GPS测量原理与应用-讲义.ppt

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1、GPS测量原理与应用The Principle and Application of GPS主讲：李克昭第一讲：第一讲：GPS概述及理论基础概述及理论基础第二讲：第二讲：GPS信号及其测量原理信号及其测量原理 测量平差基础测量平差基础第三讲：第三讲：GPS静态定位原理静态定位原理第四讲第四讲 GPS动态定位原理动态定位原理第五讲第五讲 GPS控制网的设计与外业工作控制网的设计与外业工作第六讲第六讲 GPS定位测量数据处理定位测量数据处理第七讲第七讲 GPS定位测量技术应用定位测量技术应用第八章第八章 现代全球导航定位系统发展现代全球导航定位系统发展Basic course outline实习安

2、排：第11周：周三上午 第一大节 GPS接收机的认识和使用第13周：周三上午 第一大节 GPS网的布设和数据采集第13周：周五上午 第一大节 学院机房实习，GPS数据下载第14周：周三上午 第一大节 学院机房实习，GPS数据处理第15周：周三、五上午 第一大节 RTK的认识和使用答疑时间：周四晚，地点：学院310参考书籍及网址：参考书籍及网址：(Text books)1.张勤张勤,李家权李家权.GPS测量原理及应用测量原理及应用.科学出版社科学出版社.2.徐绍铨徐绍铨,张华海张华海,杨志强杨志强 等等.GPS测量原理及应用测量原理及应用.武汉大武汉大学出版社学出版社.3.干国强干国强.导航与定

3、位导航与定位现代战争的北斗星现代战争的北斗星.国防工业出版国防工业出版社社.4.袁建平袁建平 等等.卫星导航原理与应用卫星导航原理与应用.中国宇航出版社中国宇航出版社.5.张守信张守信.GPS卫星测量定位理论与应用卫星测量定位理论与应用.国防科技大学出版国防科技大学出版社社.6.董绪荣董绪荣 等等.GPS/INS组合导航定位及其应用组合导航定位及其应用.国防科技大国防科技大学出版社学出版社.7.许其凤许其凤.GPS卫星导航与精密定位卫星导航与精密定位.解放军出版社解放军出版社.参考书籍及网址参考书籍及网址(续续)：8.麻省理工学院开放式课程网页。麻省理工学院开放式课程网页。.9.武汉大学武汉大

4、学GPS原理及其应用课程专题网站。原理及其应用课程专题网站。.10.卡尔加里大学卡尔加里大学Geomatics Engineering.第一讲：第一讲：GPS概述及理论基础概述及理论基础（The Summarization and Basic Theory of GPS）内容（内容（Contents）：）：1.1 GPS概述概述GPS的产生的产生GPS系统的组成系统的组成 GPS的定位特点及优势的定位特点及优势 GPS的应用发展及前景的应用发展及前景1.2 GPS定位基本原理及基础定位基本原理及基础1.1.1 GPS的产生的产生 (The Birth of GPS)GPS导航的本质是将陆基的无

5、线电导航搬到天基。这导航的本质是将陆基的无线电导航搬到天基。这是一个发展的过程，也是是一个发展的过程，也是GPS产生的过程。因此，在产生的过程。因此，在将将GPS的产生史，我们就得先回顾一下无线电导航的的产生史，我们就得先回顾一下无线电导航的发展史。发展史。（a）第一次世界大战，海上首次使用了无线电通信，）第一次世界大战，海上首次使用了无线电通信，与此同时，在海岸上开始安装发射与此同时，在海岸上开始安装发射375kHz连续无线电连续无线电波的无线电信标台。（无线电导航雏形）波的无线电信标台。（无线电导航雏形）（b）第二次世界大战，由于军事需求，加速了无线）第二次世界大战，由于军事需求，加速了无

6、线电导航的发展。主要发明了罗兰电导航的发展。主要发明了罗兰-A（LORAN-A）。）。（c）二战后，）二战后，50年代末期，美国海岸警卫队研制了罗年代末期，美国海岸警卫队研制了罗兰兰-C（相对罗兰相对罗兰-A而言，覆盖范围大，导航精度提高而言，覆盖范围大，导航精度提高）。为了实现全球导航，美国又进一步研制了奥米伽系。为了实现全球导航，美国又进一步研制了奥米伽系统。该系统虽然做到了全球覆盖，但存在如下不足：统。该系统虽然做到了全球覆盖，但存在如下不足：（1）由于电磁波传播受各种因素影响，定位精度到）由于电磁波传播受各种因素影响，定位精度到24海里；海里；（2）多值性；）多值性；（3）数据更新率低

7、；）数据更新率低；（4）用户设备昂贵，限制广泛使用；）用户设备昂贵，限制广泛使用；（5）全球设站，维护代价很高。）全球设站，维护代价很高。怎么办？怎么办？1957年年10月月4日日晚晚，前前苏苏联联的的拜拜科科努努尔尔发发射射场场一一声声巨巨吼吼，由由P-7洲洲际际导导弹弹改改进进的的卫卫星星号号运运载载火火箭箭将将世世界界上上第第一一颗颗人人造造地地球球卫卫星星“斯斯普普特特尼尼克克”1号号（C-1，Sputnik-1）送送入入了了近近地轨道。地轨道。重83kg，直径58cm随随后后3个个月月，即即1958年年1月月31日日，美美国国发发射射了了“探探索索者者1号号“（重13.89，直径13

8、cm）。从此，美苏的太空竞争就拉开了序幕。从此，美苏的太空竞争就拉开了序幕。既既然然卫卫星星上上天天了了，能能否否将将无无线线电电导导航航设设备备放放到到卫卫星星平平台台上上以以克克服服地地基基无无线线电电导导航航的的缺陷？缺陷？1958年年12月月，美美国国海海军军和和霍霍普普金金斯斯大大学学物物理理 实实 验验 室室 就就 联联 合合 研研 制制 NNSS（Navy Navigation Satellite System）。由由于于卫卫星星轨轨道道近近似似圆圆形形且且经经过过地地球球南南、北北极极上上空空，又称又称NNSS为子午卫星系统（为子午卫星系统（Transit)。NNSS卫星运行图

9、卫星运行图卫卫 星星 轨轨 道道 高高 度度9501200km，运运行周期约为行周期约为107min 子子午午卫卫星星是是第第一一代代卫卫星星导导航航定定位位系系统统，跨跨越越了了从从地地基基无无线线电电导导航航到到天天基基无无线线电电导导航航的的历历程程，但但其其仍仍然然存存在在许许多多缺缺点点，主主要要是：是：（1）卫星数量少（）卫星数量少（6颗），不能实现连续实时导航；颗），不能实现连续实时导航；（2）卫星轨道高度低，难以实现精密定轨；）卫星轨道高度低，难以实现精密定轨；（3）信号频率低，难以补偿电离层效应的影响。）信号频率低，难以补偿电离层效应的影响。正正因因为为如如此此，美美国国国国

10、防防部部于于1973年年12月月批批准准陆陆海海空空三三军军联联合合研研制制新新的的军军用用卫卫星星导航系统，于是乎，导航系统，于是乎，GPS就产生了。就产生了。1.1.2 GPS的系统组成的系统组成 GPS的的英英文文全全称称是是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，简简称称GPS，有有时时也也被被称称作作NAVSTAR GPS。其其意意为为“导导航航星星测测时时与与测测距距全全球球定位系统定位系统”，或简称全球定位系统。，或简称全球定位系统。GPS系统由系统由3部分组成：部分组成：（1）空间部分；）空间

11、部分；（2）地面监控部分；）地面监控部分；（3）用户接收部分。）用户接收部分。空间部分GPS卫星星座 GPS卫星的卫星的3个基本功能：个基本功能：（1）执行地面监控站的指令，接收和存储地面监控站发来的导航信息；（2）向用户播送导航电文，提供导航和定位信息；（3）授时。通过高精度的卫星钟，向用户提供精密的时间基准。地面监控部分 GPS系统的地面监控网络区段目前由5个地面站组成，其中主要包括主 控 站（Master Control Station，MCS），地面天线站和监测站。用户设备部分用户设备部分GPS系系 统统的的用用户户设设备备部部分分由由GPS接接 收收机机硬硬件件和和相相应应的的数数据

12、据处处理理软软件件及及微微机机及及其其终终端端设备组成。设备组成。1.1.3 GPS的定的定位特点及优势位特点及优势 (1)(1)提供全天候、全球提供全天候、全球性的导航和定位服务；性的导航和定位服务；（2 2）可进行高精度、）可进行高精度、高速度的实时精密导高速度的实时精密导航和定位；航和定位；（3 3）用途广泛，操作）用途广泛，操作简便。简便。1.1.4 GPS的应用发的应用发展及前景展及前景（The Development and Promotion of GPS Application)GPS在军事中的应用在军事中的应用GPS导航的舰载飞弹 配备GPS的士兵 美国海军核潜艇 交会对接空

13、间科学研究中的应用ETS-VII空间自主交会对接仿真验证示意图 OE在轨实验卫星 GPS在交通运输业中的应用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GPS在测量中的应用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GPS在测量中的应用（续）在测量中的应用（续）板块运动和监测板块运动和监测GPS在测量中的应用（续）在测量中的应用（续）建立各级国家平面控制网建立各级国家平面控制网GPS在测量中的应用（续）在测量中的应用（续）布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量GPS在测量中的应用（续）在测量中的应用（续）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GPS在其他领域中的应用在其他领域中的应用n精细农业精细农业n遥感遥感n卫星定轨卫星定轨n资源勘探资源勘探n个人旅游及野外探险个人旅游及野外探险n电力、广播、电视、通讯等网电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递络的时间同步、时间传递n.