数字地球-GPS.ppt

,全球导航卫星系统（,GNSS),数字地球（第,4,讲）,主要内容,其他的导航卫星系统,全球定位系统,(GPS),全球导航卫星系统（,GNSS,）,GNSS,(Global Navigation Satellite System),GNSS,GNSS,泛指所有的卫星导航系统，包括全球的、区域的和增强的，如美国的,GPS,、俄罗斯的,Glonass,、欧洲的,Galileo,、中国的北斗卫星导航系统，以及相关的增强系统，如美国的,WAAS,（广域增强系统）、欧洲的,EGNOS,（欧洲静地导航重叠系统）和日本的,MSAS,（多功能运输卫星增强系统）等，还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。国际,GNSS,系统是个多系统、多层面、多模式的复杂组合系统,全球导航卫星系统,(GNSS),是美国的,GPS,俄国的,GLONASS,欧盟的,ENSS(,欧洲导航卫星系统,Galileo),，日本的“准天顶”卫星系统（,QZSS,）,中国的“北斗”导航卫星系统（,COMPASS,BDS,）的总称。,GNSS,既具有定位（,Positioning,）和导航,(Navigating),的功能,又能覆盖全球（,Global,）的范围,.,在全球范围内，无论何时何地进行全天候的通过定位来达到导航的目的。,定位：不仅精确测定平面位置或地理坐标（经纬度），还能测定高程或海拔高度。,中国北斗卫星导航系统、美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯系统和欧盟伽利略定位系统为联合国卫星导航委员会认定的全球卫星导航系统四大核心供应商。,1.1,什么是,GPS,的英文全称是,NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Position System,（导航星测时与测距全球定位系统），简称,GPS,也称作,NAVSTAR GPS,。根据,Wooden 1985,年所给出的定义：,NAVSTAR,全球定位系统（,GPS,）是一个空基全天侯导航系统，它由美国国防部开发，,用以满足军方在地面或近地空间内获取在一个通用参照系中的位置、速度和时间信息的要求。,1.1.1 GPS,定义,1.1.2 GPS,特点,观测站之间不需要通视,定位精度高,观测时间短,提供三维坐标,操作简便,全天候,24,小时作业,1.2,定位系统发展历程,无线电导航系统,天文导航系统,惯性导航系统,.2.1,先前定位系统,无线电导航始于二十年代。无线电导航定位系统根据使用的工作频率、定位方式可建立不同的实际系统。最早的系统只简单地以一个装有环形天线的无线电接收机来确定无线电信号传来的方向和发报机的相对方位。后来，一些系统开始利用地面发报机来发送显示发送方向的调制信号，另一些系统则可以确定方向和,/,或从导航设备到发射机的距离。如,:,罗兰,-C,Omega,（奥米加）。,无线电导航定位系统的主要缺点在于：,覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不够,。,无线电导航系统,天文导航系统,天文导航系统是以天空中的星体作为导航台，星光作为导航信号的测角定位系统。由于星体距离飞行器非常遥远，使得该系统很小的测角误差就会带来非常大的定位误差。为保证一定的定位精度，对设备的要求非常苛刻。但由于其覆盖的工作区域非常广阔，天文导航在宇宙飞行器定位方面具有较大的优越性。,天文导航系统虽然覆盖的工作区域很大，但,定位精度不高，且可见光的传播受气象影响。,惯性导航系统,惯性导航系统（,INS,）是通过测量飞行器的加速度，进行二次积分来推算出飞行器的位置。,INS,可以引导导弹的飞行，它包括一个加速计和陀螺仪，来测量位置和高度的变化。它具有隐蔽性好，抗干扰性强，数据更新率高的特点，其中最重要的优点是不受敌方干扰的影响。但由于,INS,基本上是航位推算型系统，其,定位精度随时间加长而降低，因此需要不断地修正。,什么是定位,确定点在某一坐标系中的位置,相关的英语单词,Positioning,Location,Orientation,Navigation,Guidance,Tracking,1.2.2,常规（地面）定位方法,原始的定位方法,利用天体进行定向：日、月、特别的星体,利用自然现象：植物的生长态势（如苔藓）,采用人造的器械：司南，指南针,利用人工建筑：烽火台,近现代的常规定位方法,采用的仪器设备,尺：铟钢尺,光学仪器：经纬仪，水准仪,激光和红外仪器：测距仪,综合多种技术的仪器：全站仪,无线电、微波仪器：,Loran-C,，雷达,观测方法,角度或方向观测,距离观测,距离差观测,常规（地面）定位方法的局限性,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,需要事先布设大量的地面控制点,/,地面站,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,受系统误差影响大，如地球旁折光,难以确定地心坐标,GPS,定位原理：三球交汇定位,1.2.3 GPS,的发展概况,1957,年,10,月,4,日 第一颗人造卫星,Sputnik I,（伴侣,1,号）,发射成功。,1958,年,12,月开始设计,NNSS,TRANSIT,，即子午卫星系统。,1964,年,1,月该系统正式运行。,1967,年,7,月系统解密以供民用。,存在问题：,卫星少，无法实现实时定位；,轨道低，难以精密定轨；,频率低，难以消除电离层影响。,子午导航系统特征：,卫星：,6,颗,(1.5h,间隔,),极地轨道,轨道高度：,1100km,信号频率：,400MHz 150MHz,绝对定位精度：,3-5m,相对定位精度：,1m,定位原理：多普勒定位,1973,年,12,月，美国国防部批准研制,GPS,。,1978,年,2,月,22,日，第,1,颗,GPS,试验卫星发射成功。,1989,年,2,月,14,日，第,1,颗,GPS,工作卫星发射成功。,1991,年，在海湾战争中，,GPS,首次大规模用于,实战。,1992,年，,IGS,成立。（,International GPS,Service,，国际,GPS,服务机构）,1995,年,7,月,17,日，,GPS,达到,FOC,完全运行能力,（,Full Operational Capability,）。,1999,年,1,月,25,日，美国副总统戈尔宣布，将斥,资,40,亿美圆，进行,GPS,现代化。,2000,年,5,月,1,日，美国总统克林顿宣布，,GPS,停,止实施,SA(,人为降低,GPS,精度,),。,2000,年,1,月,1,日，解决,Y2K,问题。,随着地球自转的,GPS,卫星星座,GPS,使用者只需拥有,GPS,接收机即可使用,GPS,服务，无需另外付费。,GPS,信号分为民用的标准定位服务（,SPS,，,Standard Positioning Service,）和军规的精确定位服务（,PPS,，,Precise Positioning Service,）两类。由于,SPS,无须任何授权即可任意使用，原本美国因为担心敌对国家或组织会利用,SPS,对美国发动攻击，故在民用讯号中人为地加入选择性误差（即,SA,政策，,Selective Availability,）以降低其精确度，使其最终定位精确度大概在,100,米左右；军规的精度在十米以下。,2000,年以后，克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此，现在民用,GPS,也可以达到十米左右的定位精度。,1.3 GPS,的应用,从,GPS,的提出到,1993,年建成，经历了,20,年，实践证实，,GPS,对人类活动影响极大，应用价值极高，所以得到美国政府和军队的高度重视，不惜投资,300,亿美元来建立这一工程，成为继,阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。,它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。,交通,搜索救援,气象观测,遥感,测量,国防军事,卫星定轨,电力,支持,GPS,系统的,V740,手机,内置了,GPS,卫星定位系统,国家高精度,GPS,网布测方案,提出了一套实用、科学、严谨，适合我国国情的,GPS,作业技术方案，研究发展了,GPS,快速定位理论、方法，解决了高精度,GPS,网数据处理中一系列理论、方案与算法的关键技术，并研制出一系列国产化高精度,GPS,定位的科研和商品化软件，在理论模型、技术方案、软件开发、实际应用四个层面上取得了一系列进展，完成了新中国五十年来测绘技术的一次大飞跃，同时极大地推动了相关领域的技术进步。,中国,GPS,地基增强系统（,CORS,）,我国省市连续运行基准站网（约,1800,站）,中国大陆环境观测网络（,260,个站）,深圳市连续运行卫星定位服务系统（,SZCORS,）,由若干连续运行的,GPS,卫星定位基准站、监控分析中心及数据通信网络等部分组成的，是现代网络大地测量具体架构模式与实用技术的具体实践。它是获取和采集各类空间信息位置、时间和与此相关的动态变化的一种基础设施。通过数据通信网络，如因特网和广播网等，向各类测量和导航用户提供按照国际通用格式编排的基准站坐标和,GPS,测量数据，以满足不同行业、用户对精密定位，快速和实时定位、导航的要求，及时地满足,城市规划、国土测绘、地籍管理、城乡建设、环境监测、防灾减灾、船舶、车辆导航、交通监控、物流管理等,多种现代信息化管理的社会需求。,隔河岩大坝外观变形,GPS,自动化监测系统,充分发挥,GPS,固有的独立、精确、快速、全天候观测等优点，实现大坝外观形变,GPS,数据连续实时解算短基线达到亚毫米级精度。系统从监测数据到变形分析的时间小于,10,分钟，,2,小时连续测量,水平精度优于,0.5mm,，垂直精度优于,1mm,。当大坝形变量超过限值时，即自动报警。,1998,年长江流域特大洪水期间，为避免实施灾难性的荆江大堤分洪，在安全可靠的超量拦洪蓄水的科学决策中起到关键性的作用，受到中央领导的表彰。,1.4,其它卫星导航系统,GLONASS,（俄）,Galileo,（欧）,北斗导航系统（中）,1.4.1 GLONASS,简介,全球轨道导航卫星系统是前苏联研制建立的，,1978,年开始研制，,1982,年,10,月开始发射导航卫星。自,1982,年至,1987,年，共发射了,27,颗,GLONASS,试验卫星。它由,24,颗卫星组成卫星星（,21,颗工作卫星和,3,颗在轨备用卫星），均匀地分布在,3,个轨道平面内。卫星高度为,19100km,，轨道倾角,64.8,，卫星的运行周期为,11,时,15,分。,GLONASS,卫星的这种空间配置，保证地球上任何地点、任何时刻均至少可以同时观测,5,颗卫星。,1.4.2 Galileo-ENSS,简介（欧盟）,欧盟的欧洲导航卫星系统（,ENSS,）即伽利略计划。该计划总的战略意图是：,建立一个高效经济的民用导航及定位系统；,使之具备欧洲运输业可以信赖的高度安全性，且确保任何未来系统完全置于欧洲人的控制之下；,该系统的实施将为欧洲工业进军正在兴起的卫星,导航市场的各个方面提供一个良好机会，使他们,能够站在一个合理的基础上公平竞争；,减低对全球定位系统的依赖，尤其是在发生战争时；,加强对高纬度地区的覆盖，包括挪威及瑞典等地区。,实现的主要目标：,时间安排：在,2005-2015,年的时间段内使,用（,EGNOS,的下一代）；,成本核算：低于,1.3-1.7 BECU,（十亿欧,币），大约相当于安装和运行现有欧洲民用,导航系统,10,年时间的费用,区域系统：服务区域是欧洲民航会议（,ECAC,）涉及区域；,国际控制：该系统完全自主，致力于民用，,由国际组织控制；,高性能：优于现有的全球导航卫星系统；,多种用途：铁路、公路、航空、航海以及行,人用户等，正如欧洲无线导航计划所提供的,服务对象。,预计将会于,近期,开始运作，但由于欧盟内部分歧与资金问题，完工时间尚不能确定。,1.4.3,北斗导航系统（中国）,:BDS,北斗导航系统发展过程,中国为北斗卫星导航系统制定了“三步走”发展规划，从,1994,年开始发展的试验系统（第一代系统）为第一步，,2004,年开始发展的正式系统（第二代系统）又分为两个阶段，即第二步与第三步。至,2012,年，此战略的前两步已经完成。根据计划，北斗卫星导航系统将在,2020,年完成，届时将实现全球的卫星导航功能。,Step 1:2004-,区域有源定位,采用少量卫星实现的有源定位，该系统成本较低，但是系统在定位精度、用户容量、定位的频率次数、隐蔽性等方面均受到限制。另外该系统无测速功能，不能用于精确制导武器。,北斗卫星导航试验系统已停止工作,Step 2:2012-,区域无源定位,Step 3:2020-,全球无源定位,北斗卫星导航系统空间段计划由,35,颗卫星组成，包括,5,颗静止轨道卫星、,27,颗中地球轨道卫星、,3,颗倾斜同步轨道卫星。,5,颗静止轨道卫星定点位置为东经,58.75,、,80,、,110.5,、,140,、,160,，中地球轨道卫星运行在,3,个轨道面上，轨道面之间为相隔,120,均匀分布。,至,2012,年底北斗亚太区域导航正式开通时，已为正式系统发射了,16,颗卫星，其中,14,颗组网并提供服务,(,第,1,颗实验星未使用；第,2,颗失控,),，分别为,5,颗静止轨道卫星、,5,颗倾斜地球同步轨道卫星（均在倾角,55,的轨道面上），,4,颗中地球轨道卫星（均在倾角,55,的轨道面上）。,中国北斗全面运营服务,2012年12月27日，北斗系统对中国及周边地区正式提供全面运营服务,。,国务院新闻办公室举行了北斗系统新闻发布会,，正式公布了“北斗”系统空间信号接口控制（,ICD,）文件。,中巴双方代表中巴双方代表中巴双方代表中巴双方代表中巴双方代巴双方代表,定位精度,:,水平方向,10,米,;,垂直方向,10 m,测速精度,:,大于,0.2,m/s,授时精度,:,50纳秒（单程）,短报文通信,广域差分,&,地基增强,覆盖的亚太范围地区,北斗卫星导航系统三大功能,快速定位,：北斗导航系统可为服务区域,内用户 提供全天候、高精度、快速实,时定位服务。水平定位精度,100m,，差,分定位精度小于,20m,。定位响应时间：,1,类用户,5s,；,2,类用户,2s,；,3,类用户,1s,。,员短定位更新时间小于,1s,。一次性定位,成功率,95,。,简短通信,：北斗系统用户终端具有双向数字报文通信能力，可以一次传送超过,100,个 汉字的信息。军用版容量为,120,个汉字，民用版,49,个汉字,精密授时,：北斗导航系统具有单向和双向,两种授时功能。根据不同的精度要求,利用授,时终端,完成与北斗导航系统之间的时间和频,率同步,可提供数十纳秒级的时间同步精度。,北斗应用五大优势,同时具备定位与通讯功能，无需其他通讯系,统支持,覆盖中国及周边国家和地区，,24,小时全天候服,务，无通讯盲区,特别适合集团用户大范围监控与管理和数据采,集用户数据传输应用,融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资,源，提供更丰富的增值服务,自主系统、高强度加密设计，安全、可靠、稳,定，适合关键部门应用,截至,2012,年底，中国有约,4,万艘渔船安装了北斗卫星导航系统的终端，终端向手机发送短信为,3,角人民币，高峰时每月发送,70,万条。同时，中国有,10,万辆车已安装北斗的导航设备。,制约北斗导航民用的最大瓶颈是芯片价格，相对于,GPS,系统，北斗终端设备的芯片成本较高，若能够广泛生产和使用则可降低价格。,2014,年,12,月，北斗卫星的军用讯号基本已经全球覆盖,(,可能是持续式或机动式覆盖,),，并且可让解放军的多弹头洲际导弹接收讯号，从集束式迈向分导式多弹头，分裂后的每一个子弹头都有导向能力可变轨飞向目标。,2015,年,2,月，电子公车站牌已经接入北斗定位，上海近,4,千辆公车已经完成配备，站牌使用太阳能供电。,北斗应用情况,思考题,1.,什么是,GPS?,该系统的特点有哪些？,2.,简述,GLONASS,、,Galileo,（欧）和北 斗导航系统的特点,?,