1、第四章 全球定位系统的概述2018/5/7 1主 要 内 容l 全球定位系统概述 l GPS系统l GLONSS系统l 北斗卫星系统 2018/5/7 2第一节 概述导航是将载体从一个位置引导到另一个位置的过程。人类在生产和生活实践中发明了多种定位和定向方法，如根据夜空中的北斗七星确认方向，利用 “司南 ”和罗盘等装置确定方位。随着科技的发展，出现了许多新的导航技术。例如，惯性导航、天文导航、无线电导航、卫星导航以及多种方法的组合导航等 。 卫星导航是目前发展最迅速、应用最为广泛的导航技术。大家熟知的GPS (Global Positioning System)是美国军方建造的全球定位系统，是
2、卫星导航系统的一种。卫星导航系统主要由三部分组成，分别是导航卫星、地面台站和用户定位设备。2018/5/7 3卫星导航系统的工作原理是如 下 图所示，导航卫星装有专用的无线电导航设备，用户接收导航卫星发来的无线电导航信号，通过时间测距或多普勒测速分别获得用户相对于卫星的距离或距离变化率等参数，并根据卫星发送的时间、轨道参数，求出在定位瞬间卫星的实时位置坐标，从而定出用户的地理位置坐标 (二维或三维坐标 )和速度矢量分量。由多颗导航卫星构成导航卫星网 (导航星座 )，具有全球和近地空间的立体覆盖能力，实现全球无线电导航。概述2018/5/7 4第二节 GPS系统GPS系统 (Global Pos
3、itioning System)，又称全球卫星定位系统，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区 (98%) 提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国政府于 1970年代开始进行研制并于 1994年全面建成，可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的 24颗 GPS卫星；地面上的 1个主控站、 3个数据注入站和 5个监测站及作为用户端的 GPS接收机。最少只需其中 3颗卫星，就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度；所能收联接到的卫星数越多，解码出来的位置就越精确 。 2018/5/7 5GPS
4、系统拥有如下多种优点：全天候，不受任何天气的影响；全球覆盖 (高达 98%) ；三维定速定时高精度；快速、省时、高效率；应用广泛、多功能；可移动定位；不同于双星定位系统，使用过程中接收机不需要发出任何信号，增加了隐蔽性，提高了其军事应用能力。GPS系统 特点2018/5/7 6GPS系统的 发展历程1. 前身GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统 (Transit)， 1958年研制，1964年 正式投入使用。2. 计划最初的 GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将 24颗卫星放置在互成 120度的六个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。 1988年又进行了最后一
5、次修改： 21颗工作星和 3颗备份星工作在互成 30度的 6条轨道上。这也是现在 GPS卫星所使用的工作方式。3. 计划实施GPS计划的实施共分三个阶段： 第一阶段为方案论证和初步设计阶段 ; 第二阶段为全面研制和试验阶段 ; 第三阶段为实用组网阶段。2018/5/7 7精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到导航：武器导航 ; 车辆导航 ; 个人导航精准农业：农机具导航、自动驾驶，土地高精度平整授时：用于给电信基站、电视发射站等提供精确同步时钟源GPS系统的 功能2018/5/7 8GPS系统的组成GPS系统主要
6、由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。1. 空间星座部分GPS卫星星座由 24颗卫星组成，其中 21颗为工作卫星， 3颗为备用卫星。 24颗卫星均匀分布在 6个轨道平面上，即每个轨道面上有 4颗卫星。2. 地面监控部分地面监控部分主要由 1个主控站、 4个地面天线站和 6个监测站组成。 监测站的主要作用是采集 GPS卫星数据和当地的环境数据，然后发送给主控站。3. 用户设备部分用户设备主要是 GPS接收机，主要作用是从 GPS卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。2018/5/7 9GPS信号定位误差来源与分析GPS定位在过程中出现的各种误差根据来源可分为三类：与卫星有关的误差、与信号传播有关的误差及与接收机有关的误差。这些误差对 GPS定位的影响各不相同，且误差的大小还与卫星的位置、待定点的位置、接收机设备、观测时间、大气环境以及地理环境等因素有关。针对不同的误差有不同的处理方法。差分技术为了使民用的精确度提升，科学界发展另一种技术，称为差分全球定位系统 (Differential GPS)，简称 DGPS。亦即利用附近的已知参考坐标点 (由其它测量方法所得 )，来修正 GPS 的误差。再把这个即时(real time)误差值加入本身坐标运算的考虑，便可获得更精确的值 。2018/5/7 10
