GPS概论-第一章-绪论(上)

1全球定位系统华中农业大学资源与环境学院林承达[e-mail]2科学与技术卫星1995年31957年4科学与技术卫星1999年5地球（海洋）资源卫星1999年6地球（海洋）资源卫星中国、巴西“资源一号”地球资源卫星(CBERS-1)199972010年3月5日，我国在酒泉卫星发射中心用“长征四号丙”运载火箭成功地将“遥感卫星九号”送入太空预定轨道8气象卫星1969年9气象卫星风云三号（奥运星）2008.510导航卫星、军事卫星11太空站前苏联和平号空间站1986年发射，2001年坠毁12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13什么是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。14GPS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15GPS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16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17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18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19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）20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21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。22GPS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。23GPS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。24GPS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）。25其他卫星导航定位系统GLONASS（俄）-GlobalNavigationSatelliteSystem卫星：21+3轨道高度：19100km信号频率：1602~1616MHz、1246~1256MHzGalileo（欧）26GLONASS全球轨道导航卫星系统与GPS在系统组成及定位原理上极为相似通信方式不同：GLONASS：频分多址FDMAGPS：码分多址CDMAGLONASS卫星星座一直处于降效运行状态。GLONASS的精度要比GPS系统的精度低。27其它卫星导航定位系统——GLONASS•卫星运行状况–从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起，至1995年12月14日共发射了73颗卫星。–由于卫星寿命过短，加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳，无法及时补充新卫星，故该系统不能维持正常工作。–到目前为止（2006年3月20日）,GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态，2颗备用，4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗，开始发挥导航定位功能。28GLONASS系统和GPS系统的比较•一是卫星发射频率不同。GPS的卫星信号采用码分多址体制。而GLONASS采用频分多址体制，GLONASS可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力。•二是坐标系不同。GPS使用世界大地坐标系（WGS-84），而GLONASS使用前苏联地心坐标系（PE-90）。•三是时间标准不同。GPS系统时与世界协调时相关联，而GLONASS则与莫斯科标准时相关联。2930GLONASS系统的问题•1．目前GLONASS工作不稳定，卫星工作寿命短，在轨卫星只17颗，实际满负荷运行只有8颗；•2．GLONASS用户设备发展缓慢，生产厂家少，设备体积大而笨重；•3．由于GLONASS采用的是FDMA，所以用户接收机中频率综合器复杂；•4．对GPS/GLONASS兼容接收机，需解决两系统的时间和坐标系统问题。31“伽利略计划(GALILEO)”伽利略计划，实际上是一个欧洲的全球导航服务计划。它是世界上笫一个专门为民用目的设计的全球性卫星导航定位系统，与现在普遍使用的GPS相比，它将更显先进、更加有效、更为可靠。按照规划，“伽利略”计划将耗资约27亿美元，星座由30颗卫星组成。“伽利略”卫星导航系统目前已陷入困境，不仅经费难以为继，连频率也被“北斗二代”优先占用。32“伽利略计划(GALILEO)”简介•伽俐略（Galileo）卫星导航定位系统–2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统——Galileo系统。–Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成，这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上，卫星高度为23616km，轨道倾角为56°。–Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统，具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能，但只有前两种服务是自由公开的，后两种服务则需经过批准后才能使用。33theGalileosatelliteconstellationaltitude~23616kmSMA29993.707kminclination56degrees•period14hours4min•groundtrackrepeatabout10daysGGALILEOALILEODATADATA27+3satellitesinthreeMediumEarthOrbits(MEO)Walker27/3/1Constellation其它卫星导航定位系统——Galileo34中欧伽利略计划35伽利略全球卫星定位系统首颗实验卫星升空电脑示意图36伽利略计划首颗卫星在拜科努尔航天发射场第六发射平台整装待发37其它卫星导航定位系统——Galileo•2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星（GalileoIn-OrbitValidationElements--GlOVE-A）成功进入高度为2.3万Km的预定轨道。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。•这标志着总投资为34亿欧元（约合41亿美元）的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星，完成伽利略卫星星座的部署工作。•2008年4月27日，“伽利略”系统的第二颗实验卫星才升空，此时距上次发射已经有差不多四年时间，这样的进度，比最初的计划推迟了整整五年。38GIOVEAGIOVEBtheGIOVESatellite其它卫星导航定位系统——Galileo•GIOVE的主要目标:–频率信号测试；–验证一些关键技术（比如铷原子钟、氢原子钟）；–轨道环境特征测试；–并行2或3通道信号传输测试。39中欧导航系统之争•“伽利略”卫星导航系统目前已陷入困境，不仅经费难以为继，连频率也被“北斗二代”优先占用。中国的“北斗”卫星依照“谁先用谁先得”的原则，已使用了原本“伽利略”系统计划使用的频率。•“伽利略”计划排挤中国自己反被排挤40中欧导航系统之争•中欧卫星导航系统频率争夺历程•蜜月期（2003年-2004年）中欧优势互补反对单极世界•转折期（2005年-2007年）欧洲政治转向联美排挤中国•竞争期（2008年-2009年）“北斗”横空出世技压“欧系”卫星41北斗导航定位系统•北斗定位系统可向终端设备提供全天候、24小时的即时定位服务，定位最高精度可达10米，其精度与GPS相当。•“北斗一号”导航定位卫星由中国空间技术研究院研究制造。3颗导航定位卫星的发射时间分别为：2000年10月31日；2000年12月21日；2003年5月25日，第三颗是备用卫星。标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统——BD–1。•北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。42北斗1代卫星导航系统组成图其它卫星导航定位系统——北斗卫星导航系统•“北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。•空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。43北斗导航定位系统原理基于三球交会原理，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，即可获得用户的二维位置。其高程可以从电子高程地图库查询，也可以从气压测高计读取。44国产北斗一号导航定位卫星工作示意图45北斗系统与GPS的区别•1、北斗导航系统同时具备定位与双向通信能力；GPS系统本身不具备通信能力。•2、北斗导航系统是区域性导航系统，GPS系统是全球性导航系统。•3、北斗导航系统由我国自主控制，GPS系统则是由美国军方控制。•4、北斗导航系统用户数量受到限制，GPS的用户数量不受限制。•5、北斗导航用户机无导航处理器，GPS接收机有。46北斗导航系统发展展望•改变现有定位方式，提高定位保密度。•发展为能与GPS抗衡的全球性导航系统。•几年后，在我国用北斗导航全面代替GPS。47北斗卫星导航系统•BD–2–为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（BD–