定位实践。1.国家测绘局和总参测绘局联合测设的全国卫星多普勒大地网。2.由原武汉测绘科技大学与青海石油管理局、新疆石油管理局、原石油部地球物理勘探局合作测设的西北地区卫星多普勒定位网。3.远离我国170000余km的南极乔治岛上，也用卫星多普勒定位技术精确测得我国长城站的地理位置以及长城站距北京的距离。GPS卫星定位技术的发展子午卫星导航系统德应用及其缺陷GPS原理及其应用缺点：卫星数目较少（6颗工作卫星）。运行高度较低（平均约为1000km）。从地面站观测到卫星的时间间隔也较长（平均约1.5h)无法进行全球性的实时连续导航定位服务。GPS卫星定位技术的发展子午卫星导航系统德应用及其缺陷GPS原理及其应用1.1.3GPS全球定位系统的建立（辉煌阶段）1973年12月，美国国防部批准它的陆海空三军联合研制新的卫星导航系统：NAVSTAR/GPS。全称“NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem”。其意为“卫星测时测距导航/全球定位系统，简称GPS系统。该系统是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时的功能。能为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。GPS卫星定位技术的发展GPS全球定位系统的建立GPS原理及其应用GPS卫星定位技术的发展GPS全球定位系统的建立设计星座：21+321颗正式的工作卫星+3颗活动的备用卫星。6个轨道面，平均轨道高度20200km，轨道倾角55，周期11h58min（恒星时12时），载波频率1575.42MHz和1227.60MHz。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5小时，在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15度以上，平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。GPS原理及其应用GPS工作卫星的在轨重量是843.68公斤，其设计寿命为七年半。当卫星入轨后，星内机件靠太阳能和镉镍蓄电池供电。每个卫星有一个推力系统，以便使卫星保持在适当的位置。GPS卫星通过12根螺旋型天线组成的阵列天线发射张角大约为30度的电磁波束，覆盖卫星的可见面。卫星姿态调整采用三轴稳定方式，由四个斜装惯性轮和喷气控制装置构成三轴稳定系统，致使螺旋天线阵列所辐射的波速对准卫星的可见地面。GPS卫星定位技术的发展GPS全球定位系统的建立GPS原理及其应用GPS卫星定位技术的发展GPS全球定位系统的建立GPS原理及其应用GPS3GPS原理及其应用1.1.4GLONASS全球导航卫星系统1982年10月12日苏联发射第一颗GLONASS卫星1995年初只有16颗GLONASS卫星在轨工作，1995年进行了三次成功发射，将9颗卫星送入轨道，完成了24颗工作工作卫星加1颗备用卫星的布局。1996年1月18日，整个系统正常运行。GPS卫星定位技术的发展GLONASS全球导航卫星系统GPS原理及其应用GPS卫星定位技术的发展GLONASS全球导航卫星系统GLONASS系统组成1、卫星星座GPS原理及其应用GPS卫星定位技术的发展GLONASS全球导航卫星系统GLONASS系统组成GPS卫星星座GLONASS卫星星座GPS原理及其应用GLONASS卫星星座GPS卫星定位技术的发展GLONASS全球导航卫星系统GLONASS系统组成GPS原理及其应用GLONASS卫星GPS卫星定位技术的发展GLONASS全球导航卫星系统GLONASS系统组成GPS原理及其应用2、地面控制系统地面控制站组（GCS)包括一个系统控制中心（在莫斯科区的Golitsyno2)，一个指令跟踪站（CTS)，网络分布于俄罗斯境内。CTS跟踪着GLONASS可视见卫星，它遥测所有卫星，进行测距数据的采集和处理，并向各个卫星发送控制指令和导航信息。GPS卫星定位技术的发展GLONASS全球导航卫星系统GLONASS系统组成GPS原理及其应用3、用户设备GLONASS接收机接收GLONASS卫星信号并测量其伪距和速度，同时从卫星信号中选出并处理导航电文。接收机中的计算机对所有输入数据处理并算出位置坐标的三个分量、速度矢量的三个分量和时间。GPS卫星定位技术的发展GLONASS全球导航卫星系统GLONASS系统组成GPS原理及其应用GPS卫星定位技术的发展GLONASS全球导航卫星系统GLONASS系统组成GPS与GLONASS联合型接收机有很多优点：用户同时可接收的卫星数目增加约一倍，可以明显改善观测卫星的几何分布，提高定位精度（单点定位精度可达16m)；由于可见卫星数目增加，在一些遮挡物较多的城市、森林等地区进行测量定位和建立运动目标的监控管理比较容易开展；利用两个独立的卫星定位系统进行导航和定位测量，可有效地削弱美俄两国对各自定位系统地可能控制，提高定位的可靠性和安全性。GPS原理及其应用4.俄罗斯联邦政府对GLONASS系统的使用政策1991年俄罗斯首先宣称：GLONASS系统可供国防民间使用，不带任何限制，也不计划对用户收费，该系统将在完全布满星座后遵照已公布的性能运行至少15年。1995年3月7日俄罗斯联邦政府签署了一项法令“有关GLONASS面向民用的行动指导”。此法令确认了GLONASS系统由民用户使用的早期启用的可能性。GPS卫星定位技术的发展GLONASS全球导航卫星系统GPS原理及其应用GPS卫星定位技术的发展伽利略GNSS系统1.1.5伽利略（Galileo）GNSS系统从1994年欧盟已开始对伽利略（GNSS）系统方案实施论证。2000年欧盟已向世界无线电委员会申请并获准建立伽利略（GNSS）系统的L频段的频率资源。2002年3月欧盟15国交通部长一致同意伽利略（GNSS）系统的建设。2003年开始发射两颗试验卫星进入试验阶段。2013年整个伽利略（GNSS）系统建成并投入使用。GPS原理及其应用系统组成：①卫星星座：由3个独立的圆形轨道，30颗GNSS卫星组成（27颗工作卫星，3颗备用卫星）。卫星的轨道倾角i=56°；卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时；轨道高度H=23616km。②地面系统：在欧洲建立2个控制中心；在全球构建监控网。③定位原理：与GPS相同。④定位精度：导航定位精度比目前任何系统都高。GPS卫星定位技术的发展伽利略GNSS系统GPS原理及其应用GPS原理及其应用伽利略GNSS系统的主要的设计思想是：与GPS/GLONASS不同，完全从民用出发，建立一个最高精度的全开发型的新一代GNSS系统；与GPS/GLONASS有机地兼容，增强系统使用地安全性和完善性；建设资金由欧洲各国政府和私营企业共同投资。GPS卫星定位技术的发展伽利略GNSS系统GPS原理及其应用1.1.6双星导航定位系统（北斗一号）2000年10月31日北斗一号在西昌卫星发射中心发射升空。2000年12月21日第二颗北斗导航实验卫星在西昌发射中心发射升空。2003年5月25日，我国成功发射了第三颗“北斗一号”导航定位卫星，作为“北斗导航定位系统”的备份星，连同2000年10月31日和12月21日发射升空的两颗“北斗一号”导航定位卫星和一个地面中心站，形成了一个较为完善的“双星导航定位系统”。2008年2月3日零时28分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将北斗导航试验卫星送入太空。这是我国发射的第四颗北斗导航试验卫星。2008年4月14日，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将一颗北斗导航卫星送入太空。此次是北斗系列卫星的第五颗卫星，也是北斗二代系统的第一颗卫星。GPS卫星定位技术的发展双星导航定位系统（北斗一号）GPS原理及其应用GPS卫星定位技术的发展双星导航定位系统（北斗一号）双星导航定位系统的组成:（1）卫星星座：由3颗同步静止卫星组成（其中1颗在轨备用）。（2）地面系统：一个中心站:负责系统测控、定位信号的发射与接收、用户坐标的解算与发布、双向授时等。（3）用户部分即车辆、船舶、飞机以及各军种低动态及静态导航定位地用户。GPS原理及其应用双星导航定位系统工作原理：北斗系统由2颗我国地球静止卫星对用户双向测距，由1个配有电子高程图库的地面中心站进行位置解算。定位由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户。它的定位基于三球交会原理，即以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。中心站电子高程地图库提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点，并已知目标在赤道平面北侧，即可获得用户的二维位置。GPS卫星定位技术的发展双星导航定位系统（北斗一号）GPS原理及其应用GPS卫星定位技术的发展双星导航