第10章 全球卫星定位导航系统

2012-6-16
14
10.2.2 GPS定位原理
15
2012-6-16
10.2.2 GPS定位原理

设太空中的4颗卫星分别为：卫星1（x1, y1, z1）、卫星2（x2, y2, z2）、卫星3（x3, y3, z3）、卫星4（x4, y4, z4），如图 10.7所示，则可列出4个方程（方程10.1～方程10.4）。
16
2012-6-16
10.2.2 GPS定位原理

其中， x、y、z：待测点坐标（未知参数） xi 、yi 、zi：卫星 i 在 t 时刻的空间直角坐标 di (i=1、2、3、4 )：为卫星 i 到接收机之间的距离 Vto：接收机的钟差（未知参数） Vti：卫星i的钟差 c：光速 解上述方程组即可求得待测点的坐标。
22
2012-6-16
10.3.2 北斗卫星导航定位系统



北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和 授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全 球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度 0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫 星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统 完好性信息。 北京时间2010年8月1日5时30分，我国在西昌卫星发射中心用 “长征三号甲”运载火箭，成功将第五颗北斗导航卫星送入太空 预定转移轨道，这是一颗倾斜地球同步轨道卫星，是我国2010 年连续发射的第3颗北斗导航系统组网卫星。 我国自主研制的北斗卫星导航系统系列卫星自2009年起进入组 网高峰期，预计在2020年形成覆盖全球的卫星导航定位系统。
位全 导球 航卫 系星 统定
北斗导航定位系统
“北斗一号”：原理、开通、工作过程、特点 “北斗二号”：北斗卫星导航定位系统 “北斗一号”在汶川地震中的应用：通讯、指挥
GIS系统简介
构成：硬件、软件、数据、人员和方法 功能：数据获取、编辑、处理、存储、管理、空间查询 与分析、可视化表达与输出 应用：仓库规划、铁路运输
5
2012-6-16
10.1.1 GPS的产生

GPS计划的实施分为三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计 阶段（1973年～1978年），发射了4颗卫星，建立了地面跟踪网 并研制了地面接收机；第二阶段为全面研制和实验阶段（1979 年～1984年），发射了7颗Block I实验卫星，研制了各种用途的 接收机，包括导航型和测地型接收机；第三阶段为实用组网阶段 （1985年～1993年），发射了Block II和Block IIA工作卫星 （Block IIA卫星增强了军事应用功能并扩大了数据存储容量）。 截止到1993年，由分布在6个轨道平面内的24颗卫星组成的GPS 空间星座已经建成。从1973年到1993年，GPS系统的建立经历 了近20年，耗资300亿美元，它是美国继阿波罗登月计划和航天 飞机计划后的第三项庞大空间计划。
21
2012-6-16
10.3.2 北斗卫星导航定位系统

北斗卫星导航定位系统将有5颗 静止轨道卫星和30颗非静止轨 道卫星组成，采用东方红3号卫 星平台。30颗非静止轨道卫星 又细分为27颗中轨道（MEO） 卫星和3颗倾斜同步（IGSO） 卫星组成，27颗MEO卫星平均 分布在倾角55度的三个平面上， 轨道高度21500公里，如图 10.10所示。

4. 北斗系统
10
2012-6-16
10.1.2 全球四大卫星定位系统

5. 全球四 大卫星导 航系统比 较
11
2012-6-16
10.2 GPS系统

10.2.1 GPS系统构成 1. GPS系统包括三大部分 (1) 空间部分—GPS卫星星座。 (3)用户设备部分—GPS信号接收机。 (2)地面控制部分—地面监控系统。


20
2012-6-16
10.3.2 北斗卫星导航定位系统


随着我国综合国力的提升和卫星导航定位系统全面渗透普通人的 生活，还有科索沃战争和第二次海湾战争美国GPS制导高精度打 击武器的吸引，构建一个类似GPS的全球卫星导航定位系统开始 提上日程，开始被称为“北斗二号”导航定位系统。 2007年2月3日，“北斗一号”第四颗卫星发射成功，不过此时， “北斗一号”已经改名为“北斗导航试验系统”，原来的“北斗 二号”则称为“北斗卫星导航定位系统”，英文名为Compass Navigation Satellite System。第四颗北斗导航试验卫星不仅作为 早期三颗卫星的备份，同时还将进行北斗卫星导航定位系统的相 关试验。以北斗导航试验系统为基础，我国开始逐步实施北斗卫 星导航系统的建设，首先满足中国及其周边地区的导航定位需求， 并进行系统的组网和测试，逐步扩展为全球卫星导航定位系统。
12
2012-6-16
10.2.1 GPS系统构成

2. 定位信号 卫星配有4台频率相当稳定（量时精度为10-13秒）的原子钟（2 台铯钟，2台铷钟），由此产生一个频率为10.23MHz的基准钟频 信号。该信号经过倍频器降低10倍的频率后，成为频率为 1.023MHz测距粗码（C/A码）的信号频率；基准钟频信号的频 率10.23MHz，直接成为测距精码（P码）的信号频率；基准钟 频信号经过倍频器降低204600倍的频率后，成为频率为50MHz 数据码（卫星星历、导航电文的编码）的信号频率；基准钟频信 号再经过倍频器倍频150倍和120倍频后，分别形成频率为 1575.42MHz（L1）与1227.60MHz（L2）载波信号。通过测量 这些卫星信号到达的时间用户可以用4颗卫星确定4个导航参数： 纬度、经度、高度和时间。
24
2012-6-16
10.3.3 “北斗一号”在汶川地震救灾中的应用

地震后，汶川地区当地通讯设施全部被毁，加上通往灾区的道路被泥石流冲毁，不能及时运 送维修设备，北斗定位系统在救灾初期担负了绝大部分通讯任务。由于汶川灾区地处山区地 势复杂，部队配发的普通军用电台无法远距离通讯，而便携式卫星通讯系统装备的数量比较 稀少，一时也来不及调运，在这次参与抗灾的部队里使用得并不太多。这次救灾的主力是部 队，出于保密的原因，部队极少使用外国卫星电话，而“北斗一号”是我的国自己研制生产 的系统，因此不存在这些问题。同时，“北斗一号”还具有报告自身位置的优点。GPS定位 系统属于被动接受系统，使用者只能知道自己的所在位置，而无法通知指挥部门。“北斗一 号”由于采用卫星和地面控制中心复合定位的技术，用户在知道自己的地理坐标的同时，控 制中心也知道了终端的地理位置。这样方便了指挥中心对终端使用者的调度。 “北斗一号”定位终端不但能够随时向基地报告自己的位置，而且还具有双向通信的功能， 民用终端一次向卫星传送98个字节的短信息，可随时报告总部灾区的情况，申请救援物资。 如，救援部队在开进途中，有新发现的被围困群众，可以通知指挥中心增派人员。 自2003年以来，武警森林指挥部为全国所属的7个总队配发了数百套北斗设备，其中四川总 队配发了几十套，灾后第一天驻扎在汶川地区的四川森警总队汶川大队有数套“北斗一号” 终端投入了抗震救灾工作，并第一时间发回了灾情报告，第二天森警总部司令部要求参加救 灾的部队打开所有的北斗设备，并及时汇报行进情况及灾情信息，第三天总参测绘局中国卫 星导航应用管理中心及卫星地面总站紧急为部队调配了大量该类型设备。 2012-6-16
第10章 全球卫星定位导航系统

学习目标：了解GPS产生的历史背景、接收机 的分类方法、GIS系统的构成和功能；熟悉4 个导航系统的功能对比、GPS在交通物流管理 中的应用；掌握GPS定位原理与“北斗一号” 定位原理。通过学习案例——GPS在长庆油田 物流信息管理系统中的应用，加深了解GPS对 物流管理的作用。
2012-6-16
18
10.2.4 信号接收机





1. 接收机的用途分类 (1)导航型接收机。 (2)测地型接收机。 (3)授时型接收机。 2. 按接收机的载波频率分类 (1)单频接收机。 (2)双频接收机 3. 按接收机通道数分类。
2012-6-16
19
10.3 北斗导航定位系统
2012-6-16
17
10.2.3 GPS定位方法分类



1. 根据定位所采用的观测值 (1)伪距定位 (2)载波相位定位 2. 根据定位的模式 (1)绝对定位 (2)相对定位 3. 根据获取定位结果的时间 (1)实时定位 (2)非实时定位 4. 根据定位时接收机的运动状态 (1)动态定位 (2)静态定位
GPS的应用
交通运输管理：车辆定位、铁路运输、船队导航、空中 交通、军事物流 基于GPS/GIS/GSM的物流配送监控系统：模型、功能
3
2012-6-16



10.1 概述 10.2 GPS系统 10.3 北斗导航定位系统 10.4 地理信息系统简介 10.5 GPS在物流管理中的应用Biblioteka 42012-6-16
10.1 概述




10.1.1 GPS的产生 最古老、最简单的导航方法是星历导航，人类通过观察星座的位置变化 来确定自己的方位；最早的导航仪是中国人发明的指南针，几个世纪以 来它经过不断的改进而变得越来越精密，并一直为人类广泛应用着。 进入二十世纪以后，随着科学技术水平的不断提高人类逐渐发明了许多 新的定位方法，如惯性导航技术（Inertial Navigation）等。其中，地基 电子导航系统（Ground-based Radionavigation System）的诞生标志 着人类从此进入了电子导航时代。 1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星的成功发射宣告空间科学的发 展跨入了一个崭新的时代，也使电子导航技术的发展进入了一个新的阶 段。 1973年美国国防部批准其陆海空三军联合研制第二代卫星导航定位系 统—授时与测距导航系统/全球定位系统（Navigation System Timing and Ranging/Global Position System-NAVSTAR，GPS），简称全球 定位系统。