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1、南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授单元活动单元活动全球定位系统与交通运输全球定位系统与交通运输南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授一、全球定位系统的构成一、全球定位系统的构成 全球定位系统的全称全球定位系统的全称:授时与测距导航系统授时与测距导航系统-全球定全球定位系统位系统(navigation system timing and (navigation system timing and rangingglobal positioning ranginggl
2、obal positioning system system 缩写缩写:GPS:GPS)南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 全球定位系统是美国从全球定位系统是美国从2020世纪世纪7070年代开始研制，历时年代开始研制，历时2020年，耗资年，耗资200200亿亿美元，于美元，于19941994年全面建成，具有在海、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。能力的新一代卫星导航与定位系统。在美国在美国,GPS,GPS全球卫星定位技术与全球卫星定位技
3、术与“阿波罗阿波罗”飞船登月、航天飞机升空，同飞船登月、航天飞机升空，同列为列为2020世纪世纪“三大航天工程三大航天工程”。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 GPSGPS系统包括三大部分：系统包括三大部分：（1 1）GPSGPS卫星（空间部分）卫星（空间部分）（2 2）地面支撑系统（地面监控部分）地面支撑系统（地面监控部分）（3 3）GPSGPS接收机（用户部分）接收机（用户部分）南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 空间卫星系统由均匀分布在空间卫星系统由均
4、匀分布在6 6个轨道平面个轨道平面上的上的2424颗高轨道工作卫星构成，各轨道平面颗高轨道工作卫星构成，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为相对于赤道平面的倾角为5555，轨道平面间距，轨道平面间距6060。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差9090，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前相应卫星超前3030。GPS GPS工作卫星组网保障全球任一时刻、任工作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对一地点都可对4 4颗以上卫星进行观测（最多可颗以上卫星进行观测（最多可达达11 11颗），实现连续、实时地导航和定位颗），
5、实现连续、实时地导航和定位。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授GPS卫星卫星空间空间GPS系统系统南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 地面监控系统地面监控系统 由均匀分布在美国本土和三大洋的由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的美军基地上的5 5个个监测站监测站、一个、一个主控主控站站和三个注入站构成。该系统的功能和三个注入站构成。该系统的功能是：对空间卫星系统进行监测、控制，是：对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。并向每颗卫星注
6、入更新的导航电文。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 主控站位于美国科罗拉多的斯平士主控站位于美国科罗拉多的斯平士（Colorado SpringsColorado Springs）的联合空间执行中心）的联合空间执行中心（CSOCCSOC），三个注入站分别设在大西洋、印），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（洋的阿松森岛（AscensionAscension）、印度洋的狄哥）、印度洋的狄哥伽西亚伽西亚(Diego Garcia)(Diego
7、Garcia)和太平洋的卡瓦加兰和太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein),(Kwajalein),五个监测站设在主控站和三个注五个监测站设在主控站和三个注入站以及夏威夷岛。入站以及夏威夷岛。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授监测站监测站 用用GPSGPS接收系统测量每颗卫星的位接收系统测量每颗卫星的位距和距离差，采集气象数据，并将观测距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点。数据传送给主控点。5 5个监控站均为无人守
8、值的数据采集个监控站均为无人守值的数据采集中心中心。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授主控站主控站 主控站接收各监测站的主控站接收各监测站的gpsgps卫星观测数据、卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站自身的卫星工作状态数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作：几项工作：及时编算每颗卫星的导航电文并传送给及时编算每颗卫星的导航电文并传送给注入站。注入站。控制和协调监测站间、注入站间的工作，控制和协调监测站间、注入站间的工作，检验注入卫星的导
9、航电文是否正确以及卫星是检验注入卫星的导航电文是否正确以及卫星是否将导航电文发给了否将导航电文发给了GPSGPS用户系统。用户系统。诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫诊断卫星工作状态，改变偏离轨道的卫星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。星位置及姿态，调整备用卫星取代失效卫星。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授注入站注入站 接受主控站送达的各卫星导航电文接受主控站送达的各卫星导航电文并并将之注入飞越其上空的每颗卫星。将之注入飞越其上空的每颗卫星。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室
10、 盛业华教授盛业华教授GPSGPS的应用领域的应用领域GPSGPS在军事上的应用在军事上的应用GPSGPS在交通上的应用在交通上的应用GPSGPS在旅游探险中的应用在旅游探险中的应用南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授GPSGPS在军事上的应用在军事上的应用 军事是军事是GPSGPS技术最早的应用领域技术最早的应用领域,主要是为各主要是为各种军事活动提供定位导航种军事活动提供定位导航.在现代战争中，不仅在现代战争中，不仅陆、海、空三军，而且许多高科技武器弹药等，陆、海、空三军，而且许多高科技武器弹药等，也都开始采用也都开始采用G
11、PSGPS技术进行定位导航。技术进行定位导航。目前精确制导武器复合制导的重要技术手段。目前精确制导武器复合制导的重要技术手段。装备装备GPSGPS制导系统之前制导系统之前,美军美军BGM-09C“BGM-09C“战战斧斧”巡航导弹误差约为巡航导弹误差约为9 9米；在其米；在其“惯性和地形惯性和地形匹配匹配”制导系统中加入制导系统中加入GPSGPS后，误差降至后，误差降至3 3米，米，制导精度大大提高。制导精度大大提高。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授民用民用GPSGPS 主要用于交通车辆导航管理、航空器定主要用于交通车辆导航
12、管理、航空器定位及导航，以及大地测量野外勘测、紧急位及导航，以及大地测量野外勘测、紧急求援、旅游探险、农业监测、生态研究等求援、旅游探险、农业监测、生态研究等方面。方面。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授GPSGPS在交通上的应用在交通上的应用 车辆跟踪、提供出行路线功能和导航、车辆跟踪、提供出行路线功能和导航、信息查询、话务指挥和紧急救援等。信息查询、话务指挥和紧急救援等。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 户外探险：户外探险：余纯顺在罗布泊探险遇难时离最近
13、的补给站仅余纯顺在罗布泊探险遇难时离最近的补给站仅几百米。风沙淹埋了前人走过的足迹，在茫茫荒漠几百米。风沙淹埋了前人走过的足迹，在茫茫荒漠中又渴又饿的他终于倒下了。如果当时他有一台中又渴又饿的他终于倒下了。如果当时他有一台 GPSGPS接收机，惨剧又何以发生？接收机，惨剧又何以发生？在地广人稀没有任何参照物可用以辨别方向的在地广人稀没有任何参照物可用以辨别方向的情况下，危险无时无刻不在情况下，危险无时无刻不在,手持手持GPSGPS接收机沿着机接收机沿着机中记录的安全轨迹小心行进，可安全返航。中记录的安全轨迹小心行进，可安全返航。目前，许多休闲俱乐部围绕目前，许多休闲俱乐部围绕GPSGPS功能相
14、继推出功能相继推出“穿越穿越”、“寻宝寻宝”、“野外拓展野外拓展”等都市游戏，等都市游戏，丰富了人们周末生活，提高了人们生活品位，深得丰富了人们周末生活，提高了人们生活品位，深得户外运动爱好者的欢迎。户外运动爱好者的欢迎。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 学会使用学会使用“GPS“GPS接收机接收机”GPSGPS接收机是用于接受接收机是用于接受GPSGPS卫星定位信息卫星定位信息的用户设备，有两大主要用途：定位和导航。的用户设备，有两大主要用途：定位和导航。GPS12 GPS12是美国是美国GARMINGARMIN公司于公司
15、于19981998年推年推出的全中文接收机，是目前国内市场上的一出的全中文接收机，是目前国内市场上的一款主流机型。款主流机型。如下页图中所示如下页图中所示南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授内置天线内置天线翻页翻页光标键光标键定位键定位键输入键输入键显示屏显示屏导航键导航键开机键开机键退出键退出键图图1-1南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授(一一)定定 位位 用用GPSGPS接收机定位，详细步骤如下：接收机定位，详细步骤如下：A:A:开机接收卫星信号，显示收星开
16、机接收卫星信号，显示收星画面画面 如图如图1-21-2所示所示南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授地平线地平线卫星编号卫星编号卫星信号卫星信号图图1-21-2南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 收星画面是开机后的第一个画面，表示卫收星画面是开机后的第一个画面，表示卫星的分布与接收状态。接收到的卫星不能低于星的分布与接收状态。接收到的卫星不能低于3 3颗，要选择室外无障碍物地区接收。颗，要选择室外无障碍物地区接收。卫星方位：卫星方位：卫星方位：卫星方位：上北下南，
17、左西右东上北下南，左西右东 卫星仰角：卫星仰角：卫星仰角：卫星仰角：中心相当于所处位置正上方，大圆代中心相当于所处位置正上方，大圆代表地平线，中间圆为表地平线，中间圆为4545度仰角度仰角 卫星编号：卫星编号：卫星编号：卫星编号：图中数字表示地平线上方的卫星，数图中数字表示地平线上方的卫星，数字反白表示卫星未收到字反白表示卫星未收到 黑框条图：黑框条图：黑框条图：黑框条图：表示接收到的卫星信号的强弱，黑条表示接收到的卫星信号的强弱，黑条越高，代表信号越强；如果是白框条，表示该颗卫越高，代表信号越强；如果是白框条，表示该颗卫星正处于跟踪状态；如果黑条和白框条都没有，表星正处于跟踪状态；如果黑条和
18、白框条都没有，表示还未收到卫星信号。一般来说，圆圈中卫星越靠示还未收到卫星信号。一般来说，圆圈中卫星越靠近中心，接收到的卫星信号越强。如图近中心，接收到的卫星信号越强。如图1-21-2中接收到中接收到1010颗卫星，而且信号比较强。颗卫星，而且信号比较强。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 B:B:连续按连续按 翻页翻页 键或键或 退出退出 键键,切换至切换至 如图如图1-31-3所示所示 数据查询画面表示接收点的具体信息。数据查询画面表示接收点的具体信息。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省
19、重点实验室 盛业华教授盛业华教授图图 1-3 1-3南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 航向：运动时的方向，它的角度是以正北为航向：运动时的方向，它的角度是以正北为00，顺时针逐渐增加，正东为，顺时针逐渐增加，正东为9090，正西为，正西为270270，因此运动时可以椐此判断北的方向。，因此运动时可以椐此判断北的方向。航速：为固定显示数据不能更改，当接收卫星航速：为固定显示数据不能更改，当接收卫星后卫星会自动根据你的运动情况测定该值。后卫星会自动根据你的运动情况测定该值。航程：相当于里程表，记录航行过的实际路程。航程：相当于里
20、程表，记录航行过的实际路程。高度：显示所处点的海拔高度。图高度：显示所处点的海拔高度。图1-31-3中高度中高度是是17m17m 坐标：接收点的经纬度。图坐标：接收点的经纬度。图1-31-3中坐标是中坐标是N323653.9N323653.9；E1205419.2E1205419.2。时间：采用卫星钟授时。时间：采用卫星钟授时。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 C:C:定位定位 键，显示标定位置画面如图键，显示标定位置画面如图1-41-4所所示，图中显示航点编号为示，图中显示航点编号为005005、经纬度为、经纬度为N320
21、3.232N3203.232，E11845.923E11845.923等信息等信息图1-4南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 D:D:移动移动 光标光标 键至航点编号处，按键至航点编号处，按 输入输入 键确键确定，按上下定，按上下 光标光标 键可对航点名称进行重新编号，键可对航点名称进行重新编号，最后再按最后再按 输入输入 键确定键确定 E:E:移动移动 光标光标 键选中键选中 平均平均 处，处，平均平均 反白处，反白处，按按 输入输入 键确定，此时机器开始自动平滑，提高键确定，此时机器开始自动平滑，提高定位精度定位精度 F:
22、F:误差误差 处为平滑参考值，数字越小，精度越高，处为平滑参考值，数字越小，精度越高，待待 误差误差 处数字固定不变或达到期望值，此时光处数字固定不变或达到期望值，此时光标在标在 存入存入 处，按处，按 输入输入 键，存点完毕。键，存点完毕。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 （二）导航（二）导航 GPS GPS接收机不仅可定位，而且可导航。接收机不仅可定位，而且可导航。不管你是身处浩瀚的沙漠之中，还是在波浪不管你是身处浩瀚的沙漠之中，还是在波浪滔天的大海上，都不会因为迷失方向而发愁。滔天的大海上，都不会因为迷失方向而发愁。使
23、用使用GPSGPS接收机导航，首先要建立航路接收机导航，首先要建立航路点，然后才能进行导航。点，然后才能进行导航。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授建立航路点建立航路点 第一种方法：按第一种方法：按 定位定位 键记录各个位置键记录各个位置,建立航路点。（方法参照上节所述）建立航路点。（方法参照上节所述）第二种方法：直接输入经、纬度数据，第二种方法：直接输入经、纬度数据，建立航路点。建立航路点。南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 A.A.开机接收卫星信号，显示收
24、星画面开机接收卫星信号，显示收星画面 如图如图1-21-2所示所示地平线地平线卫星编号卫星编号卫星信号卫星信号图图1-2南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 B.B.连续按连续按 翻页翻页 键或键或 退出退出 键，直到显示功能键，直到显示功能设定画面如图设定画面如图1-51-5所示所示图1-5南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 C.C.移动移动 光标光标 键选中键选中 航点航点，按，按 输入输入 键确定，键确定，显示航点画面。如图显示航点画面。如图1-61-6
25、图1-6南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授 D.D.移动移动 光标光标 键选中航点编号，按键选中航点编号，按 输入输入 键确定，用键确定，用 光标光标 键选择所要的航点编号，键选择所要的航点编号，按按 输入输入 键确定，图键确定，图1-61-6中确定的是中确定的是004004号航号航点。点。E.E.移动移动 光标光标 键选中经纬度，进行经纬度键选中经纬度，进行经纬度编辑，输入航路点的经纬度，方法同上，按编辑，输入航路点的经纬度，方法同上，按 输入输入 键确定。键确定。F.F.最后移动最后移动 光标光标 键选中画面下部的键选中画
26、面下部的 完完成成，按，按 输入输入 键确定，录入完成，回到功键确定，录入完成，回到功能设定画面。如图能设定画面。如图1-51-5所示所示南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授单单 点点 导导 航航地平线地平线卫星编号卫星编号卫星信号卫星信号图图1-21-2南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授图1-7南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授图1-8 比例设置比例设置航航 迹迹 线线南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授图1-9南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授图1-10南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室南京师范大学地理信息科学江苏省重点实验室 盛业华教授盛业华教授图1-11