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1、全球定位系统（GPS）及其应用 第一节第一节 GPS概述概述 一、一、GPSGPS简介简介 全全全全球球球球卫卫卫卫星星星星定定定定位位位位系系系系统统统统GPSGPSGPSGPS（Global Global Global Global Positioning Positioning Positioning Positioning SystemSystemSystemSystem），是是是是美美美美国国国国国国国国防防防防部部部部安安安安排排排排部部部部署署署署的的的的，是是是是20202020世世世世纪纪纪纪海海海海陆陆陆陆空空空空三三三三军军军军联联联联合合合合研研研研制制制制的的的的新新
2、新新一一一一代代代代空空空空间间间间卫卫卫卫星星星星定定定定位位位位系统系统系统系统首首要要任任务务是是是是为为为为美美美美军军军军及及及及其其其其盟盟盟盟军军军军实实实实时时时时、全全全全天天天天候候候候提提提提供供供供全球范围内的不间断的定位、导航等数据。全球范围内的不间断的定位、导航等数据。全球范围内的不间断的定位、导航等数据。全球范围内的不间断的定位、导航等数据。其其次次，也也也也为为为为民民民民用用用用、商商商商用用用用提提提提供供供供定定定定位位位位、导导导导航航航航、测测测测速速速速、授时等数据服务。授时等数据服务。授时等数据服务。授时等数据服务。GPSGPSGPSGPS是是是是
3、一一一一个个个个高高高高精精精精度度度度、全全全全天天天天候候候候和和和和全全全全球球球球性性性性的的的的无无无无线线线线电电电电导导导导航航航航、定定定定位位位位和和和和授授授授时时时时的的的的多多多多功功功功能能能能系系系系统统统统（如如如如卫卫卫卫星星星星上上上上安安安安置置置置的的的的原原原原子子子子钟钟钟钟可可可可以以以以精精精精确确确确测测测测时时时时），现现现现已已已已发发发发展展展展成成成成为为为为多多多多领领领领域域域域、多多多多模模模模式式式式、多多多多用用用用途途途途、多多多多机机机机型型型型的的的的国国国国际际际际性性性性高高高高新新新新技术产业。技术产业。技术产业。技
4、术产业。各各各各民民民民用用用用机机机机构构构构和和和和国国国国家家家家纷纷纷纷纷纷纷纷采采采采用用用用措措措措施施施施提提提提高高高高GPSGPSGPSGPS应应应应用用用用的的的的可可可可靠靠靠靠性性性性和和和和定定定定位位位位精精精精度度度度。一一方方面面建建建建立立立立独独独独立立立立的的的的GPSGPSGPSGPS卫卫卫卫星星星星测测测测轨轨轨轨系系系系统统统统；另另一一方方面面建建建建立立立立独独独独立立立立的的的的卫卫卫卫星星星星定定定定位位位位系统。系统。系统。系统。二、二、GLONASS卫星导航定位系统卫星导航定位系统 俄俄俄俄国国国国的的的的GLONASSGLONASSGL
5、ONASSGLONASS卫卫卫卫星星星星系系系系统统统统，也也也也是是是是24242424颗颗颗颗卫卫卫卫星星星星组组组组成成成成的系统。的系统。的系统。的系统。GLONASSGLONASSGLONASSGLONASS系系系系统统统统是是是是开开开开放放放放性性性性，有有有有利利利利于于于于使使使使用用用用，许许许许多多多多GPSGPSGPSGPS生生生生产产产产厂厂厂厂商商商商，都都都都积积积积极极极极地地地地研研研研究究究究GPSGPSGPSGPS与与与与GLONASSGLONASSGLONASSGLONASS结结结结合合合合双双双双系系系系统统统统应应应应用用用用软软软软件件件件。如如如
6、如美美美美国国国国公公公公司司司司GPSGPSGPSGPS接接接接收收收收机机机机，利利利利用用用用超超超超级级级级集集集集成成成成技技技技术术术术，在在在在芯芯芯芯片片片片中中中中集集集集成成成成个个个个通通通通用用用用信信信信道道道道，把把把把GPSGPSGPSGPS与与与与GLONASSGLONASSGLONASSGLONASS的的的的差差差差异异异异无无无无端端端端地地地地缩缩缩缩小了，结合起来使用，使观测卫星增多。小了，结合起来使用，使观测卫星增多。小了，结合起来使用，使观测卫星增多。小了，结合起来使用，使观测卫星增多。三、三、GALILEOGALILEO（伽俐略）卫星导航伽俐略）卫
7、星导航定位系统定位系统 目目前前，欧欧洲洲正正在在实实施施“伽伽利利略略”计计划划，我我国国也也是是“伽伽利利略略”计计划划的的参参与与者者之之一一 .欧欧洲洲的的GNSSGNSS系系统统：欧欧洲洲的的策策略略是是-尽尽可可能能地地利利用用GPSGPS的的星星基基或或空空基基导导航航取取代代陆陆基基导航，以达到最大的成本效益比。导航，以达到最大的成本效益比。日本也也正正在在积积极极筹筹划划建建立立日日本本的的多多功功能能卫星增强系统（卫星增强系统（MSASMSAS）。）。四、中国北斗导航定位系统四、中国北斗导航定位系统 我我我我国国国国自自自自行行行行研研研研制制制制了了了了导导导导航航航航定
8、定定定位位位位系系系系统统统统北北北北斗斗斗斗导导导导航航航航系系系系统统统统，该该该该系系系系统统统统的的的的三三三三颗颗颗颗卫卫卫卫星星星星，北北北北斗斗斗斗导导导导航航航航试试试试验验验验卫卫卫卫星星星星1 1 1 1a a a a，1b1b1b1b，1c1c1c1c到到到到2003200320032003年年年年5 5 5 5月月月月25252525日日日日都都都都已已已已经经经经发发发发射射射射升升升升空空空空，系系系系统统统统在在在在2001200120012001年底开通运行。年底开通运行。年底开通运行。年底开通运行。在在在在我我我我国国国国GPSGPSGPSGPS的的的的开开开
9、开发发发发研研研研究究究究与与与与应应应应用用用用不不不不断断断断在在在在深深深深化化化化和和和和广广广广化化化化。特特特特别别别别是是是是建建建建立立立立了了了了全全全全国国国国永永永永久久久久性性性性GPSGPSGPSGPS跟跟跟跟踪踪踪踪网网网网和和和和相相相相应的通讯网络和数据处理设施。应的通讯网络和数据处理设施。应的通讯网络和数据处理设施。应的通讯网络和数据处理设施。GPSGPSGPSGPS接接接接收收收收机机机机制制制制造造造造与与与与生生生生产产产产也也也也从从从从无无无无到到到到有有有有，工工工工艺艺艺艺水水水水平平平平也也也也不不不不断断断断在在在在提提提提高高高高，价价价价
10、格格格格大大大大大大大大地地地地低低低低于于于于进进进进口口口口的的的的同同同同类类类类产产产产品。品。品。品。第二节第二节 GPS系统的构成系统的构成 一、空间部分一、空间部分 （GPSGPS卫星）卫星）二、地面控制部分二、地面控制部分 （GPSGPS监控站）监控站）三、用户设备部分（三、用户设备部分（GPSGPS应用软件等）应用软件等）一、空间部分一、空间部分（GPS卫星）卫星）GPS系统目前共有系统目前共有24颗卫星（其中颗卫星（其中21颗颗为工作卫星，其他为工作卫星，其他3颗为备用卫星）分布颗为备用卫星）分布在在6条固定的轨道上，绕地球运行。条固定的轨道上，绕地球运行。每颗卫星以每颗卫
11、星以1212h h为周期，为周期，卫星向地面发射卫星向地面发射两个波段的载波信号两个波段的载波信号,连续向地面发送关连续向地面发送关于时间和自身位置的精确信息。于时间和自身位置的精确信息。此此外外，GPSGPS卫卫星星还还要要接接收收和和存存储储地地面面控控制制站站发发送送的的导导航航信信息息，执执行行监监控控站站的的监监控控指指令令，不不断断调调整整卫卫星星姿姿态态及及在在轨轨信信息息，保保证证卫卫星星按按预预定定的的轨轨道道运运行行，通通过过原原子子钟提供精密的时间标准。钟提供精密的时间标准。二、地面控制部分二、地面控制部分 （GPSGPS监控站）监控站）地面监控系统是为了测量和调整卫星的
12、工作状地面监控系统是为了测量和调整卫星的工作状地面监控系统是为了测量和调整卫星的工作状地面监控系统是为了测量和调整卫星的工作状态而设置的。态而设置的。态而设置的。态而设置的。地面监控系统包括地面监控系统包括地面监控系统包括地面监控系统包括1 1 1 1个主控站、个主控站、个主控站、个主控站、3 3 3 3个注入站和个注入站和个注入站和个注入站和5 5 5 5个监测站，分布在美国本土和其他国外空军基个监测站，分布在美国本土和其他国外空军基个监测站，分布在美国本土和其他国外空军基个监测站，分布在美国本土和其他国外空军基地。地。地。地。整整整整个个个个GPSGPSGPSGPS地地地地面面面面监监监监
13、控控控控部部部部分分分分，除除除除主主主主控控控控站站站站外外外外均均均均无无无无人人人人值值值值守守守守。各各各各站站站站间间间间用用用用现现现现代代代代化化化化的的的的通通通通讯讯讯讯系系系系统统统统联联联联系系系系起起起起来来来来，在在在在原原原原子子子子钟钟钟钟和和和和计计计计算算算算机机机机的的的的驱驱驱驱动动动动和和和和精精精精确确确确控控控控制制制制下下下下，各各各各项项项项工工工工作实现了高度的自动化和标准化。作实现了高度的自动化和标准化。作实现了高度的自动化和标准化。作实现了高度的自动化和标准化。三、用户设备部分三、用户设备部分（GPSGPS应用软件）应用软件）GPSGPSG
14、PSGPS用用用用户户户户设设设设备备备备部部部部分分分分主主主主要要要要是是是是GPSGPSGPSGPS接接接接收收收收机机机机，是是是是整整整整个个个个系系系系统中能见、能操作，与用户密切相关的部分。统中能见、能操作，与用户密切相关的部分。统中能见、能操作，与用户密切相关的部分。统中能见、能操作，与用户密切相关的部分。用用用用户户户户只只只只有有有有通通通通过过过过GPSGPSGPSGPS接接接接收收收收机机机机获获获获取取取取GPSGPSGPSGPS导导导导航航航航和和和和定定定定位位位位信信信信息息息息，并并并并通通通通过过过过计计计计算算算算才才才才能能能能达达达达到到到到定定定定位
15、位位位或或或或导导导导航航航航的的的的目目目目的的的的。它还包括数据处理软件及相应的计算机。它还包括数据处理软件及相应的计算机。它还包括数据处理软件及相应的计算机。它还包括数据处理软件及相应的计算机。GPSGPSGPSGPS接接接接收收收收机机机机一一一一般般般般由由由由天天天天线线线线、主主主主机机机机和和和和电电电电源源源源三三三三个个个个部部部部分分分分组成。组成。组成。组成。GPSGPS接接收收机机的的主主要要任任务务是是捕捕获获、跟跟踪踪、锁锁定定并并处处理理卫卫星星信信号号，测测量量卫卫星星到到接接收收机机天天线线间间传传播播的的时时间间，实实时时计计算算接接收收机机天天线线的的三
16、三维维坐坐标标、速速度度和和时时间间，完完成成导导航航与定位工作。与定位工作。第三节第三节 GPS系统的应用系统的应用 一、一、GPS定位技术的特点定位技术的特点 覆盖面广覆盖面广覆盖面广覆盖面广 在地面上任何地点、任何时刻，在高度角15以上，最少能观测到4颗卫星，最多可达9颗卫星。精度高精度高精度高精度高 目前，单点实时定位精度可达510m，静态相对定位精度可达10.1106，测速精度为0.1m/s，测时精度约为数十纳秒 实时定位速度快实时定位速度快实时定位速度快实时定位速度快 一次定位和测速工作在1S至数秒内便可完成 无需测点间的通视无需测点间的通视无需测点间的通视无需测点间的通视 可提供
17、三维坐标可提供三维坐标 GPS可以同时精确测定站点的三维坐标，而且是同时测量、统一处理 操作简便操作简便 全天候作业全天候作业 一般不受气象因素影响，可以24小时观测。功能多功能多包括导航、定位、测速、测时等功能 二、二、GPS系统的应用前景系统的应用前景 GPSGPS能能为为全全球球任任意意地地点点、任任意意多多个个用用户户同同时时提提供供高高精精度度、全全天天候候、连连续续、实实时时的的三维定位、三维测速和时间基准。三维定位、三维测速和时间基准。由由于于这这一一系系统统在在定定位位、导导航航、测测速速、授授时时等等方方面面的的高高效效率率、高高精精度度、多多功功能能、易易移移动动、低低价价
18、格格，因因此此它它在在地地球球科科学学中中应用广泛。应用广泛。三、我国三、我国GPS定位技术的应用定位技术的应用和发展和发展 按定位方式，按定位方式，按定位方式，按定位方式，GPSGPSGPSGPS定位分为单点定位和相对定定位分为单点定位和相对定定位分为单点定位和相对定定位分为单点定位和相对定位（差分定位）位（差分定位）位（差分定位）位（差分定位）在定位观测时，若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位，如用于车船等概略导航定位的精度为30100米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级的相位差分定位（RTK）。在定位观测时，若接收机相对于地球表
19、面静止，则称为静态定位，在进行控制网观测时，一般均采用这种方式由几台接收机同时观测，它能最大限度地发挥GPS的定位精度，专用于这种目的的接收机被称为大地型接收机，是接收机中性能最好的一类。GPSGPSGPSGPS按用途可以分为按用途可以分为按用途可以分为按用途可以分为导航型导航型导航型导航型和和和和测地型测地型测地型测地型两类。两类。两类。两类。导航型导航型导航型导航型主要用于运动载体的导航，能实时测出载体的位置和速度，一般用伪距单点定位，精度较低，价格便宜，应用面广。根据不同应用领域又可分为手持型、车载型、船载型、机载型、星载型等；测地型测地型测地型测地型主要用于大地测量、工程测量以及地壳形
20、变测量等领域。目前在中国市场上出现的接收机主要有目前在中国市场上出现的接收机主要有NovAtelNovAtel、ASHTECHASHTECH、GARMINGARMIN、CMCCMC等。等。能对两个频率进行观测的接收机称为能对两个频率进行观测的接收机称为双双频接收机频接收机，只能对一个频率进行观测的，只能对一个频率进行观测的接收机成为接收机成为单频接收机单频接收机.手手手手持持持持GPSGPSGPSGPS载载载载精精精精度度度度方方方方面面面面与与与与测测测测地地地地型型型型GPSGPSGPSGPS相相相相差差差差较较较较大大大大，手手手手持持持持GPSGPSGPSGPS可可可可以以以以测测测测
21、定定定定出出出出点点点点的的的的经经经经纬纬纬纬度度度度或或或或平平平平面面面面直直直直角角角角坐坐坐坐标标标标值值值值，精精精精度度度度一一一一般般般般在在在在10101010m m m m左左左左右右右右，观观观观测测测测条条条条件件件件良良良良好好好好的的的的情情情情况下能将度到况下能将度到况下能将度到况下能将度到5 5 5 5m m m m。目目目目前前前前手手手手持持持持GPSGPSGPSGPS已已已已经经经经广广广广泛泛泛泛用用用用于于于于个个个个人人人人位位位位置置置置定定定定位位位位、车车车车辆辆辆辆导导导导航航航航定定定定位位位位、资资资资源源源源调调调调查查查查、城城城城市
22、市市市建建建建设设设设等等等等多多多多个个个个领领领领域域域域。手手手手持持持持GPSGPSGPSGPS一一一一般般般般具具具具有有有有导导导导航航航航、定定定定位位位位、测测测测量量量量、记记记记录录录录和和和和查询等多种功能，可与计算机接口。查询等多种功能，可与计算机接口。查询等多种功能，可与计算机接口。查询等多种功能，可与计算机接口。GPSGPS已在测绘领域引起了革命性的变化，已在测绘领域引起了革命性的变化，目前，范围上数公里至几千公里的控制目前，范围上数公里至几千公里的控制网或形变监测网，精度上从百米至毫米网或形变监测网，精度上从百米至毫米级的定位，一般都将级的定位，一般都将GPSGPS作为首选手段，作为首选手段，随着随着RTKRTK技术的日趋成熟，技术的日趋成熟，GPSGPS已开始向已开始向分米乃至厘米级的放样、高精度动态定分米乃至厘米级的放样、高精度动态定位等领域渗透。位等领域渗透。