导航原理 4.3 GPS全球定位系统.ppt

09 November 1999 Geodesy Workshop 09 November 1999 Geodesy Workshop NIMA/PSOMAS GPS全球定位系统 主要内容 了解GPS的发展与现状 GPS的前身 GPS的原理简介 GPS计划的变更 GPS计划的实施 GPS卫星 GPS的组成 GPS的现代化 GPS III 熟悉GPS的基础概念 掌握GPS定位与导航的原理 了解GPS的作用和应用领域 GPS的前身 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 GPS的前身 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 需要修建标志/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 GPS的前身 1957 年，前苏联成功发射第一枚人造卫星“斯普特尼克”1 号(Sputnik-1)进入轨道后不久，美国詹斯·霍普金斯（Johns Hopkins）大学应用物理实验室（APL）两位科学家在跟踪这颗苏联卫星时无意中发现，他们收到的无线电信号有多普勒频移效应，即卫星在飞近地面时，接收机收到的无线电频率逐渐增高，飞远时则逐渐降低。 科学家研究后产生灵感，卫星的轨道可由地面站测得的多普勒频移曲线确定，若知道卫星的精确轨道，不就能确定地面接收机的位置了吗? GPS的前身 美国科学家们随即倡议利用卫星，为其核动力弹道导弹潜艇进行定位导航，以修正惯性导航系统的时间累积误差。 1958年底，美国海军研究实验室（ Naval Research Laboratory —— NRL ）提出利用“多普勒频移效应”与“标准时间差”定位原理的卫星定位系统构想，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统NNSS——“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System）。该系统卫星都通过地极，也称“子午仪卫星系统(Transit)”。 GPS的前身 1960 年4 月开始发射首颗卫星，1964 年1月正式运行，开始提供军用服务，1967 年7月系统解密，开放给民间使用，此后曾进行两次改进，使系统精度有所提高。1988 年8 月进行最后一次发射，2000 年系统报废。 NNSS在导航技术的发展中具有划时代的意义，研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为GPS系统的研制埋下了铺垫。 GPS的前身 但该系统卫星数目少（5-6颗），运行轨道低（1000km），观测时间长（1.5小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。 从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观测1-2天；精度低，单点定位精度3-5m，相对定位精度1m，使得在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到很大限制。 GPS的前身 卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性,且子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面巨大缺陷。 为此美国海军研究实验室（NRL）提出了Tinmation计划，用12到18颗卫星组成1万km高度的全球定位网计划，于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星。在这些卫星上初步试验了星载原子钟计时系统，成为GPS系统精确定位的基础。 GPS的前身 美国空军也提出了代号为621B 的卫星定位系统的概念研究，以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划，这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道。 卫星采用伪随机码（PRN）调制传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的１％时也能将其检测出来。 伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的又一个重要基础。 GPS的前身 海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位，空军的计划能供提供高动态服务。 然而系统过于复杂，又由于同时研制两个系统会造成巨大的费用，而且这两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以 1969 年美国国防部长办公室建立了国防卫星计划，将陆海空等各军种的研制工作统一起来，以形成联合使用的系统