GPS发展及其应用解析.pptx
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1、 GPS GPS技术的发展及其应用技术的发展及其应用党国锋党国锋党国锋党国锋西北师范大学地理与环境科学学院西北师范大学地理与环境科学学院西北师范大学地理与环境科学学院西北师范大学地理与环境科学学院2009.6.32009.6.32009.6.32009.6.3n n报告内容:报告内容:n n一、一、GPSGPS简介简介n n二、二、GPSGPS的发展的发展n n三、三、GPSGPS在全球的应用在全球的应用一、一、GPSGPS简介简介n n1.GPS1.GPS1.GPS1.GPS及其组成及其组成及其组成及其组成n n1.1 1.1 1.1 1.1 什么是什么是什么是什么是GPSGPSGPSGPS
2、n nGPSGPSGPSGPS即全球定位系统即全球定位系统即全球定位系统即全球定位系统(Global Positioning SystemGlobal Positioning SystemGlobal Positioning SystemGlobal Positioning System)是美)是美)是美)是美国从国从国从国从20202020世纪世纪世纪世纪70707070年代开始研制,历时年代开始研制,历时年代开始研制,历时年代开始研制,历时20202020年,耗资年,耗资年,耗资年,耗资200200200200亿美元,亿美元,亿美元,亿美元,于于于于1994199419941994年全面建
3、成,具有在海、陆、空进行全方位实时三年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。n nGPSGPSGPSGPS是美国是美国是美国是美国第二代第二代第二代第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的
4、成功经验。统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的成功经验。统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的成功经验。统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的成功经验。一、一、GPSGPS简介简介n n1.2 GPS1.2 GPS1.2 GPS1.2 GPS的组成的组成的组成的组成n nGPSGPSGPSGPS系统包括系统包括系统包括系统包括三三三三大部分:大部分:大部分:大部分:n n 1.1.1.1.空间部分空间部分空间部分空间部分GPSGPSGPSGPS卫星星座;卫星星座;卫星星座;卫星星座;n n 2.2.2.2.地面控制部分地面控制部分地面控制部分地面控制部分地面监控系统;地面监控系统
5、;地面监控系统;地面监控系统;n n 3.3.3.3.用户设备部分用户设备部分用户设备部分用户设备部分GPSGPSGPSGPS信号接收机。信号接收机。信号接收机。信号接收机。一、一、GPSGPS简介简介一、一、GPSGPS简介简介n n 一、一、一、一、GPSGPSGPSGPS卫星星座卫星星座卫星星座卫星星座n n 1.1.1.1.工作卫星工作卫星工作卫星工作卫星n n GPSGPSGPSGPS工作卫星及其星座由工作卫星及其星座由工作卫星及其星座由工作卫星及其星座由21212121颗工作卫星和颗工作卫星和颗工作卫星和颗工作卫星和3 3 3 3颗在轨备用卫星组成颗在轨备用卫星组成颗在轨备用卫星组
6、成颗在轨备用卫星组成GPSGPSGPSGPS卫星星座,记作(卫星星座,记作(卫星星座,记作(卫星星座,记作(21+321+321+321+3)GPSGPSGPSGPS星座。星座。星座。星座。24242424颗卫星均匀分布在颗卫星均匀分布在颗卫星均匀分布在颗卫星均匀分布在6 6 6 6个轨道个轨道个轨道个轨道平面内,轨道倾角为平面内,轨道倾角为平面内,轨道倾角为平面内,轨道倾角为55555555度,各个轨道平面之间相距度,各个轨道平面之间相距度,各个轨道平面之间相距度,各个轨道平面之间相距60606060度,度,度,度,即轨道的即轨道的即轨道的即轨道的升交点赤经各相差升交点赤经各相差升交点赤经各
7、相差升交点赤经各相差60606060度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差差差差90909090度,度,度,度,一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前前前前30303030度。度。度。度。卫星星座一、一、GPSGPS简介简介GPSBLOCKIIR卫星卫星n n 2.2.2.2.定位星座与间隙段定位星座与
8、间隙段定位星座与间隙段定位星座与间隙段n n 定位星座:在用定位星座:在用定位星座:在用定位星座:在用GPSGPSGPSGPS信号导航定位时,为了解算测站信号导航定位时,为了解算测站信号导航定位时,为了解算测站信号导航定位时,为了解算测站的三维坐标,必须观测的三维坐标,必须观测的三维坐标,必须观测的三维坐标,必须观测4 4 4 4颗颗颗颗 GPSGPSGPSGPS卫星,称为定位星座。卫星,称为定位星座。卫星,称为定位星座。卫星,称为定位星座。n n 间隙段:这间隙段:这间隙段:这间隙段:这4 4 4 4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对颗卫星在观测过程中的几何位置分布对颗卫星在观测过程中的几何
9、位置分布对颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时,甚至不能测得精定位精度有一定的影响。对于某地某时,甚至不能测得精定位精度有一定的影响。对于某地某时,甚至不能测得精定位精度有一定的影响。对于某地某时,甚至不能测得精确的点位坐标,这种时间段叫做确的点位坐标,这种时间段叫做确的点位坐标,这种时间段叫做确的点位坐标,这种时间段叫做“间隙段间隙段间隙段间隙段”。一、一、GPSGPS简介简介一、一、GPSGPS简介简介n n 3.GPS3.GPS3.GPS3.GPS卫星的作用卫星的作用卫星的作用卫星的作用n n (1 1 1 1)用)用)用)用L L L L波段的两个无线载
10、波(波段的两个无线载波(波段的两个无线载波(波段的两个无线载波(19cm19cm19cm19cm和和和和24cm24cm24cm24cm)向用户连续不断地提)向用户连续不断地提)向用户连续不断地提)向用户连续不断地提供导航定位信号;供导航定位信号;供导航定位信号;供导航定位信号;n n (2 2 2 2)在卫星飞越注入站上空时,接收由地面注入站用)在卫星飞越注入站上空时,接收由地面注入站用)在卫星飞越注入站上空时,接收由地面注入站用)在卫星飞越注入站上空时,接收由地面注入站用S S S S波段波段波段波段(10cm10cm10cm10cm)发送到卫星的导航电文和其他有关信息,并通过)发送到卫星
11、的导航电文和其他有关信息,并通过)发送到卫星的导航电文和其他有关信息,并通过)发送到卫星的导航电文和其他有关信息,并通过GPSGPSGPSGPS信号电信号电信号电信号电路,适时地发送给广大用户;路,适时地发送给广大用户;路,适时地发送给广大用户;路,适时地发送给广大用户;n n (3 3 3 3)接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令,适时地)接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令,适时地)接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令,适时地)接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令,适时地改正运行偏差或起用备用时钟等。改正运行偏差或起用备用时钟等。改正运行偏差或起用备用时钟等
12、。改正运行偏差或起用备用时钟等。一、一、GPSGPS简介简介n n 二、地面监控系统二、地面监控系统二、地面监控系统二、地面监控系统n n 对于导航定位来说,对于导航定位来说,对于导航定位来说,对于导航定位来说,GPSGPSGPSGPS卫星是一动态已知点。星的卫星是一动态已知点。星的卫星是一动态已知点。星的卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历位置是依据卫星发射的星历位置是依据卫星发射的星历位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及其轨道的参描述卫星运动及其轨道的参描述卫星运动及其轨道的参描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗数算得的。每颗数算得的。每颗数算得的。每颗GPSGPSGPSG
13、PS卫星所播发的星历,是由地面监控系卫星所播发的星历,是由地面监控系卫星所播发的星历,是由地面监控系卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。统提供的。统提供的。统提供的。一、一、GPSGPS简介简介n n 地面监控系统的作用地面监控系统的作用地面监控系统的作用地面监控系统的作用n n (1 1 1 1)监控卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿)监控卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿)监控卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿)监控卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行;着预定轨道运行;着预定轨道运行;着预定轨道运行;n n (2 2
14、 2 2)保持各颗卫星处于同一时间标准()保持各颗卫星处于同一时间标准()保持各颗卫星处于同一时间标准()保持各颗卫星处于同一时间标准(GPSGPSGPSGPS时间系统)。这就需时间系统)。这就需时间系统)。这就需时间系统)。这就需要地面站监测各颗卫星的时间,求出钟差。然后由地面注入站发给卫要地面站监测各颗卫星的时间,求出钟差。然后由地面注入站发给卫要地面站监测各颗卫星的时间,求出钟差。然后由地面注入站发给卫要地面站监测各颗卫星的时间,求出钟差。然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备。星,卫星再由导航电文发给用户设备。星,卫星再由导航电文发给用户设备。星,卫星再由导航电文发给用
15、户设备。一、一、GPSGPS简介简介n n GPS GPS GPS GPS地面监控系统组成:地面监控系统组成:地面监控系统组成:地面监控系统组成:n n GPSGPSGPSGPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。个监测站。个监测站。个监测站。n n 1.1.1.1.主控站:设在科罗拉多的法尔孔(主控站:设在科罗拉多的法尔孔(主控站:设在科罗拉多的法尔孔(主控站:设在科罗拉多的法尔孔(FalconFalconFal
16、conFalcon)空军基地。主控)空军基地。主控)空军基地。主控)空军基地。主控站除协调和管理地面监控系统外,其主要任务是:站除协调和管理地面监控系统外,其主要任务是:站除协调和管理地面监控系统外,其主要任务是:站除协调和管理地面监控系统外,其主要任务是:n n (1 1 1 1)根据本站和其他监测站的所有资料,推算编制各卫星的星)根据本站和其他监测站的所有资料,推算编制各卫星的星)根据本站和其他监测站的所有资料,推算编制各卫星的星)根据本站和其他监测站的所有资料,推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等,并把这些数据送到注入站;历、卫星钟差和大气层的修正参数等,并把这些数据送到注
17、入站;历、卫星钟差和大气层的修正参数等,并把这些数据送到注入站;历、卫星钟差和大气层的修正参数等,并把这些数据送到注入站;第二节第二节第二节第二节 GPSGPS系统组成系统组成系统组成系统组成n n (2 2 2 2)提供全球定位系统的时间基准。各测站和)提供全球定位系统的时间基准。各测站和)提供全球定位系统的时间基准。各测站和)提供全球定位系统的时间基准。各测站和GPSGPSGPSGPS卫星的原子钟,卫星的原子钟,卫星的原子钟,卫星的原子钟,均应与主控站的原子钟同步,或测出其间的钟差,并把这些钟差信息均应与主控站的原子钟同步,或测出其间的钟差,并把这些钟差信息均应与主控站的原子钟同步,或测出
18、其间的钟差,并把这些钟差信息均应与主控站的原子钟同步,或测出其间的钟差,并把这些钟差信息编入导航电文,送到注入站;编入导航电文,送到注入站;编入导航电文,送到注入站;编入导航电文,送到注入站;n n (3 3 3 3)调整偏离轨道的卫星,使之沿预定的轨道运行;)调整偏离轨道的卫星,使之沿预定的轨道运行;)调整偏离轨道的卫星,使之沿预定的轨道运行;)调整偏离轨道的卫星,使之沿预定的轨道运行;n n (4 4 4 4)启用备用卫星,以代替失效的工作卫星。)启用备用卫星,以代替失效的工作卫星。)启用备用卫星,以代替失效的工作卫星。)启用备用卫星,以代替失效的工作卫星。n n 2.2.2.2.监测站监
19、测站监测站监测站n n 监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频频频频GPSGPSGPSGPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对器。接收机对器。接收机对器。接收机对GPSGPSGPSGPS卫星进行连续观测,以采集数据和监
20、测卫星的工作卫星进行连续观测,以采集数据和监测卫星的工作卫星进行连续观测,以采集数据和监测卫星的工作卫星进行连续观测,以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准,而环境传感器收集有关当地的气象数据。状况。原子钟提供时间标准,而环境传感器收集有关当地的气象数据。状况。原子钟提供时间标准,而环境传感器收集有关当地的气象数据。状况。原子钟提供时间标准,而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料有计算机进行初步处理,并存储和传送到主控站,用以所有观测资料有计算机进行初步处理,并存储和传送到主控站,用以所有观测资料有计算机进行初步处理,并存储和传送到主控站,用以所有观测资料有计算机进行初步
21、处理,并存储和传送到主控站,用以确定卫星的轨道。确定卫星的轨道。确定卫星的轨道。确定卫星的轨道。GPSGPS监测站分布图监测站分布图监测站分布图监测站分布图第一章第一章绪论绪论GPS地面监控系统的分布监控站主控站注入站夏威夷科罗拉多科罗拉多科罗拉多科罗拉多阿松森迭哥加西亚卡瓦加兰一、一、GPSGPS简介简介n n 3.3.3.3.注入站注入站注入站注入站n n 共有三个,分别设在印度洋的迭哥加西亚(共有三个,分别设在印度洋的迭哥加西亚(共有三个,分别设在印度洋的迭哥加西亚(共有三个,分别设在印度洋的迭哥加西亚(Diego GarciaDiego GarciaDiego GarciaDiego
22、Garcia)、南大西洋)、南大西洋)、南大西洋)、南大西洋的阿松森岛(的阿松森岛(的阿松森岛(的阿松森岛(AscensionAscensionAscensionAscension)和南太平洋的卡瓦加兰()和南太平洋的卡瓦加兰()和南太平洋的卡瓦加兰()和南太平洋的卡瓦加兰(KwajaleinKwajaleinKwajaleinKwajalein)。)。)。)。n n 设备:包括一台直径设备:包括一台直径设备:包括一台直径设备:包括一台直径3.6m3.6m3.6m3.6m的天线,一台的天线,一台的天线,一台的天线,一台C C C C波段发射机和一台计算机。波段发射机和一台计算机。波段发射机和一
23、台计算机。波段发射机和一台计算机。n n 任务:在主控站控制下将主控站推算的编制的卫星星历、钟差、导航电任务:在主控站控制下将主控站推算的编制的卫星星历、钟差、导航电任务:在主控站控制下将主控站推算的编制的卫星星历、钟差、导航电任务:在主控站控制下将主控站推算的编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等,注入到相应卫星的存储系统,并检测注入星系的正确文和其他控制指令等,注入到相应卫星的存储系统,并检测注入星系的正确文和其他控制指令等,注入到相应卫星的存储系统,并检测注入星系的正确文和其他控制指令等,注入到相应卫星的存储系统,并检测注入星系的正确性。性。性。性。n n 地面监控系统只用主控站
24、有人值守。地面监控系统只用主控站有人值守。地面监控系统只用主控站有人值守。地面监控系统只用主控站有人值守。一、一、GPSGPS简介简介n n 三、用户部分三、用户部分三、用户部分三、用户部分GPSGPSGPSGPS的用户部分由的用户部分由的用户部分由的用户部分由GPSGPSGPSGPS接收机、数据处理软件接收机、数据处理软件接收机、数据处理软件接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。n n 它的作用是接收它的作用是接收它的作用是接收它的作用是接收G
25、PSGPSGPSGPS卫星所发出的信号,利用卫星所发出的信号,利用卫星所发出的信号,利用卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。这些信号进行导航定位等工作。这些信号进行导航定位等工作。这些信号进行导航定位等工作。n n 以上这三个部分共同组成了一个完整的以上这三个部分共同组成了一个完整的以上这三个部分共同组成了一个完整的以上这三个部分共同组成了一个完整的GPSGPSGPSGPS系系系系统。统。统。统。一、一、GPSGPS简介简介uuGPSGPSGPSGPS接收机的基本类型分导航型和大地型。接收机的基本类型分导航型和大地型。接收机的基本类型分导航型和大地型。接收机的基本类型分导航型和大
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