GPS原理和应用全册配套最完整精品课件1.ppt
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1、 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组 GPS原理及其应用 (一) GPS原理及其应用原理及其应用 第一章绪 论 1.1 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 1.2 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 1.1 全球定位系统的产生、发展及前景 GPS原理及其应用原理及其应用 什么是GPS? GPS的英文全称是的英文全称是 Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System 简称简称GPS,有时也被称作,有时也被
2、称作NAVSTAR GPS。 l 其意为其意为“导航星测时与测距全球导航星测时与测距全球 定位系统定位系统”,或简称全球定位系,或简称全球定位系 统。统。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 什么是全球定位系统什么是全球定位系统 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS概述 建立国家建立国家 美国美国 目的目的 在全球范围内,提供实时、连续、全天候的导航定位及在全球范围内,提供实时、连续、全天候的导航定位及 授时服务授时服务 开始筹建时间开始筹建时间 1973年年 完全建成时间完全建成时间 1995年年 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产
3、生、发展及前景 GPS概述概述 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS概述 系统构成系统构成 空间部分、地面控制部分、用户部分空间部分、地面控制部分、用户部分 服务方式服务方式 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 定位原理定位原理 距离交会距离交会 测距原理测距原理 被动式电磁波测距被动式电磁波测距 特点特点 全球覆盖、全天候、不间断、精度高全球覆盖、全天候、不间断、精度高 绪论绪论绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS概述概述 GPS原理及其应用原理及其应用 常规(地面)定位方法 近、现代的常规
4、定位方法近、现代的常规定位方法 采用的仪器设备采用的仪器设备 尺:铟钢尺尺:铟钢尺 光学仪器:经纬仪,水准仪光学仪器:经纬仪,水准仪 电磁波或激光仪器:测距仪电磁波或激光仪器:测距仪 综合多种技术的仪器:全站仪综合多种技术的仪器:全站仪 观测值观测值 角度或方向观测角度或方向观测 距离观测距离观测 天文观测方法天文观测方法 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 常规(地面)定位方法常规(地面)定位方法 GPS原理及其应用原理及其应用 常规定位方法的局限性 需要事先布设大量的地面控制点需要事先布设大量的地面控制点/地面站地面站 无法同时精确确定点的三维坐标无法同
5、时精确确定点的三维坐标 观测受气候、环境条件限制观测受气候、环境条件限制 观测点之间需要保证通视观测点之间需要保证通视 需要修建觇标需要修建觇标/架设高大的天线架设高大的天线 边长受到限制边长受到限制 观测难度大观测难度大 效率低:无用的中间过渡点效率低:无用的中间过渡点 受系统误差影响大,如地球旁折光受系统误差影响大,如地球旁折光 难以确定地心坐标难以确定地心坐标 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 常规(地面)定位方法的局限性常规(地面)定位方法的局限性 GPS原理及其应用原理及其应用 多普勒测量与子午卫星系统多普勒测量与子午卫星系统 l多普勒效应多普勒
6、效应 当信号源当信号源S与信号接收处与信号接收处R 间存在相对运动从而导致径间存在相对运动从而导致径 向运动速度向运动速度V0时,接收到时,接收到 的信号频率的信号频率fR就会发生变化就会发生变化 而与发射频率而与发射频率fS不等。不等。 例如:例如: 火车驶入站台和驶离站台火车驶入站台和驶离站台 GPS原理及其应用原理及其应用 多普勒效应 1.信号源信号源S与接收处与接收处R保持相对静止保持相对静止 此时此时fR=fS相同相同 S与与R间的距离为间的距离为 S发出的第一个波前到达发出的第一个波前到达S的时间为的时间为 时间内时间内S与与R的距离保持的距离保持D不变不变 时间内,时间内,S发出
7、的波数为发出的波数为 , 均匀分布在均匀分布在D中中 R处接收到信号的波长处接收到信号的波长 。 RS = ss Dctc nftf RRs fcf RS = ss Dctc nftf Dct t R s nftt t GPS原理及其应用原理及其应用 多普勒效应 2.信号源信号源S与接收处与接收处R做相向运动做相向运动 此时此时fRfS相同相同 S发出的第一个波前到达发出的第一个波前到达S的时间为的时间为 时间内时间内S与与R的距离由的距离由 变为变为 时间内,时间内,S发出的波数为发出的波数为 , 均匀分布在均匀分布在D中中 R处接收到信号的波长处接收到信号的波长 。 Dct t R s n
8、ft t t R () = ss cvtcv ftf Rs R cc ff cv ()Dctvtcvt GPS原理及其应用原理及其应用 多普勒效应 3.信号源信号源S与接收处与接收处R做相离运动做相离运动 此时此时fRfS相同相同 S发出的第一个波前到达发出的第一个波前到达S的时间为的时间为 时间内时间内S与与R的距离由的距离由 变为变为 时间内,时间内,S发出的波数为发出的波数为 , 均匀分布在均匀分布在D中中 R处接收到信号的波长处接收到信号的波长 。 Dct t R s nft t t R () = ss cvtcv ftf Rs R cc ff cv ()Dctvtcvt GPS原理及
9、其应用原理及其应用 多普勒效应 4.信号源信号源S与接收处与接收处R做任意运动做任意运动 将将S相对相对R的速度的速度V分解为径向分量和法分解为径向分量和法 相分量。相分量。 时间当时间当 ,S与与R间的距离将增加,间的距离将增加, 波长将被拉伸波长将被拉伸, fRfS 当当 时,时,fR=fS 当当 时,时, fRfS cos R vv sin t vv 0 90 0 90 0 90 coscos ss ctVtcV ftf cos Rs c ff cV GPS原理及其应用原理及其应用 多普勒测量原理多普勒测量原理 n多普勒频移:多普勒频移:信号发射频率信号发射频率fS 与信号接收频率与信号
10、接收频率fR之差之差f称为多称为多 普勒频移。普勒频移。 径向速度为径向速度为Vcos 若信源在卫星上,若信源在卫星上,R低速运动,低速运动, 则星站间径向速度则星站间径向速度 全球定位系统的产生、发展及前景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 GPS原理及其应用原理及其应用 子午卫星系统及其局限性 系统组成系统组成 空间部分空间部分 卫星:发送导航定位信号(信号:卫星:发送导航定位信号(信号: 4.9996MHz 30 = 149.988MHz; 4.9996MHz 80 = 399.968MHz;星历);星历) 卫星星座卫星星座 由由6颗卫星构成,颗
11、卫星构成,6轨道面,轨轨道面,轨 道高度道高度1075km 地面控制部分地面控制部分 包括:跟踪站、计算中心、注入站、控制包括:跟踪站、计算中心、注入站、控制 中心和海军天文台中心和海军天文台 用户部分用户部分 多普勒接收机多普勒接收机 大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收 机机 - 1 (MX1502) 大地测量多普勒接收大地测量多普勒接收 机机 - 2 (CMA751) 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景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 GPS原理及其应用原理及其应用 子午卫星系统及其局限性 应用领域应用领域 海上船舶的定位海上船舶的定位
12、大地测量大地测量 精度精度 单点定位:单点定位:15次合格卫星通过(两次合格卫星通过(两 次通过之间的时间间隔为次通过之间的时间间隔为0.8h 1.6h),精度约为),精度约为10m 联测定位:联测定位: 各站共同观测各站共同观测17次合次合 格卫星通过,精度约为格卫星通过,精度约为0.5m 多普勒联测定位多普勒联测定位 多普勒单点定位多普勒单点定位 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景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 GPS原理及其应用原理及其应用 子午卫星系统及其局限性 系统缺陷系统缺陷 卫星少,观测时间和间隔卫星少,观测时间和间隔 时间长,
13、无法提供实时导时间长,无法提供实时导 航定位服务航定位服务 导航定位精度低导航定位精度低 卫星信号频率低,不利于卫星信号频率低,不利于 补偿电离层折射效应的影补偿电离层折射效应的影 响响 卫星轨道低,难以进行精卫星轨道低,难以进行精 密定轨密定轨 TRANSIT系统系统 卫星:卫星:6颗颗 极地轨道极地轨道 轨道高度:轨道高度:1075km 信号频率:信号频率:400MHz、150MHz 绝对定位精度:绝对定位精度:1m 相对定位精度:相对定位精度:0.1m0.5m 定位原理:多普勒定位定位原理:多普勒定位 存在问题:卫星少,无法实现实时定位;存在问题:卫星少,无法实现实时定位; 轨道低,难以
14、精密定轨;频率低,难以轨道低,难以精密定轨;频率低,难以 消除电离层影响消除电离层影响。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景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 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的发展简史方案论证阶段 1973年年12月,美国国防部批准研制月,美国国防部批准研制GPS。 1978年年2月月22日,第日,第1颗颗GPS试验卫星发射成功。试验卫星发射成功。 从从1973年到年到1979年,共发射了年,共发射了4颗试验卫星。研制颗试验卫星。研制 了地面接收机及建立地面跟踪网。了地面接收机及建立地面跟踪网。 绪论绪论 全球定位系统的产
15、生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的发展简史全面研制和试验阶段 从从1979年到年到1987年,又陆续发射了年,又陆续发射了7颗试验卫星,颗试验卫星, 研制了各种用途接收机。实验表明,研制了各种用途接收机。实验表明,GPS定位精定位精 度远远超过设计标准。度远远超过设计标准。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS的发展简史实用组网阶段 1989年年2月月14日,第日,第1颗颗GPS工作卫星发射成功。工作卫星发射成功。
16、 1991年,在海湾战争中,年,在海湾战争中,GPS首次大规模用于实战。首次大规模用于实战。 1993年底实用的年底实用的GPS网即(网即(21+3)GPS星座已经建星座已经建 成,今后将根据计划更换失效的卫星。成,今后将根据计划更换失效的卫星。 1995年年7月月17日,日,GPS达到达到FOC 完全运行能力完全运行能力 (Full Operational Capability)。)。 绪论绪论 全球定位系统的产生、发展及前景全球定位系统的产生、发展及前景 GPS的发展简史的发展简史 GPS原理及其应用原理及其应用 1.2 GPS在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在军
17、事中的应用 GPS导航的舰载飞弹导航的舰载飞弹 配备配备GPS的士兵的士兵 美国海军核潜艇美国海军核潜艇 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在交通运输业中的应用 航运、航空搜索航运、航空搜索 陆路交通(车辆导航、监控)陆路交通(车辆导航、监控) 船舶远洋导航和进港引水船舶远洋导航和进港引水 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用 建立和维持全球性的参考框架建立和维持全球性的参考框架 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 G
18、PS在测量中的应用 板块运动和监测板块运动和监测 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用 建立各级国家平面控制网建立各级国家平面控制网 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用 布设城市控制网、工程测量控制网,进行各种工程布设城市控制网、工程测量控制网,进行各种工程 测量测量 市话网 市话网 市话网 市话网 市话网 深深圳圳市市连连续续运运行行卫卫星星定定位位导导航航服服务务系系统统结结构构及及通通信信网网络络示示意意图图 市 电 信 局 监控分析中心 卫星定位
19、信号 发射台 FM电台 基准站1 基准站2 基准站3 基准站4 基准站5 进入移动电 话系统 用户 用户 全向天线定向天线 Modem 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在测量中的应用 在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS在其他领域中的应用 精细农业精细农业 遥感遥感 卫星定轨卫星定轨 资源勘探资源勘探 个人旅游及野外探险个人旅游及野外探险 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间电力、广播、
20、电视、通讯等网络的时间同步、时间 传递传递 . 绪论绪论 GPS在各个领域中的应用在各个领域中的应用 武汉大学武汉大学 测绘学院测绘学院 GPSGPS原理及其应用课程组原理及其应用课程组 GPS原理及其应用 (二) GPS原理及其应用原理及其应用 第一章绪 论 1.3 美国政府的美国政府的GPS政策政策 1.4 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GPS原理及其应用原理及其应用 1.3 美国政府的GPS政策 GPS原理及其应用原理及其应用 美国政府的GPS政策 SPS与与PPS SPS 标准定位服务标准定位服务 使用使用C/A码,民用码,民用 2DRMS水平水平=100 m 2DRMS垂
21、直垂直=150-170 m 2DRMS时间时间=340 ns PPS 精密定位服务精密定位服务 可使用可使用P码,军用码,军用 2DRMS水平水平=22 m 2DRMS垂直垂直=27.7 m 2DRMS时间时间=200 ns 绪论绪论 美国政府的美国政府的GPS政策政策 GPS原理及其应用原理及其应用 美国政府的GPS政策 SA技术(技术(1990.3.252000.5.1) Selective Availability 选择可用性选择可用性 人为降低普通用户的测量精度。方法人为降低普通用户的测量精度。方法: 技术:降低星历精度(加入随机变化)技术:降低星历精度(加入随机变化) 技术:卫星钟加
22、高频抖动技术:卫星钟加高频抖动 (短周期,快变化)(短周期,快变化) AS技术(技术(1994.1.31至今)至今) Anti-Spoofing 反电子欺骗反电子欺骗 P码加密,码加密,P+WY 绪论绪论 美国政府的美国政府的GPS政策政策 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS现代化 1999年年1月月25日,美国副总统戈尔宣布,将斥资日,美国副总统戈尔宣布,将斥资40 亿美元,进行亿美元,进行GPS现代化。现代化。 GPS现代化实质是要加强现代化实质是要加强GPS对美军现代化战争中对美军现代化战争中 的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位。 绪论
23、绪论 美国政府的美国政府的GPS政策政策 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS现代化 GPS现代化的内涵:现代化的内涵: 保护。即保护。即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的现代化是为了更好地保护美方和友好方的 使用,要发展军码和强化军码的保密性能,加强抗干扰使用,要发展军码和强化军码的保密性能,加强抗干扰 能力;能力; 阻止。即阻扰敌对方的使用,施加干扰,施加阻止。即阻扰敌对方的使用,施加干扰,施加SA,AS 等;等; 保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确保持。即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确 更安全的使用。更安全的使用。 绪论绪论 美国政府的美国政府的GPS政
24、策政策 GPS原理及其应用原理及其应用 GPS现代化 GPS现代化第一阶段现代化第一阶段 发射发射12颗改进型的颗改进型的BLOCK R型卫星。型卫星。 GPS现代化第二阶段现代化第二阶段 发射发射6颗颗GPS BLOCK F (“FLite”)。)。 GPS现代化计划的第三阶段现代化计划的第三阶段 发射发射GPS BLOCK 型卫星,在型卫星,在2003年前完成代号为年前完成代号为 GPS 的的 GPS完全现代化计划设计工作。完全现代化计划设计工作。 绪论绪论 美国政府的美国政府的GPS政策政策 GPS原理及其应用原理及其应用 1.4其他卫星导航定位系统的概况 GPS原理及其应用原理及其应用
25、 其它卫星导航定位系统GLONASS GLONASS Global Navigation Satellite System (全球导航卫星系统)(全球导航卫星系统) 开发者开发者 俄罗斯(前苏联)俄罗斯(前苏联) 系统构成系统构成 卫星星座卫星星座 地面控制部分地面控制部分 用户设备用户设备 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS GPS原理及其应用原理及其应用 GLONASS constellation GLONASS satellite P24P24 绪论绪论 其它卫星导航定位系统其它卫星导航定位系统 GLONASS 其它卫星导航定位系统GLONASS GPS原
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