第一章 概 述

1. 第一章概 述

2. 主要内容 １.１　什么是ＧＰＳ １.２　定位系统发展历程 １.３　其他卫星导航系统 １.４　ＧＰＳ的应用

3. 1.1 什么是ＧＰＳ 1.1.1 GPS定义 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。

5. 1.1.2 GPS特点 • 观测站之间不需要通视 • 提供三维坐标 • 定位精度高 • 操作简便 • 观测时间短 • 全天候24小时作业

6. 1.2 定位系统发展历程 １.2.1 先前定位系统 • 无线电导航系统 • 天文导航系统 • 惯性导航系统

7. 无线电导航系统 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。

8. 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。 天文导航系统

9. 　　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。　　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。 惯性导航系统

10. 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 什么是定位

11. 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 原始的定位方法

12. 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 近现代的常规定位方法

13. 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 常规（地面）定位方法的局限性

14. 1957年10月4日 第一颗人造卫星 Sputnik I 发射成功。 1.2.3 GPS的发展概况 • 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。

15. 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 • 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。

16. 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。

17. 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。

18. 2000年5月1日，美国总统克林顿宣布，GPS停 止实施SA。 • 1999年8月21/22日子夜，GPS发生GPS周结束 翻转问题。 • 2000年1月1日，解决Y2K问题。

19. 1.3 其它卫星导航系统 • GLONASS（俄） • Galileo（欧） • 北斗导航系统（中）

20. 　　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。 1.3.1 GLONASS简介

22. 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：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。 1.3.2 Galileo--ENSS简介（欧盟）

23. 实现的主要目标： • 时间安排：将在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 • 区域系统：服务区域是欧洲民航会议（ECAC） 涉及区域；

24. 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。

25. “北斗导航系统”是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，此系统由二颗卫星、控制站和接收机组成，卫星编号分别为“北斗一号”和“北斗二号”，分别于2000年10月31日凌晨0时02分和2000年12月21日0时20分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。“北斗导航系统”是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，此系统由二颗卫星、控制站和接收机组成，卫星编号分别为“北斗一号”和“北斗二号”，分别于2000年10月31日凌晨0时02分和2000年12月21日0时20分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。 1.3.3北斗导航系统（中国）

26. 今年5月25日，我国第三颗“北斗一号”卫星发射成功，6月1日，我国自主研发的“北斗运营服务平台”正式开通，这标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导航定位系统的大规模应用进入了实质性阶段。今年5月25日，我国第三颗“北斗一号”卫星发射成功，6月1日，我国自主研发的“北斗运营服务平台”正式开通，这标志着我国已经拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导航定位系统的大规模应用进入了实质性阶段。

27. 导航通信卫星是2颗地球同步卫星，距离地面36000km，位于赤经80E和140E，还有1颗备用卫星，将位于赤经110.5E，2颗卫星的升交点赤经相差60。2颗卫星于2000年10月31日和12月21日发射成功。覆盖范围东经约70°一140°，北纬5°一55°。导航通信卫星是2颗地球同步卫星，距离地面36000km，位于赤经80E和140E，还有1颗备用卫星，将位于赤经110.5E，2颗卫星的升交点赤经相差60。2颗卫星于2000年10月31日和12月21日发射成功。覆盖范围东经约70°一140°，北纬5°一55°。

29. 双星定位原理由陈芳允院士提出。双星定位系统实际上综合了卫星导航和卫星通信两种技术，因而兼容了两者的功能。由三部分组成：两颗相隔一定距离的静止轨道卫星、用户终端和地面控制中心有两副天线，分别对准两颗静止卫星。北斗系统由2颗地球静止卫星（GEO）对用户双向测距，由1个配有电子高程图库的地面中心站进行位置解算。定位由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户。双星定位原理由陈芳允院士提出。双星定位系统实际上综合了卫星导航和卫星通信两种技术，因而兼容了两者的功能。由三部分组成：两颗相隔一定距离的静止轨道卫星、用户终端和地面控制中心有两副天线，分别对准两颗静止卫星。北斗系统由2颗地球静止卫星（GEO）对用户双向测距，由1个配有电子高程图库的地面中心站进行位置解算。定位由用户终端向中心站发出请求，中心站对其进行位置解算后将定位信息发送给该用户。

30. 它的定位基于三球交会原理，即以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。中心站电子高程地图库提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点，并已知目标在赤道平面北侧，即可获得用户的二维位置。它的定位基于三球交会原理，即以2颗卫星的已知坐标为圆心，各以测定的本星至用户机距离为半径，形成2个球面，用户机必然位于这2个球面交线的圆弧上。中心站电子高程地图库提供的是一个以地心为球心、以球心至地球表面高度为半径的非均匀球面。求解圆弧线与地球表面交点，并已知目标在赤道平面北侧，即可获得用户的二维位置。

32. 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％。 北斗卫星导航系统三大功能

33. 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。 • 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。

34. 同时具备定位与通讯功能，无需其他通讯系 统支持 北斗应用五大优势 • 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

35. 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

36. 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。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。 1.4 GPS的应用

37. 国防军事 交通 测量 搜索救援 遥感 气象观测 卫星定轨 电力

38. 支持GPS系统的V740手机 内置了GPS卫星定位系统

39. 国家高精度GPS网布测方案

40. 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。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。

41. 深圳市连续运行卫星定位服务系统（SZCORS）

42. 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。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。

43. 隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统

44. 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。江泽民同志说：没有隔河岩水电站这样一批大型水电工程，就不可能取得抗洪抢险的胜利。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。江泽民同志说：没有隔河岩水电站这样一批大型水电工程，就不可能取得抗洪抢险的胜利。

45. 思考题 1.什么是GPS?该系统的特点有哪些？ 2.简述GPS的发展概况? 3.简述GLONASS、Galileo（欧）和北 斗导航系统的特点? 4.谈谈GPS的应用前景?