GPS 全球定位系统原理与应用

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1、GPS全球定位系统原理与应用GPS导航仪GPS新闻（2010年9月）申通快递应用GPS定位系统实现运输透明化管理江津283辆客运班车装GPS 不良驾驶将“现形”市民带上GPS爬凤凰山迷路 救援队员凌晨上山将其救出时代：美国政府可使用GPS监视公民行踪GPS监控 宁夏偏远山村电影放映阳光作业提高运动员成绩 GPS定位系统帮大忙第一章 绪论第一节 GPS定位技术及其发展一、 GPS是什么？GPS的英文全称是:Navigation Satellite Timing And Ranging / Global Position System，简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。其意为“导航星

2、测时与测距/全球定位系统”，或简称全球定位系统。定义：GPS是美国研制的新一代卫星导航定位系统，可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。二、 GPS技术的发展 利用测深杆沿着海岸航行根据盛行风和风向。 探险家估计离陆地已近便把乌鸦放出去。 水手依据气味的方向判断陆地的位置和船所在的位置u 最古老，最简单的导航方法是星历导航；u 天文测量的思想早已经出现在了测量学中；u 14051433年，中国明朝郑和率领船队七次横渡印度洋，提出了利用恒星高度来测定地理纬度的方法 ；u 最早的导航仪是中国人发明的指南针；u 进入20世纪，人们逐渐发现发明了很多新的技术：1、海员通过测量

3、船体的速度进行外推确定位置，“拖绳计节”；2、惯性导航技术，第二次世界大战期间，德国以冯布劳思为首的研究小组研制出了V-2火箭，它从欧洲本土飞越英吉利海峡，直奔英国首都，在伦敦市区爆炸了世界上第一枚投入战争的弹道式导弹，被希特勒称为“第三帝国的秘密武器”。u 由于电子技术和电磁波技术的发展，人们从懂得利用宇宙中的参照物（星体）扩展到主动建立人为的参照物，即电子导航系统。首先是地基无线电导航系统，由在世界各地适当地点建立的无线电参考站组成；u 1957年，苏联发射了世界上第一颗人造卫星；u 1958年，美国着手建立为军用舰艇导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统（Nava Navigationi

4、ng Satellite System NNSS）,也称子午卫星系统；1960年发射第一颗卫星；1964年1月该系统正式运行；1967年7月系统解密以供民用。u 前苏联于1965年建立了一个类似的系统：CICADAu 1973年，美国DOD批准其海陆空三军联合研制第二代卫星导航系统GPS，设计24颗卫星，投资300亿美元，分三个阶段：第一阶段：方案论证（19741978）；第二阶段：系统论证（19791987）；第三阶段：生产实验（19881993）；u 1995年7月，GPS达到FOC(Full Operational Capability)；三、 GPS的功能用途测量、航空、卫星定位、军事

5、、精细农业、车载导航、广播、电视、探险、航运向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息.GPS的特点：全球性连续覆盖，全天候工作；定位精度高；观测时间短；测站间无需通视；可提供三维坐标；操作简便；功能多，用途广。1、 军事上的应用u 协同作战方面GPS可为各级指挥系统提供各种目标及事件所发生的时间和地点u 导弹的制导，提高命中目标的精度美伊战争70%左右使用GPS辅助制导，使战斧式巡航导弹从1600公里的地方准确打击一个小房子的目标。u 搜索、救援人员野外定位在茫茫的沙漠上，没有任何标志，主要靠导航卫星进行定位，知道自己在什么地方l 美国的前参谋长联席会议主席曾说过，如果没

6、有GPS系统的支持，美国甚至连一场战争都无法取胜l 美国对伊战争中使用的最多的杀手锏是“精确制导武器”，而精确制导武器离不开卫星的侦察和定位作用，美军空袭几乎全部使用了gps辅助制导的精确制导武器，使美军可以在夜间和沙尘的天气条件下发起攻击。l 美英联军的“自相残杀”时有发生，如美军巡航导弹落在了土耳其，“爱国者”击落了英军的“旋风”战斗机，军事专家分析原因：技术欠缺，地形复杂，训练不足，还有敌军的破坏和干扰，因此，布什致电普京，指责俄罗斯的公司向伊拉克出售GPS干扰装置2、 海陆空的导航应用u 海洋运输，利用GPS提供的位置信息，选择最佳路径，节省时间，燃料，并保障安全（1）使用GPS，一艘

7、大型油轮横渡大西洋一次可节省17000美元（2）沿海渔船上装上GPS可方便准确的导航，避免进入国外领海，实现远海捕鱼u 陆地车辆导航（1）对特种车辆进行跟踪、监控、保障其安全运钞车（2）公交系统、出租车系统利用GPS随时知道每辆车的具体方位和行驶状况，随时安排调度（3）北京的奥运交通投资900亿，其中一个内容是四环以内的公交、出租全部都装上GPS监控系统GPS导航：自动定位的时间约为45秒，数据更新为1次/秒，水平定位精度小于10米，速度精度为0.5米/秒；任我游300装载了全国公路网和313个城市的详细地图，而且还有大量的生活、旅游、交通资讯可以查询。上海的110指挥中心车辆监控u 空中导航

8、（1）空中管制，导航，监测（2）飞机的进场，着陆RNP精密导航：RNP（Required Navigation Performance）精密导航技术，是利用飞机自身机载导航设备和全球定位系统引导飞机起降的新技术，为目前国际航空界公认的飞行导航未来发展方向。3、定位u 大地测量和工程测量的应用（1）代替常规方法布设、加密控制网（2）测图、放样（3）变形监测（4）地球动力学，检测板块、极移运动常规方法的局限：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；自动化程度不高；不能连续观测；观测点之间需要保证通视（需要修建觇标/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）

9、地壳运动监测：由于印度板块向北向的推挤而造成了中国大陆内部产生了比较强烈变形，由于它的板块在喜马拉雅和亚洲板块的碰撞，使得青藏高原产生这种隆升，而这种隆升的过程，又伴随着青藏高原整体向东向的挤出，这样一种挤出就会使得青藏高原内部，包括青藏高原周边的地块,破碎成了一系列大小不同尺度的地块，而这种地块在边界带会相互地位错，会发生运动，这种运动一旦以不稳定的破裂形式发生的话就产生地震GPS与减灾防灾：胡锦涛主席提到：“要加快遥感、地理信息系统、全球定位系统、网络通信技术的应用以及防灾减灾高技术成果转化和综合集成，建立国家综合减灾和风险管理信息共享平台，完善国家和地方灾情监测、预警、评估、应急救助指挥

10、体系。”领海基线测量测量上的前景展望4、授时精度：10ns的时钟改正数应用：电力系统的并网发电5、其他农业、气象、休闲、日常生活运动员实时跟踪系统、精细农业、人员定位GPS新闻：u 新华社坎帕拉11月12日电:记者从正在乌干达举行的第九届湿地公约缔约方大会上了解到，一些国家正在利用高科技手段研究候鸟迁徙，以追踪候鸟这一传播禽流感病毒的“最大嫌疑犯”。过去多使用人为手段追踪候鸟，鸟类学家为此要花费大量时间在世界各地追寻候鸟迁徙足迹，了解候鸟的生活习性。 现在，很多科学家正在利用（全球卫星定位系统）等先进手段，监测候鸟的飞行路线。据悉，利用系统监测从欧亚大陆迁徙到北美的候鸟，不仅可以进行实时追踪，

11、误差也只有几米远。四、 GPS和你的专业有什么关系吗？土地资源管理：土地利用现状调查；地籍测量；建设用地勘测定界；土地产权调查土地利用现状、变化调查：一般方法：遥感相片；航摄相片；直接外业调绘，皮尺、常规测量仪器一般的工作方法：土地资源监测类型体系及数据；室内遥感解释：提取土地利用遥感变化信息；GPS野外实测作业，低精度的变化靶区数据（指导GPS作业）；利用野外作业获得的高精度测量数据更新土地利用数据。空间数据采集/维护系统：TOPCON公司的Turbo-G2亚米级 GPS接收机，进行高精度GIS数据采集时还需架设一台基准台，两站之间的作用距离不得超过300公里。属性采集GPS手持机“北京市国

12、土资源局GPS/PDA技术在土地调查业务中的应用 ”：与东南大学合作，利用该校研制的集成GPS、PDA、GIS、RS、网络通讯（GPRS）等技术于一体、适合基层土地管理人员使用的便携式土地调查作业系统-“调查之星”2006年，市局投资320万元为14个区县分局配置了“调查之星”。利用“调查之星”对顺义、通州、大兴区以及亦庄经济开发区征（占）地部分档案的宗地（位置、面积）数据进行外业定位和面积量算。整个外业工作，充分利用了“调查之星”的技术优势，仅仅用了以前传统调查方法约1/6的时间，就完成了1500多份历史档案的外业调查和内业上图工作。示范应用表明：GPS/PDA不仅可以用于地籍调查与测绘，还

13、可以用于农村集体土地调查、土地登记发证、现场执法检查等。第二次全国土地调查明确18亿亩耕地红线：仅用三年时间，从具体地块开始，查清全国城乡每一块土地的权属、面积、四至和用途等情况，查清每一块基本农田的状况，并要高标准地建立“四级联网、上下互通”的土地数据库，实现土地管理信息化、网络化。第二次全国土地调查总体方案中：“农村土地调查以1:1万主比例尺，以正射影像图作为调查基础底图，充分利用现有资料，在GPS等技术手段引导下，实地对每一块土地的地类、权属等情况进行外业调查，并详细记录，绘制相应图件，填写外业调查记录表，确保每一地块的地类、权属等现状信息详细、准确、可靠。”GPS搜索违法用地土壤调查五

14、、GPS有什么缺点吗？飞机上的导航配备现状：中国北方航空公司的主力机型有麦道系列和空客系列飞机，包括MD-82、MD-90、A-300和A-321。1、 MD-82生产年代最早，原来的导航系统是欧米茄系统，但由于80年代美国停用欧米茄系统四个地面台，该系统不再工作，北方公司选装了两套GPS系统。2、 MD-90和A-300是70-80年代生产的飞机，机载电子设备相近。它们都没有装备GPS，位置导航系统是惯性导航系统。3、 A-321是空中客车公司最先进机型之一，它的电子设备代表了最新的科技成果在民航业的应用。A-321装备两套GPS系统，同时装备两套IRS，并且在正常情况下，IRS为主用系统，

15、GPS为辅助系统。导航仪严重失误第二节 其他的GNSS系统u GLONASS 全球导航卫星系统u Galileo系统u 北斗系统：我国的第一代卫星导航系统1、 GLONASS：Global Navigation Satellite Systemu 1996年俄罗斯耗资30多亿美元，完成了GLONASS导航卫星星座的组网工作。u 类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统；u 其前身CICADA与子午系统同期，于1965年设计，有12颗卫星；u 20世纪70年代中期开始启动GLONASS计划u 1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星u 1996年1月18日，完成24颗卫星的布

16、局，卫星具备完全工作能力u 由于经济原因，现在天空上的GLONASS卫星仅为十几颗。关于GLONASS：GLONASS和GPS在技术上不相上下；GLONASS卫星平均在轨道上的寿命较短且由于经济困难无力补网，在轨可用卫星少，不能独立组网；其应用普及情况则远不及GPS，这主要是俄罗斯没有开发民用市场。GLONASS和GPS组合测量是一个发展方向；中国、印度都计划和俄罗斯合作，维护和发展GLONASS。GLONASS动态：u 2005年，俄罗斯联邦政府正式批准了2006年2015年俄罗斯联邦航天计划，新的十年航天计划是一项国家经济战略，强调航天科技的发展应该更多地为国家经济服务，总预算为3050亿

17、卢布(1美元约合28卢布)，主要任务是发展卫星通信，完善俄“GLONASS”卫星定位系统，保障全俄境内的通信和电视转播等u 2005年底的12月25日，俄航天部队与俄航天局在拜科努尔发射场的81号发射台成功发射了载有3颗GLONASS卫星的“质子-K”运载火箭。目前这三颗卫星运转正常。这三颗卫星的飞行由位于莫斯科郊外克拉斯诺兹诺缅恩斯克的指挥所控制。这样“全球卫星定位导航系统”有17枚在轨卫星。俄将开始生产新一代“格洛纳斯”导航卫星：u 2008年08月28日:俄罗斯联邦航天署27日宣布，俄应用机械科学生产集团已经开始生产新一代导航卫星“格洛纳斯-K”。u 据国际文传电讯社报道，“格洛纳斯-K

18、”导航卫星预计最早于2010年发射。u 该卫星是俄全球卫星导航系统的第三代产品，与前两代卫星“格洛纳斯”和“格洛纳斯-M”相比，它重量更轻，寿命可长达12年俄全力打造“格洛纳斯” 冲击美GPS一统天下局面：u 2008年09月13日:根据俄罗斯总理普京9月12日签署的一项命令，俄政府决定增加670亿卢布（约合26亿美元）专项资金，用于进一步落实“格洛纳斯”全球卫星导航系统国家计划。u 此举不仅意味着“格洛纳斯”计划进入了一个全面实施的新阶段，同时也标志着俄罗斯在参与全球卫星导航技术竞争中迈出了重要一步。2008年12月，系统达到20颗卫星2、Galileo背景：GLONASS在轨卫星缺失，GP

19、S独霸市场，GLONASS、GPS均由军方控制欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的系统。参股共建，收费。Galileo的历程：u 1998年，欧盟计划开发伽利略计划u 2002年1月，“伽利略”计划的发言人向外界宣布，该专案迫于美国压力而搁浅。u 2002年3月26日，欧盟运输部长们一致同意正式批准研制“伽利略”导航卫星的计划。u 同年3月，在多方努力下，欧洲航天局（European Space Agency）和欧盟成员国同意向“伽利略”计划拨款。u 当其时正值华盛顿与欧洲在进攻伊拉克问题上闹得不可开交，因此美国施压非但没有奏效

20、，反而进一步激怒了反对攻伊的法国、德国等欧盟国家。u 2003年3月20日，美国发动伊拉克战争，更促使欧盟加速去研发一组不受美国控制的定位系统。u 2003年5月，欧盟宣布开始实施“伽利略”计划。Galileo的展望：u 伽利略计划将为欧盟创造万个高技术含量的就业岗位；u 每年经济收益有亿欧元之多；u 仅出售航空和航海终端设备一项就可在年至年将获得亿欧元收入；Galileo阶段：（一）2000年前，可行性评估或定义（二）20012005，开发和检测（三）20062007，部署（四）2008，商业运行Galileo系统的概况：投资预计36亿欧元左右；30颗HEO卫星组成；三个轨道面；2.4万多公

21、里；预计在2008年布置完成；Galileo系统的服务：向用户提供三种信号：）免费使用的信号（6M）；）加密且需交费使用的信号；）加密且需满足更高要求的信号（1M）。如果说GPS只能找到街道，“伽利略”则可找到车库门Galileo动态：2004年6月22日，美国国务院及欧洲联盟执行委员会官员表示，双方已经达成最后协议，解决大西洋两岸在卫星定位系统上的争议，确保美国的全球定位系统与欧洲的伽利略计划能够兼容且不会互相干扰。 欧盟与印度签署伽利略计划合作协定（2005），新华社布鲁塞尔9月7日电(记者卢苏燕)欧盟委员会7日宣布，欧盟与印度当天在印度首都新德里签署了双方在伽利略计划方面的合作协定，从而

22、使欧盟在这一民用卫星导航计划中的合作伙伴增加到4个;除印度外，欧盟已与中国、以色列和乌克兰签署了合作开发协议，并正在与阿根廷、巴西、摩洛哥、墨西哥、挪威、智利、韩国、马来西亚、加拿大以及澳大利亚等国进行合作谈判。 中国与Galileo：2003年底，中国与欧盟签署了就“伽利略”卫星导航计划进行合作的双边协议。协议规定：中欧双方将在卫星导航技术、工业制造、服务和市场开发、产品标准化和频率等方面进行合作。此外，中国还将在“伽利略联合企业”中投入约2亿欧元，并在其中持有相应的股份。美国威胁摧毁中欧合研卫星：u 2005年2月，香港文汇报报道，根据一份美国空军文件透露，美国空军副部长蒂兹这样写道：10

23、年后，如果伽利略全球卫星定位系统准确地攻击美军时，那么美国人民的生命就会非常危险，我们将会怎么办呢？ u 美国报刊披露，美军已经制定了详细的作战计划，在必要时摧毁欧盟未来的“伽利略”全球定位系统的卫星。u 据说欧洲委员会坚称，即使卫星将来会用於与美国打仗，也不会关掉它们或进行讯号干扰。2005年已发射第一颗卫星GIOVEA：2005年12月28日，欧洲“伽利略”卫星导航系统的首颗实验卫星“GIOVEA”由俄罗斯“联盟FG”火箭从哈萨克斯坦的拜科努尔航天中心发射升空，体积:2.7 x 1.2 x 1.1 m3 ，重量： 650 Kg。第一颗卫星由伽利略工业公司研制,采用的最突出的新技术是无源氢母

24、钟(PHM)。2006年1月12日，GlOVE-A已开始向地面发送信号。2008年4月发射第二颗卫星3、北斗一号u 两颗“北斗一号”卫星分别于2000年10月31日和12月21日发射升空u 第三颗“北斗一号”卫星于2003年5月25日发射升空u 第四颗于2007年2月3日发射北斗系统：目的：快速定位、实时导航，简短通讯，精密授时；由三颗地球同步轨道卫星组成星座，卫星结构简单；36000km。北斗的用户接收机：定位通信型；通信型；授时型；管理型定位过程：u 由中心控制系统向卫星I、II发送询问信号，经卫星转发器向服务区内的用户广播。u 用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号

25、，径卫星转发回中心控制系统。u 中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用的申请服务内容进行相应的数据处理。北斗系统定位的特点：u 定位工作主要在中心站完成，属于主动式导航定位系统u 二维导航和定位，高程结果需要由其他途径获得u 主要的优势在于军用：通讯、集团用户的调度和派遣北斗系统的应用现状：u 2004年4月全面对民用客户开放，迄今为用户提供定位服务超过亿次，通信服务超过千万条，在军事应用、森林防火、水利防汛、交通运输、安全保卫等领域产生了显著的社会效益。u 以卫星设计容量为百万户来计算，目前在线的终端用户不足千分之一。u 以卫星在轨寿命8年来计算，每天有100万元的折旧在白白消耗；

26、u 北斗导航系统的地面终端设备研制滞后，至今缺少性能稳定、价格平民化的用户机；北斗系统的应用案例：u “陕南水利雨量监测速报系统”由西安山脉公司和北斗星通共同建造，依托北斗卫星导航定位系统，通过北斗卫星链路，实现了陕南汉中安康商洛三地市用户所需的水文水情信息的实时传输。u “边防信息化管控”安装了“北斗一号”车载指挥终端设备的巡逻车正在沿着边境线例行巡逻。指挥控制中心的屏幕上，“北斗一号”卫星巡逻检查系统显示着车辆移动运动轨迹。在地震中的重要作用：u 中国自主研制的“北斗一号”系统在通信中断的情况下发挥重要作用，救灾部队携带的北斗系统正在陆续发回各种灾情和救援信息。 u “北斗一号”卫星导航定

27、位系统监测到，一支携带了“北斗一号”终端机的部队，从中午12时开始，沿着马尔康、黑水、理县到汶川的317国道，以每小时6公里左右的速度一路急进。6个小时前进了近40公里，已经进入汶川县境内，离县城还有40公里左右的路程。 u 由于通信受阻碍，位于北京的卫星导航定位指控中心初步判断该部队隶属四川武警总队。指控中心正在进一步了解情况。北斗二代计划：u “二代北斗导航系统” ：COMPASS-系统是继北斗一代系统后的中国新一代卫星导航系统，这将是一个真正的全球定位系统。u “二代北斗导航系统”计划包括4颗静止星；12颗中轨星；9颗高轨星。u 原定2006年开始组网，2010年实现全球精确覆盖。u 2

28、007年4月14日首颗卫星发射成功2009年4月发射第二颗4、其他：印度地区导航卫星系统七颗卫星，其中三颗为静地卫星，为印度全境及周边2000公里的范围提供定位服务，精度20米。第三节 GPS系统的组成（一）由GPS卫星组成的空间部分 Space Segment（二）由若干地面站组成的控制部分 Ground Segment（三）以接收机为主体的广大用户部分 User Segment（一）空间部分GPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫星星座。GPS卫星：铯原子钟，计算机，2块7m2的太阳能翼板，姿态控制和太阳能板指向系统，无线电收发两用机，导航荷载（发射测距和导航数据），1,877 kgG

29、PS IIR卫星发射GPS卫星的发展：u 试验卫星：Block ；u 工作卫星：Block Block ：存储星历能力为14天，具有SA和AS地能力Block A （Advanced）：卫星间可相互通讯，存储星历能力为180天，SV35和SV36带有激光反射棱镜Block R （Replacement/Replenishment）：卫星间可相互跟踪相互通讯Block F（Follow On）：新一代的GPS卫星,增设第三民用频率GPS卫星：所用时钟不同，存储信息量不同，发射信号组成不同，卫星间通讯能力不同GPS星座：卫星：24 颗，轨道：6个，长半轴：26609km，偏心率：0.01，卫星高度

30、：20200km，轨道面相对赤道面的倾角：55，卫星运行周期：11小时58分钟特点：任何时刻任何地点保证能接收到四颗以上的卫星，一般611颗；高轨，轨道受摄动较小；能见地面面积大，38%；GPS信号的波束覆盖地面比较均匀；卫星经过天顶时，卫星可见时间为5小时；周期11h 58min,地球-卫星的几何关系每天提前4min重复一次；当前星座：28颗空间部分的作用：u 飞越注入站上空时，接收地面注入站用S波段发送到卫星的导航信息，并通过GPS信号形成导航电文;u 接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令（钟，轨道，卫星）;u 向广大用户连续不断发送导航定位信号，并用导航电文中的星历和历书分别报导

31、自己的现势位置，以及其他在轨卫星的位置;GNSS系统参数比较：参数GPSGLONASSGALILEO卫星星座21+321+327+3轨道平面6个3个3个轨道倾角55度64.8度56度轨道高度20200km19123km23616km运行周期11h58m11h15m（二）控制部分控制部分的组成：一个主控站，五个监控站，三个注入站GPS的地面监控部分：监测站（5个），作用：接收卫星数据，采集气象信息，并将所收集到的数据传送给主控站。地点：夏威夷、主控站及三个注入站。主控站（1个），作用：收集各监测站的数据，编制导航电文，送往注入站将卫星星历注入卫星；监控卫星状态，向卫星发送控制指令；卫星维护与异常

32、情况的处理。地点：美国科罗拉多州法尔孔空军基地。注入站（3个），作用：将导航电文注入GPS卫星。地点：阿松森群岛（大西洋）、迪戈加西亚（印度洋）和卡瓦加兰（太平洋）控制部分的作用：负责监控全球定位系统的工作u 监测卫星是否正常工作，是否沿预定的轨道运行u 跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户u 保持各颗卫星的时间同步u 必要时对卫星进行调度控制部分的运行机制：GPS卫星监控站主控站注入站GPS卫星 观测原始数据 星历时钟数据控制参数监控站：GPS接收机、原子钟、计算机、环境数据采集装置主控站：具备监测站的功能，并对数据进行综合处理注入站：计算机、发射机、发射天线（三

33、）用户部分GPS接收机：接收、跟踪、变换和测量GPS信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作GPS信号接收机：组成：天线单元、带前置放大器、接收天线，接收单元：信号通道、存储器、微处理器、输入输出设备、电源系统的运行机制：GPS信号接收机 GPS卫星星座 地面监控系统接收设备 24颗卫星 中央控制系统接收卫星信号 广播轨道时间数据以及辅助资料信息 时间同步、跟踪卫星定轨第四节 本课程的主要内容目标：GPS相关的基本概念（载波，伪距），理解gps定位的基本原理（测距，交会），如何使用GPS满足你的不同精度的要求（误差，定位方法），能够对GPS中的常见问题有所理解（坐标），

34、了解GPS的应用领域第二章 坐标系统与时间系统第一节 大地测量中的坐标系统基准的确定：参考椭球面和参心坐标系。为了处理观测成果传算，地面控制网的成果通常选取参考椭球面，选取一参考点作为大地测量的起算点（称大地原点），利用大地原点的天文观测量，来确定参考椭球在地球内部的位置和方向，参考椭球中心一般不在地球质心，这种原点位于地球质心附近的坐标系称为参心坐标系。参心坐标系的特点：不关心地心是否与参心重合，只关心表面的拟和程度，使得椭球面上的计算简单。笛卡尔坐标系：空间直角坐标一、空间直角坐标系二、大地坐标系纬度是线面角，即本地法线与赤道平面的交角；经度是两面角，即本地子午面与本初子午面的交角。地球经

35、纬度的起源：u 公元前344年，亚历山大渡海南侵，继而东征，随军地理学家尼尔库斯沿途搜索资料，准备绘一幅“世界地图”。他发现沿着亚历山大东征的路线，由西向东，无论季节变换与日照长短都很相仿。于是做出了一个重要贡献第一次在地球上划出了一条纬线，这条线从直布罗陀海峡起，沿着托鲁斯和喜马拉雅山脉一直到太平洋。u 以亚历山大为名的那座埃及城里，出现了一个著名图书馆，多年担任馆长的埃拉托斯特尼博学多才，精通数学、天文、地理。他计算出地球的圆周是46 250千米，画了一张有7条经线和6条纬线的世界地图。 u 公元120年，一位青年也在这座古老的图书馆里研究天文学、地理学。他就是克罗狄斯托勒密。托勒密综合前

36、人的研究成果，认为绘制地图应根据已知经纬度的定点做根据，提出地图上绘制经纬度线网的概念。经纬度的起源：托勒密测量了地中海一带重要城市和据点的经纬度。其中包括8000个地方的经纬度。为使地球上的经纬线能在平面上描绘出来，他设法把经纬线绘成简单的扇形，从而绘制出一幅著名的“托勒密地图”。备注：公元前200年， 埃及埃拉托斯特尼Erastosthenes引出了经度和纬度的系统。现在的经纬度系统由喜帕恰斯Hipparchus 在公元前100年提出，用天文方法确定了纬线。1884年，英国格林尼治成为了0度经线。大地坐标系的建立：参考椭球面：数学的，可通过大地水准面与地球表面建立联系Major axis,

37、 a = 6378 km；Minor axis, b = 6357 km；Flattening ratio, f=(a-b)/a 1/300经线和纬线：纬圈平面垂直于地轴，经圈平面都通过地轴大地坐标的定义：按惯例：先纬度，后经度；数字在先，符号在后。例：北京40N, 116E经度和纬度的特点：u 适合于球面描述u 度不是一个描述距离和面积的合适的单位，为了方便计算；u 工程上使用的图都是平面的，球面坐标系也不适合无限放大三、平面直角坐标系为了建立各种比例尺的地形图的测图控制和工程测量控制，通常需要将椭球面上的各点的大地坐标按照一定的数学规律投影到平面上，并以相应的平面直角坐标表示。1、地图投影

38、的意义投影问题的产生：u 15世纪初，航海家亨利开始把“托勒密地图”付诸实践。但是，经过反复考察，却发现这幅地图并不实用。亨利手下的一些船长遗憾地说：“尽管我们对有名的托勒密十分敬仰，但我们发现事实都与他说的相反。” u 16世纪，荷兰出现了一个伟大的地图学家墨卡托（Gerardus Mercator 15121594），他编制了新的世界地图、地球一览图集，发明了等角正轴圆柱投影墨卡托投影。这不仅把人们对世界逐渐完善的认识反映到地图上，而且其等角航线为直线的特性，给当时欧洲航海事业巨大支持。墨卡托投影：航海图正轴等角圆柱投：由荷兰地图学家墨卡托（Mercator Gerardus，151215

39、94）于1569年所创设，故又名墨卡托投影。特点:不仅保持了方向和相对位置的正确，而且使等角航线在图上表现为直线。这一特性对航海具有重要的实用价值。地图投影的问题：在墨卡托投影图上的经纬线。经线互相平行，纬线间隔由赤道向两极增大，以致格陵兰岛比南美洲还大。投影的基本方式：等角投影、等面积投影平面直角坐标系的建立2、我国的投影方法：高斯投影横轴椭圆柱等角投影，设想用一个椭圆柱套在地球椭球外面，并与地球面上的某一子午线相切，这条子午线称为中央子午线。椭圆柱中心通过地球的中心，按其等角投影条件，将中心线东西两侧各一定范围内的经为线投影到椭圆柱面上，然后将圆柱面沿其母线切开展开平面，即得平面上的经纬线

40、网格。高斯投影的变形：角度无变形，长度变形除中央子午线无变形外，离开中央子午线越远，其变形越大。高斯平面直角坐标定义：高斯平面直角坐标系的定义:X 轴：中央子午线的投影,Y 轴：赤道的投影,原点：两轴的交点假东、假北:为了避免坐标系中出现负值，统一规定将每一带的坐标轴西移或南移一定距离。我国的假北为0，假东为500km.高斯投影的数学表达:高斯投影的计算公式：地图上的平面直角坐标系:公里格网:一系列平行于X轴和Y轴的直线，组成直角坐标格网，其间隔一般为1km高斯分带投影:高斯投影的变形：角度无变形，长度变形除中央子午线无变形外，离开中央子午线越远，其变形越大解决：划分多个投影带,采用多个圆柱投

41、影面投影高斯投影分带和编号:60带：经差60 ，共分60个带，中央子午线：30带：经差30 ，共分120个带，中央子午线：任意带：1.50 或任意高斯投影的参数: 中心纬度、中央子午线、坐标系的假东、坐标系的假北小结： 不同形式的坐标系统常见的坐标系统：空间直角坐标系、大地坐标系、平面直角坐标系为了处理观测成果传算，地面控制网的成果通常选取参考椭球面，选取一参考点作为大地测量的起算点（称大地原点），利用大地原点的天文观测量，来确定参考椭球在地球内部的位置和方向，参考椭球中心一般不在地球质心，这种原点位于地球质心附近的坐标系称为参心坐标系。定义一个坐标系统，包含了坐标系统的基准、坐标系统的形式。

42、新问题：还存在不同基准的坐标系？不同的坐标系统：1954年北京坐标系、1980年国家大地坐标系、WGS-72、WGS-841、我国的大地坐标系：参心坐标系u 1954年北京坐标系建立：与苏联1942年普尔科沃坐标系联测椭球：克拉索夫斯基椭球问题：参考椭球面与我国大地水准面符合不好u 1980年国家大地坐标系建立：进行了我国的天文大地网整体平差，采用新的椭球元素，进行了定位和定向大地原点：陕西省泾阳县永乐镇椭球：1975年国际大地测量与地球物理联合会第16届年会2、WGS-84坐标系:地心坐标系定义:原点：地球的质心 Z轴：指向BIH1984.0定义的CTP（协议地球极）方向 X轴：指向BIH1

43、984.0的零子午面和CTP赤道的交点 Y轴：和Z,X构成右手系椭球（国际大地测量与地球物理联合会第17届年会）不同基准坐标系之间的差异：u 不同坐标系是建立在不同的参考椭球上的。u 建立坐标系相应的原点，坐标轴都不一致。第二节 坐标系统之间的转换区分：坐标变换同一基准（参考椭球）下，在不同坐标系表示形式之间进行变换基准变换在不同的参考基准间进行变换坐标变换的实质同一个基准，坐标转换的实质不同的基准一、坐标系的变换空间直角坐标系（X，Y，Z） 大地坐标系（B，L，H）平面直角坐标系（x，y，H） 高斯投影公式二、基准变换的基本方法BJ54 WGS84(B,L)1 (B,L)2(X,Y,Z)1

44、(X,Y,Z)2二维坐标的差异：XTX Xcos YsinYTY Xsin YcosXTXK XcosK YsinYTYK XsinK Ycos空间直角坐标系间关系基准之间的关系坐标系的平移变换、缩放变换、坐标系的旋转、坐标轴系的旋转、三个旋转七参数模型: 平移有三个变量Dx，Dy，DZ，旋转有三个变量，再加上一个尺度缩放。三、坐标转换的一般流程 BJ54 WGS84(X,Y)1 (X,Y)2 投影参数 投影参数(B,L)1 (B,L)2 椭球参数 转换参数 椭球参数(X,Y,Z)1 (X,Y,Z)2 七参数四、手持机中的参数设置见笔记新问题：如果参数未知如何解决？首先，在测区附近选择一国家已

45、知点，在该已知点上用GPS测定WGPS-84坐标系经纬度B和L，转换成平面直角坐标XY ，然后与已知北京54坐标比较则可计算出偏移量：X=XX Y=YY ，式中的X、Y为国家控制点的已知坐标，X、Y为测定坐标，X和Y为偏移量。求得偏移量后，就可以用此偏移量纠正测区内的其他测量点了。 X=X+X ，Y=Y+Y。转换参数有七个，因此，三个点（公共点）就可以求得七个转换参数，但由于公共点在朗格坐标系的坐标都受到随机误差和其他系统误差的影响，因此，在实际工作中，应用不同的方法获得精度要求不同的转换参数。公共点：如果不知道两坐标系的转换参数，而是知道部分点在两个坐标系的坐标，称公共点，须通过公共点的两组

46、坐标求得转换参数。例如：在做GPS测量时，得到测量点的WGS-84坐标，通常要求网中包含3个以上的地方坐标已知的控制点。求转换参数的模型：转换参数的求解方法：u 三点法：对转换参数的要求精度不高，或只有三个公共点时，可用三个点的9个坐标，列出9个方程，取其中的7个方程求解。u 多点法：由公共点在两个坐标系中的坐标，按照转换模型，以转换参数为未知数写出误差方程。第三节 时间系统时间测量的意义：v 田径运动员有几分之一秒之差就决定胜负；v 汽车、飞机发动机的转速测量需要精确到0.01秒；v 炮弹发射是在千分之一秒内发生的；v 雷达技术需要百万分之一秒的时间精度；v 导弹或飞行器计时精度需要达到十亿

47、分之一秒；v 对核潜艇进行无线电导航，时间精度要达到百万分之一秒；v 科学家研究原子构造、宇宙射线等往往需要准确测量亿分之一秒时间内的变化；v 要准确测量光速需要百亿分之一秒的准确度。GPS定位中精密时间的意义：u 卫星的位置误差1cm，要求相应的时刻误差应小于2.6x10-6秒；u 测距误差在三个坐标轴上的分量：无摄运动解：卫星的平面方程：（卫星的轨道在一个平面上）卫星的轨道方程：（卫星的轨道为椭圆）开普勒方程：（卫星在轨道上的位置可以表达成时间的函数）开普勒方程：开普勒方程：五、开普勒轨道六参数开普勒轨道参数：描述卫星的轨道大小和方向以及卫星在轨道上的位置的参数。无摄运动下，可以用6个开普勒轨道参数唯一确定的描述任意时刻的卫星位置。轨道平面上的特殊点：u 近地点与远地点u