全球定位系统及其应用

2．卫星定位系统
最早的卫星定位系统是美国的子午仪系统
(TRANSIT)，1958年研制．1964年正式投入 使用。由于该系统卫星数目较少(5～6颗)，运 行高度较低(平均1 000 km)，从地面站观测到 卫星的时间间隔较长(平均1．5 h)，因而它无 法提供连续的实时三维导航，而且精度较低
。为满足军事部门和民用部门对连续实时和 三维导航的迫切要求，1973年美国国防部制 定了GPS计划。
第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4 日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明 GPS系统进入工程建设阶段。1993年底 实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成 ，今后将根据计划更换失效的卫星。
在美国,GPS全球卫星定位技术与“阿波罗”飞 船登月,航天飞机升空,共同给列为20世纪“三大航天 工程”.
地面监控系统 （1）主控站 （2）监测站 （3）注入站
监测站—获取GPS数据,并将 数据送至主控站。 主控站--控制、调度卫星。 注入站— 将主控站的改正参 数等注入每颗卫星。
主控站位于美国科罗拉多的斯平士 （Colorado Springs）的联合空间执行中心 （CSOC），三个注入站分别设在大西洋、印度 洋和太平洋的三个美国军事基地上，即大西洋 的阿松森岛（Ascension）、印度洋的迭哥· 伽西亚(岛Diego Garcia)和太平洋的夸贾林 岛Kwajalein),五个监测站设在主控站和三个 注入站以及夏威夷岛。
在伊拉克战争中，曾经有记者问一位飞行 员：“你知道去轰炸哪个城市吗？”
飞行员回答：“不知道。”
“那你怎么去轰炸呢？”
“容易，上级给我一个坐标，我按计 算机的指引，投下采用GPS导航的炸弹掉 头就走，跟我玩游戏机没哈两样。”
这个例子是现代战争中引用GPS系统的 典型案例。我们反对战争，但要想能更好的 维护世界和平，我们也需要了解GPS——全 球定位系统这种现代地理信息技术。
(2)地面监控系统
对于导航定位来说．GPS卫星是一 动态已知点。星的位置是依据卫星发射 的星历——描述卫星运动及其轨道的参 数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历 是由地面监控系统提供的。
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，都要由地面设备 进行监测和控制。地面监控系统另一重要作 用是保持各颗卫星处于同一时间标准—— GPS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 卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 GPS工作卫星的地面监控系统包括:
导航型接收机
测地型接收机
天线单元 接收单元
授时接收机
全球定位系统的组成
系统结构 空间 位置
组成和分布
空 全 GPS
由2l颗工作卫星和3颗在轨备用卫
间 球 卫星
定 星座
星组成，24颗卫星均匀分布在6个 轨道平面内
[跨越障碍] 全球定位系统的特点是什么
(1)全球，全天候工作。 (2)能为用户提供连续、实时的三维位置、
三维速度和精密时间，不受天气的影响。
(3)定位精度高：单机定位精度优于10米， 采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。
(4)功能多，应用广：随着人们对GPS认识 的加深，GPS不仅在测量、导航、测速、测 时等方面取得更广泛的应用．而且其应用领 域不断扩大。
一、基本概念
全球定位系统：
（Global Positioning
System 简称GPS ）是 具有在海、陆、空 进行全方位、实时 三维导航与定位功 能的新一代卫星导 航与定位系统 。
[阅读指导] GPS的起源
在卫星定位系统出现之前，远程导 航与定位主要用无线电导航系统。
1．无线电导航系统
缺点：覆盖的工作区域小；电波传播 受大气影响；定位精度不高。
(3)GPS信号接收机
GPS信号接收机的任务是：能够捕 获到按一定卫星高度截止角所选择的待 测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行 对所接收到的GPS信号进行变换、放大 和处理，以便测量出GPS信号从卫星到 接收机天线的传播时间，解译出GPS卫 星所发送的导航电文，实时地计算出测 站的三维位置，甚至三维速度和时间。
3．GPS发展历程
GPS实施计划共分三个阶段：
第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从 1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研 制了地面接收机及建立地面跟踪网。
第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979 年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星。研 制了各种用途的接收机。实验表明，GPS定 位精度远远超过设计标准。
思考？
P1(x,y)
海拔
经度
P2(x,y,z)
纬度
二、定位原理：４3颗卫星定位一点
S3 S4
S2 S1
3
2
4
1
（X、Y、Z、T）
问题探讨:
按照理论,我们知道要保证地面各点能 接收到信息只要3颗卫星就可以了,为什么我 们要用4颗卫星呢?
当GPS收到3颗卫星的信号，它只能 计算出2维坐标：经度和纬度，这时它可 能还会显示高度数据，但这数据是无效的。 当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时， 它能计算出本地的3维坐标：经度、纬度、 高度。
三、系统组成
三、系统组成
Βιβλιοθήκη Baidu24颗卫星
空
用
间
户
部
设
分
备
地 1个主控站 面 3个注入站 控 5个监控站 制
(1)GPS卫星星座
由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成 。GPS卫星星座记作(2l+3)GPS星座。24颗卫 星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55 度，各个轨道平面之间的夹角为60度，即轨 道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面 内,各颗卫星之间的升交角距相差90度。一轨 道平面上的卫星比两边相邻轨道平面上的相 应卫星超前30度。
GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供 无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋
和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收 、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即 GPS信号接收机。可以在任何时候用GPS信 号进行导航定位测量。根据使用目的的不同 ，用户要求的GPS信号接收机也各有差异。 目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机 ，产品也有几百种。这些产品可以按照原理 、用途、功能等来分类。