全球定位系统的产生、发展及前景

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什么是GPS？
GPS的英文全称是：Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System简称GPS，有时也被称作NAVSTAR GPS。
其意为“导航星测时与测距全球定位系统”，或简称全球定位系统。

GPS概述①

• 建立国家
  
  
  
  • 美国
    
  
  
• 目的
  
  
  
  • 在全球范围内，提供实时、连续、全天候的导航定位及授时服务
    
  
  
• 开始筹建时间
  
  
  
  • 1973年
    
  
  
• 完全建成时间
  
  
  
  • 1995年
    
  
  

GPS概述②

• 系统构成
  
  
  
  • 空间部分、地面控制部分、用户部分
    
  
  
• 服务方式
  
  
  
  • 通过由多颗卫星所组成的卫星星座提供导航定位服务
    
  
  
• 定位原理
  
  
  
  • 距离交会
    
  
  
• 测距原理
  
  
  
  • 被动式电磁波测距
    
  
  
• 特点
  
  
  
  • 全球覆盖、全天候、不间断、精度高
    
  
  

常规（地面）定位方法
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
    
  • 电磁波或激光仪器：测距仪
    
  • 综合多种技术的仪器：全站仪
    
  
  
• 观测值
  
  
  
  • 角度或方向观测
    
  • 距离观测
    
  • 天文观测方法
    
  
  

常规定位方法的局限性

• 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
  
• 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
    
  
  
• 受系统误差影响大，如地球旁折光
  
• 难以确定地心坐标
  

子午卫星系统及其局限性

      

系统简介

• NNSS – Navy Navigation Satellite System（海军导航卫星系统），由于其卫星轨道为极地轨道，故也称为Transit（子午卫星系统）
  
• 采用利用多普勒效应进行导航定位，也被称为多普勒定位系统
  
• 美国研制、建立
  
• 1964年1月建成
  
• 1967年7月解密供民用
  

子午卫星系统及其局限性

                

系统组成

• 空间部分
  
  
  
  • 卫星：发送导航定位信号（信号：4.9996MHz  30 = 149.988MHz；4.9996MHz  80 = 399.968MHz；星历）
    
  • 卫星星座 – 由6颗卫星构成，6轨道面，轨道高度1075km
    
  
  
• 地面控制部分
  
  
  
  • 包括：跟踪站、计算中心、注入站、控制中心和海军天文台
    
  
  
• 用户部分
  
  
  
  • 多普勒接收机
    
  
  

子午卫星系统及其局限性

        

• 应用领域
  
  
  
  • 海上船舶的定位
    
  • 大地测量
    
  
  
• 精度
  
  
  
  • 单点定位：15次合格卫星通过（两次通过之间的时间间隔为0.8h ~ 1.6h），精度约为10m
    
  • 联测定位： 各站共同观测17次合格卫星通过，精度约为0.5m
    
  
  

子午卫星系统及其局限性
系统缺陷

• 卫星少，观测时间和间隔时间长，无法提供实时导航定位服务
  
• 导航定位精度低
  
• 卫星信号频率低，不利于补偿电离层折射效应的影响
  
• 卫星轨道低，难以进行精密定轨
  

GPS的发展简史——方案论证阶段

• 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。
  
• 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。
  

GPS的发展简史——全面研制和试验阶段
从1979年到1987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。

GPS的发展简史——实用组网阶段

• 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。
  
• 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。
  
• 1995年7月17日，GPS达到FOC – 完全运行能力（Full Operational Capability）。
  

李小路

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