GPS坐标系统.doc

《GPS定位原理及应用》授课教案 第一章 绪论 1.1 GPS卫星定位技术的发展 1.1.1 早期的卫星定位技术 1、无线电导航系统 罗兰--C：工作在100KHZ，由三个地面导航台组成，导航工作区域2000KM，一般精度200-300M。 Omega（奥米茄）：工作在十几千赫。由八个地面导航台组成，可覆盖全球。精度几英里。 多卜勒系统：利用多卜勒频移原理，通过测量其频移得到运动物参数（地速和偏流角），推算出飞行器位置，属自备式航位推算系统。误差随航程增加而累加。 缺点：覆盖的工作区域小；电波传播受大气影响；定位精度不高 2、早期的卫星定位技术 卫星三角网： 以人造地球卫星作为空间观测目标，由地面观测站对其进行摄影测量，测定测站至卫星的方向，来确定地面点的位置的三角网。 卫星测距网： 用激光技术测定测站至卫星的距离作为观测值的网则称为卫星测距网。 20世纪60～70年代，美国国家大地测量局在英国和德国测绘部门协助下，建立了一个共45个点的全球卫星三角网，点位精度5米。 卫星三角网的缺点： 易受卫星可见条件和天气条件影响，费时费力，定位精度低。 1.1.2 子午卫星导航（多普勒定位）系统及其缺陷 多普勒频移： 多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。 他认为电磁波频率在电磁源移向观察者时变高，而在波源远离观察者时变低。因此可利用频率的变化多少来确定距离的变化量。 多普勒效应的一个常被使用的例子是火车，当火车接近观察者时，其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发动机声。 子午卫星导航系统(NNSS)： 将卫星作为空间动态已知点，通过在测站上接受子午卫星发射的无线电信号，利用多普勒定位技术，进行测速、定位的卫星导航系统。 子午卫星导航系统的优点： 经济快速、精度均匀、不受天气和时间的限制，且可获得测站的三维地心坐标。 子午卫星导航系统的缺点： 由于卫星数量少，故不能实时定位、定位时间长、定位精度也低。 1958年，美国为解决北极星核潜艇在深海航行和执行军事任务而需要精确定位的问题，开始研制军用导航卫星，命名为“子午仪计划”。1960年4月，美国发射了世界第一颗子午导航卫星，传统的无线电导航系统从此被这种新的导航方式取代。美国1964年建成子午导航卫星系统，主要由美国海军使用，到1967年开始正式向民用开放。由于该系统卫星数目较小（5-6颗），运行高度较低（平均1000KM），从地面站观测到卫星的时间隔较长（平均1.5h），因而它无法提供连续的实时三维导航，而且精度较低。单点定位精度约为30—40米，每次定位约需8—10分钟。而各测站观测了公共的17次合格的卫星通过时，联测定位的精度才能达到0.5米左右。子午导航卫星系统是低轨道导航卫星，它集中了远程无线电导航台全球覆盖和近程无线电导航台定位精度高的优点，仅用4颗卫星组成的太空导航星座就能提供全天候全球导航覆盖和周期性二维（经纬度）定位能力，使全球用户统一于地心坐标系进行高精度定位，使导航技术产生了革命性突破。 70年代中期，我国利用引进的多普勒接收机进行了西沙群岛的大地测量基准联测，国家测绘总局和总参测绘局联合测设了全国卫星多普勒大地网，石油和地质勘探部门也在西北地区测设了卫星多普勒定位网。 前苏联卫星导航系统（CICADA）： 12颗宇宙卫星组成，也存在上述缺点。 1.1.3 GPS全球定位系统的建立 GPS全球定位系统： 全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994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能力的新一代卫星导航与定位系统。 GPS计划实施的三个阶段： 1) 第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。 2)第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。 3)第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。 1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。 为了改进GPS系统，美国计划并发射了第三代GPS卫星。 表1 GPS卫星的发展概况 卫星类型 卫星数量/颗 发射时间/年 用途 第一代 Block I 11 1978～1985 试验 第二代 Block II,IIA 28 1989～1996 正式工作 第三代 Block IIR,IIF 33