武汉大学 测绘学院 GPS原理及其应用课程组
GPS原理及其应用
(一 )
GPS原理及其应用
第一章 绪 论
§ 1.1 全球定位系统的产生、发展及前景
§ 1.2 GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
§ 1.1 全球定位系统的产生、发展及前景
GPS原理及其应用
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。
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 什么是全球定位系统
GPS原理及其应用
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
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS概述①
GPS原理及其应用
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
绪论绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS概述②
GPS原理及其应用
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
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 常规（地面）定位方法
GPS原理及其应用
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
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 常规（地面）定位方法的局限性
GPS原理及其应用
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
子午卫星星座
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
GPS原理及其应用
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
大地测量多普勒接收
机 - 1
（ MX1502）
大地测量多普勒接收
机 - 2
（ CMA751）
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
GPS原理及其应用
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
多普勒联测定位
多普勒单点定位
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
GPS原理及其应用
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
TRANSIT系统
? 卫星,6颗
? 极地轨道
? 轨道高度,1075km
? 信号频率,400MHz,150MHz
? 绝对定位精度,1m
? 相对定位精度,0.1m~0.5m
? 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 。
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
GPS原理及其应用
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。
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
GPS原理及其应用
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。
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
GPS原理及其应用
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）。
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
GPS原理及其应用
§ 1.2 GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在军事中的应用
GPS导航的舰载飞弹配备 GPS的士兵美国海军核潜艇
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在交通运输业中的应用
? 航运、航空搜索
? 陆路交通（车辆导航、监控）
? 船舶远洋导航和进港引水
车辆导航管理 对航空器的定位及导航 车辆导航 配备 G P S 的巡警
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在测量中的应用
? 建立和维持全球性的参考框架
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在测量中的应用
? 板块运动和监测
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在测量中的应用
? 建立各级国家平面控制网
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在测量中的应用
? 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各
种工程测量
市话网
市话网
市话网
市话网
市话网
深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结构及通信网络示意图
市
电
信
局
监控分析中心
卫星定位信号
发射台
FM 电台
基准站 1
基准站 2
基准站 3
基准站 4
基准站 5
进入移动电
话系统
用户
用户
全向天线定向天线
M o d e m
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在测量中的应用
? 在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的
应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在其他领域中的应用
? 精细农业
? 遥感
? 卫星定轨
? 资源勘探
? 个人旅游及野外探险
? 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、
时间传递
? …,
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
(一 )
GPS原理及其应用
第一章 绪 论
§ 1.1 全球定位系统的产生、发展及前景
§ 1.2 GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
§ 1.1 全球定位系统的产生、发展及前景
GPS原理及其应用
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。
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 什么是全球定位系统
GPS原理及其应用
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
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS概述①
GPS原理及其应用
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
绪论绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS概述②
GPS原理及其应用
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
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 常规（地面）定位方法
GPS原理及其应用
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
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 常规（地面）定位方法的局限性
GPS原理及其应用
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
子午卫星星座
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
GPS原理及其应用
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
大地测量多普勒接收
机 - 1
（ MX1502）
大地测量多普勒接收
机 - 2
（ CMA751）
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
GPS原理及其应用
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
多普勒联测定位
多普勒单点定位
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
GPS原理及其应用
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
TRANSIT系统
? 卫星,6颗
? 极地轨道
? 轨道高度,1075km
? 信号频率,400MHz,150MHz
? 绝对定位精度,1m
? 相对定位精度,0.1m~0.5m
? 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 。
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > 子午卫星系统及其局限性
GPS原理及其应用
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。
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
GPS原理及其应用
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。
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
GPS原理及其应用
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）。
绪论 > 全球定位系统的产生、发展及前景 > GPS的发展简史
GPS原理及其应用
§ 1.2 GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在军事中的应用
GPS导航的舰载飞弹配备 GPS的士兵美国海军核潜艇
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在交通运输业中的应用
? 航运、航空搜索
? 陆路交通（车辆导航、监控）
? 船舶远洋导航和进港引水
车辆导航管理 对航空器的定位及导航 车辆导航 配备 G P S 的巡警
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在测量中的应用
? 建立和维持全球性的参考框架
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在测量中的应用
? 板块运动和监测
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在测量中的应用
? 建立各级国家平面控制网
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在测量中的应用
? 布设城市控制网、工程测量控制网，进行各
种工程测量
市话网
市话网
市话网
市话网
市话网
深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结构及通信网络示意图
市
电
信
局
监控分析中心
卫星定位信号
发射台
FM 电台
基准站 1
基准站 2
基准站 3
基准站 4
基准站 5
进入移动电
话系统
用户
用户
全向天线定向天线
M o d e m
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在测量中的应用
? 在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的
应用
绪论 > GPS在各个领域中的应用
GPS原理及其应用
GPS在其他领域中的应用
? 精细农业
? 遥感
? 卫星定轨
? 资源勘探
? 个人旅游及野外探险
? 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、
时间传递
? …,
绪论 > GPS在各个领域中的应用
