gps学习绪论 ppt课件.ppt
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1、一、本课程的内容简介 1.GPS定位系统的发展、特点、定位原理和当前状况 2.坐标系统和时间系统 3. 人卫轨道理论 4. GPS定位系统的组成 5. GPS定位系统的定位原理和定位方法 6. GPS测量的误差来源 7. GPS定位测量的外业工作 8. GPS定位测量的内业数据处理,二、教学要求 1.通过课堂学习掌握GPS系统的原理 2.通过广泛查阅资料,熟悉GPS系统在现代社会的应用及其前景 3.认真做好实验 (熟悉GPS接收机、全站仪器的使用) (熟悉内业数据处理,熟悉相应的GPS数据处理软件),GPS课程简介,起源卫星大地测量学课程。卫星大地测量学是20世纪50年代末出现的一门新兴学科。
2、它的出现极大地推动了大地测量的迅猛发展,是经典大地测量发展到现代大地测量的标志。 20世界70年代美国开始研制组建新一代的卫星导航定位系统全球定位系统(GPS)。 在测量领域得到广泛应用 随着GPS定位技术的迅速发展和应用领域的不断拓宽, 从卫星大地测量中分离出来。,所用教材逐渐完善,出现了 全球定位系统及其应用刘基余、李征航被多所大学采用作为教材。 GPS测量原理及应用 徐绍铨,王泽民等 GPS导航定位原理与方法刘基余 GPS测量与数据处理李征航,黄劲松, GPS测量操作与数据处理魏二虎,黄劲松实习指导书,教材及参考文献,GPS测量原理及应用徐绍铨,张华海、杨志强、王泽民 武汉大学出版社 2
3、006 全球定位系统原理及其应用 刘基余、李征航、 王跃虎、 桑吉章 编著,测绘出版社 1993 GPS测量与数据处理 李征航、黄劲松 编著, 武汉 大学出版社,2005 GPS测量操作与数据处理 魏二虎 黄劲松 编著, 武汉 大学出版社,2004,3S技术,GPSGlobal position system GIS Geodynamic Information system RSemote sensing,3S技术的结合,在现在社会应用很广泛 PS 用在军事,民用,车载等;主要讲 IS 寻找最短路径,和结合起到更好的效果 可以在空中遥测,通过遥感图片来获得信息,比如森林失火等,,第一讲 绪
4、论,a) 常规测量方法,一 常规定位技术的局限性,b) 常规测量方法的局限性,二、GPS技术的产生,1 要求提供精确的地心坐标-20世纪一般提供的是点与点之间的相对位置,坐标属于参心坐标系,远程武器也要求提供地心坐标,新时代对定位技术提出了新要求,2 要求提供全球统一的坐标-卫星定轨要求提供全球统一的坐标,远程导弹等,3 要求出现一种全天候更为快速精确、简便的的定位技术常规方法受气候条件、通视等。,4 要求在长距离上进行高精度定位的技术-监测版块运动,海平面上升等都边长需数千公里(常规测量一般只数十公里),精度至少应达到10-8相对定位精度,而常规测量精度只能达到10-5-10-6,为什么要使
5、用 GPS,GPS测量与经典测量方法的对比:,不需要相互通视 观测作业不受天气条件的影响 网的质量与点位的分布情况无关 能达到大地测量所需要的精度水平 白天和夜间均可作业 经济效益显著,三 空间定位技术的优点,测站间无需通视通过卫星来计算 数学模型简单且能同时确定点的三维坐标只需根据空间天体的几何关系确定待定点的三维坐标,不涉及地球重力场和椭球面上的计算 易于实现全天候观测GPS采用微波作为测距信号,这些信号能够在风雪雨雾中正常传播 在长距离上仍能获得高精度的定位结果观测值的精度基本与测站间的距离无关,只要设法消除观测值中包含的各种误差,就能提高精度,观测时间比较短由于不需要通视,节约了很多时
6、间,也使得观测时间变短了很多 操作简单接收机自动化程度越来越高,体积越来越小,减轻了工作紧张程度和劳动强度 功能多,应用广用于导航,测量,测时,测速,领域在不断扩大,一. 第一代卫星导航系统的产生与发展,1957年10月世界上第一颗人造地球卫星发射成功。 1958年12月美国建立海军导航卫星系统(Navy Navigation Satellite System-NNSS),由于该系统的卫星轨道均通过地极,因此又称为“子午卫星系统”(Transit) 1965年前苏联建立了“卫星导航系统”-CICADA 1967年美国宣布解密子午卫星系统的部分导航电文供民间使用。,四、GPS的发展概况,第一代卫
7、星导航系统的局限性,1.卫星少,不能实时定位。 2.轨道低,难以精密定轨。 3.频率低,难以补偿电离层效应的影响。,第二、三代卫星导航系统, 1973年12月美国开始建立新一代的卫星导航系统 GPS全球定位系统 (Global Positioning System),(一) GPS定位系统的组成,另外还包括: 各部分之间的数字通讯技术 各部分的数字处理软件,地面控制站,一个主控站:科罗拉多斯必灵司 三个注入站:阿松森(Ascencion) 迭哥伽西亚(Diego Garcia) 卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷(Hawaii),用户设备1,通用接收机(
8、定位型):,导航型接收机一般情况下无数据输出的记录存储设备(手持机),卫星信号结构,基准频率 10.23MHZ,L1 1575 . 42 MHZ,C/A码 1.023MHZ,P码 10 . 23MHZ,L2 1227.60 MHZ,P码 10.23MHZ,10,154,120,50比特/S,卫星信息电文(D码),每颗卫星都发射一系列无线电信号(基准频率) 两种载波(L1和L2) 两种码信号(C/A码和P码) 一组导航电文(信息码,D码),全球定位系统(GPS)由三个主要部分组成,空间部分: 提供星历和时间信息 发射伪距和载表信号 提供其它辅助信息,地面控制部分: 中心控制系统 实现时间同步 跟
9、踪卫星进行定轨,用户部分: 接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息,(二) 地面监控部分及其作用 1、监控部分的组成 (1)实验阶段:由设在范登堡空军基地的一个主控站、一个 注入站、一个监测站以及其它地方的四个监测站组成。 (2)工作阶段: 主控站:美国科罗拉多-斯平士的联合空间指挥中心。(一个) 注入站:大西洋、太平洋、印度洋上各一个。(三个) 监测站:主控站、注入站同时作为监测站,另外在夏威夷群 岛还设有监测站。(五个),原计划的24颗卫星布置图,修改后的18颗卫星布置图,GPS工作卫星星座(21颗工作卫星),GPS工作卫星星座(21颗工作卫星),2、主控站的作用 (1)收集数据
10、:收集监控站测得的伪距和伪距差数据、卫星时钟及状态数据、气象数据等。 (2)数据处理:编算导航电文(GPS卫星的星历、时态改正、状态数据、信号的大气传播改正等),同时将导航电文传送到注入站。 (3)诊断状态:判断地面监控系统各部分是否工作正常。 (4)调度卫星:将离轨卫星拉回来,用备用卫星代替失效卫星。 3、注入站的作用 将主控站需传播给卫星的资料以既定的方式注入到卫星的存储器中,供卫星向用户发送。,4、监测站的作用 (1)监测站的位置需精确测定。 (2)在监测站需得到伪距、导航数据、气象数据、卫星状态数据。 (3)监测站应将所得信息传送给主控站。,注入站,卫 星,主控站,监测站,星 历,卫星
11、信息,GPS卫星信号,星 历,地面监控部分的工作程序,试验卫星星座,发射时间:1978.2.221985.10.9 发射地点:加利福尼亚的范登堡空军基地 发射工具:采用Atlas F火箭 卫星数量:共有11颗试验卫星 运行轨道:圆形 长 半 轴:26560km 倾 角:64 轨道高度:20000km 星 座:卫星分布在A、C两个轨道平面内,(Block卫星),(三) 空间卫星部分及其作用,1、GPS卫星的类型及其编号,(1) 顺序编号:按照GPS试验卫星发射时间的先后次序对卫星进行编号。 (2) PRN编号:根据GPS卫星所采用的伪随机噪声码(PRN码)对卫星进行编号。在导航定位中,均采用PR
12、N编号,这一规则一直沿用至今。 (3) IRON编号:IRON为Inter Range Operation Number的缩写,意思是内部距离操作码。IRON编号是美国加拿大组成的北美空军指挥部给定的一种随机号,以此识别所选择的目标。,Block I 卫星编号,(4) NASA编号:这是美国航天局在其文件中给GPS试验卫星的编号。 (5) 国际识别号:它的第一部分表示该卫星的发射年代,第二部分表示该年发射卫星的序列号,字母A表示发射的有效负荷。,Block I 卫星编号,工作卫星星座,发射时间:19891994 发射地点:佛罗里达州肯尼迪空间中心的卡纳维尔角基地 发射工具:采用Delta火箭
13、卫星数量:共有21+3颗卫星 星 座:卫星分布在六个轨道平面内 长 半 轴:26609km 偏 心 率:0.01 卫星轨道面相对地球赤道面的倾角:55 各卫星轨道面升交点赤经相差:60 在相邻轨道上卫星的升交距角相差:30 卫星高度:20200km 卫星运行周期:11小时58分钟,(Block、 A卫星),主要包括: 接收和存储由地面监控站发来的导航信息,接收并执行监控站的控制指令; 卫星上设有微处理机,进行部分必要的数据处理工作; 通过星载的高精度铷钟、铯钟产生基准信号和提供精密的时间标准;,2、GPS卫星的基本功能,向用户发送导航定位信号。包括: 两种载波(L1 和L2) 调制在L1上的伪
14、噪声码C/A码(Coarse Acquisition Code粗捕获码) 调制在L1和L2上的伪噪声P码(Precise Code精码) 在地面监控站的指令下,通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。,GPS BLOCK -II R卫星,GLONASS,1)全球轨道导航卫星系统(GLONASS)是前苏联研制建立的,1978年开始研制,1982年10月开始发射导航卫星。自1982年至1987年,共发射了27颗GLONASS试验卫星。 2) CICADA是前苏联海军于1965年开始建立的卫星导航系统。与NNSS系统相似,CICADA系统也为第一代卫星导航系统。该系统由12颗所谓的宇宙卫星构成CIC
15、ADA卫星星座。,三、其它卫星定位系统,俄罗斯的GLONASS,24+1颗卫星,3个轨道面 轨道倾角64.8度 轨道高度19100KM 运行周期11小时15分 发射两种载波信号L1、L2,起步于1982年,比GPS晚9年,1996年整个系统正式运行,表1.3 全球导航系统GPS与GLONASS参数的比较,ENSS,继美国GPS、俄罗斯GLONASS的全球导航系统之后,许多国家和地区都在尝试建立自己的卫星导航系统,其中最引人注意的是欧盟的欧洲导航卫星系统(ENSS)即伽利略计划。该计划总的战略意图是: 建立一个高效经济的民用导航及定位系统; 使之具备欧洲运输业可以信赖的高度安全性,且确保任何未来
16、系统完全置于欧洲人的控制之下。 该系统的实施将为欧洲工业进军正在兴起的卫星导航市场的各个方面提供一个良好机会,使他们能够站在一个合理的基础上公平竞争。,GPS系统有29颗在轨卫星, 要发挥其最好的效果应为30颗, GLONASS由于缺乏资金,还是11颗卫星,要达到最好的效果应为15-18颗卫星在轨才能发挥其所有功能,“伽利略”系统卫星模拟图,伽利略计划,“伽利略计划”是指在25000公里高空部署30颗人造卫星,以更加准确地判断飞机和船舶等交通工具的位置。2008年投入使用后,可以大幅提高预防灾难和安全管理的水平。 总投资35亿欧元的伽利略计划是欧洲自主的、独立的民用全球卫星导航系统。目前世界上
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