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1、GPS导航原理,控制理论与制导技术研究中心,19GPS发展简史与服务概述,控制理论与制导技术研究中心,本次课的主要内容,1.GPS简介2.GPS发展历史3.GPS应用概述4.参考书目,GPS简介,GPS中文名称：(导航星)全球定位系统GPS英文名称：(NAVSTAR)Global Positioning System基本用途：定位技术途径：利用卫星使用范围：全球用户范围：全球用户由美国国防部控制类别从属卫星导航系统导航：指引某运动体，由某位置出发，达到某目标点。常用导航系统：惯性导航、无线电导航、天文导航、卫星导航等。,几个相似的缩写代表完全不同的概念,GPSGIS:Geographic In
2、formation System,地理信息系统(本质是一个数据库管理系统)GPRS:General Packet Radio Service通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPS ONE(A-GPS):需要手机运营商提供支持，将GPS技术与手机无线信号定位技术结合，实现户外、室内定位。I-GPS:室内GPS,GPS技术的影响,应用二次开发，应用广泛技术扩展室内GPS火星车的导航,各类导航系统的优缺点,惯性导航优点：自主、区域极广、实时,惯性导航缺点：误差随时间积累,各类导航系统的优缺点,天文导航优点：误差不积累、区域极广,天文导航缺点
3、：定位间隔时间长、动态低、需要星图受天气影响,各类导航系统的优缺点,无线电导航：区域受限,卫星导航：与无线电导航系统比，有效区域广，具有全球定位能力；与惯导比：误差不随时间积累；与天文导航比：全天候。缺点：实时性、动态较差，信号易受干扰遮蔽，受政治因素影响。,现有卫星导航系统简介,美国-GPS：若干地面支持设施，24颗卫星，分6个轨道面，由美国国防部操作，军民两用，通讯使用L1,L2两个载波频率，码分多址(CDMA)技术。实际在轨卫星数目多于24颗。俄罗斯-GLONASS:若干地面支持设施，24颗卫星，分3个轨道面，由俄罗斯国防部操作，军民两用，通讯使用频分多址技术。轨道低，卫星寿命短，需经常
4、补网。由于受俄经济状况影响，导航星座不全。2011年已经重新恢复全工作能力。,现有卫星导航系统简介,欧洲-GNSS:建设中，第二阶段Galileo计划，2002年3月26日正式批准启动。,GNSS组成示意图,中国-北斗系统：一代2颗卫星定位，亚太地区定位.发射4颗星：2000年10月31日；2000年12月21日；2003年5月25日（2工作，1备份）2007年4月14日零时28分，发射第四颗北斗导航试验卫星（二代第1颗）。2012年达到16颗在轨。,中国北斗一代系统定位示意图,北斗二代,类似GPS：定位精度优于20m，授时精度优于100ns。2011年12月（10颗星左右）的误差水平：平面1
5、0m,高程15m,测速0.2m/s,授时50ns.建设原则开放性独立性兼容性渐进性计划2012年覆盖亚太地区2020年覆盖全球目前：10月25日23时33分，发射北斗2代第16颗卫星。2012年12月27日，北斗系统空间信号接口控制文件正式版正式公布，北斗导航业务正式对亚太地区提供无源定位、导航、授时服务。,GPS提供的服务,GPS的基本功能 输出PVT,提供的基本服务（美国国防部与交通部规定）PPS（精密定位服务/Precise Positioning Service）服务对象：美国军方，政府特别批准的民用用户1995年春达到全工作能力定位精度：水平22m，垂直27.7m，授时精度200ns
6、（2drms,95%）SPS（标准定位服务/Standard Positioning Service）服务对象：全球民用用户1993年12月达到全工作能力定位精度：水平100m，垂直156m，授时精度340ns（2drms,95%）,定位,测速,授时,&,&,定位基本原理,平面2点定位,定位基本原理,空间3点定位已知空间某固定点(卫星)坐标已知用户与该点距离R用户必然在以卫星为球心，半径为R的球面上。,定位基本原理,空间3点定位,分别已知空间某2个固定点(卫星)坐标分别已知用户与2颗卫星距离用户必然在左图2个球面的交线上,定位基本原理,空间3点定位,分别已知空间某3个固定点(卫星)坐标分别已知
7、用户与3颗卫星距离用户必然在左图3个球面的交点上实际使用4颗卫星定位,GPS服务的特点,定位高精度：mm30m一般手持机能够达到12m误差左右；根据FAA（Federal Aviation Administration）的数据，某些高品质接收机SPS定位精度可优于3m。无源：接收机本身不发射信号，保密性好免费：用户只需购买接收机，即可享受免费定位服务全天候、全球,GPS发展历史（1）,前期：1957年10月，苏联发射世界上第一颗人造卫星。美国霍普金斯大学应用物理实验室苇芬巴赫（G.C.Weiffenbach）利用多普勒频移定轨。同实验室的麦克雷(F.T.Meclure)提出了反问题，成为最早的
8、利用人造卫星进行定位的设想。,1958年底，美国海军武器实验室对该实验室的研究进行了资助海军导航卫星系统(NNSSNavy Navigation Satellite System)的诞生。1959年九月发射第一颗卫星。1964年交付美国海军使用。1967年7月，正式组网允许民用。由于轨道通过地极，因此又称子午仪系统（Transit）。,GPS发展历史（2）,子午仪系统的特点：组成：6颗卫星，近圆形轨道，轨道倾角90deg左右，周期107min，轨道高度1000km。定位精度对运动舰船为200m至80m；而对固定点可达100m至0.1m。全球、全天候二维定位。为北极星核潜艇提供定位服务。我国在上
9、世纪70年代引入使用。南极长城站的定位就使用了子午仪系统。,中国长城站S621259.811 0.015 W58 5752.665 0.019,缺点：定位时间长、动态低两次定位间隔时间1.54小时。定位一次需要的测量为2分钟以上。一台接收机需要15次合格观测才能达到10m精度。,GPS发展历史（3）,看到了卫星导航的巨大潜力：上世纪60年代，美国海、空军开始独立发展自己的卫星导航系统。,海军TIMATION计划,TIMATION：1218颗卫星，卫星高度约10000km，近圆形。周期8小时，1967年和1969年先后发射两颗试验卫星。（不能满足空军的高动态应用要求）,空军621B计划,621B
10、计划:34个星群，每个星群45颗卫星。同步轨道。每个星群需要一个地面控制站为它服务。(通过伪卫星技术进行了验证),1973年12月合并，成立联合计划局，在洛杉矶空军航天处内设立办事机构，组成人员包括美国陆、海军、海军陆战队、国防制图局、交通部、北大西洋公约组织和澳大利亚代表。,GPS,GPS发展历史（4）,GPS实施计划共分三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段（1978年1979年）。发射4颗试验卫星（BLOCK I）。建立地面跟踪网。研制地面GPS接收机。对系统软、硬件进行试验。第二阶段为全面研制和试验阶段(1979年1984年)。陆续发射7颗试验卫星(BLOCK I)。研制各种类型接
11、收机。第三阶段为实用组网阶段。,1999年提出GPS卫星现代化。,实施SA（选择可用性/Selective Availability）与AS（反电子欺骗/Anti-Spoofing）政策，SA政策在C/A码中人为引入了误差，使水平定位精度下降到100米，垂直定位精度下降到157米；AS政策则对P码实行加密。,GPS发展历史（5）,后果：远远不能满足民用需要。自动车辆驾驶，船舶停靠，飞机进场，精细农业等即使无SA，也不能得到满足。,第2阶段实验表明，GPS粗码定位精度可达14m，P码可达3m，远远超过设计标准（粗码100m）。目前的精度：粗码定位误差12m，授时误差20ns。,GPS发展历史（6
12、）,应对SA的对策：各家公司和研究单位纷纷研制在实施SA政策下提高实时定位精度的技术。代表差分技术。建设国际化导航卫星星座：GNSS,GPS发展历史（7）,差分技术坐标差分伪距差分广域差分载波相位差分差分技术的影响：几乎去除SA政策的影响大幅减小电离层、对流层影响,GPS发展历史（8）,建设国际化导航卫星星座：GNSS 在承认GPS和GLONASS已经存在的前提下，首先把GPS和GLONASS作为主体使用，然后逐步增加民间成分，在增发民间卫星的基础上逐渐减少对某一国军方控制系统的依赖，最终试图实现一个民间化，国际化的GNSS星座。,GPS发展历史（9）,美国对策：GNSS方案遭到美国国防部的指
13、责。美联邦航空局（FAA）提出WAAS（广域增强系统），但WAAS给美国和国际安全带来威胁。美国国防部表示“暂时同意按计划实施WAAS，但WAAS能否投入使用取决于该系统的试验结果和政府、军队高层部门和评估意见”。国防部还保留根据试验结果在战时或在特定地域对WAAS信号进行干扰的权利。同时要求GNSS保留SA与AS能力。1999年提出GPS现代化。,GPS发展历史（10）,GPS现代化1999年1月25日美国副总统以文告的形式发表。内涵：一是保护，即GPS现代化是为了更好地保护美方和友好方的使用，要发展军码和强化军码的保密性能，加强抗干扰能力；二是阻止：即阻扰敌对方的使用，施加干扰，施加SA，
14、AS等；三是保持，即是保持在有威胁地区以外的民用用户有更精确更安全的使用。,GPS发展历史（11）,措施（军用）：1.增加GPS卫星发射的信号强度，以增加抗电子干扰能力。2.在GPS信号频道上，增加新的军用码（M码），要与民用码分开。M码要有更好的抗破译的保密和安全性能。3.军事用户的接受设备要比民用的有更好的保护装置，特别是抗干扰能力和快速初始化功能 4.创造新的技术，以阻止和阻扰敌方使用GPS。,GPS发展历史（12）,措施（民用）：1.2000年5月1日零点开始取消SA。美国不打算重新启用全球性的SA政策，在BLOCK III中去除了相关特性；但美军方已经掌握了对局部区域GPS施加干扰的
15、技术(localized denial)，即GPS可以在局部区域内使敌对方利用GPS时严重降低定位精度，无法用于军事行动，却不影响其它区域的用户正常使用。2.在L2频道上增加第二民用码，即L2C(C/A at L2)码。这样用户就可以有更好的多余观测，以提高定位精度，并有利于电离层的改正。(2005，BLOCK IIR(M)开始有，但目前未调制有用导航数据)3.增加L5民用频率，这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。目的：改善民用导航和定位的精度；扩大服务的覆盖面和改善服务的持续性；提高导航的完好性（integrity）；保持GPS在全球定位系统中技术和销售的领先地位；,2009年3月
16、24日，GPS IIR-20(M)发射升空。带有L5演示试验载荷，1176.45MHz。星历不完整，为未来的GPS IIF 和GPS III做准备。,SA取消的影响,民用定位精度提高。无需差分的条件下精度也可满足许多民用需要。,GPS的应用概述（1）,3S的支柱技术之一3SGPS,GIS(地理信息系统/Geography Information System),RS(遥感/Remote Sensing)民用：为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。如：1.船舶远洋导航和进港引导2.飞机航路引导和进场降落3.汽车自主导航4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理：出租、警用车辆、运钞车、私家车辆、公共
17、汽车、消防、救护5.紧急救生6.个人旅游及野外探险7.个人通讯终端（与手机，电子地图等集成一体）,GPS的应用概述（2）,测地应用,机载应用,车载应用,手持应用,GPS的应用概述（3）,航天国际空间站科学卫星航天飞机在轨、再入、着陆军用精密制导武器：灵巧炸弹等飞机、战车单兵装备,GPS的应用概述（4）,其它1.电力，邮电，通讯等网络的时间同步2.准确时间的授入3.准确频率的授入4.各种等级的大地测量，控制测量5.道路和各种线路放样6.水下地形测量7.地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监测9.工程机械控制10.精细农业,本章小结,涉及到的基本概念：目前世界上建成和正在建设中的几个卫星导航系统：G
18、PS、GLONASS、GNSS、北斗系统GPS可提供的服务PPS、SPS区别：pps(pulse per second)GPS的基本功能：PVT测量,课程的特点,GPS技术受政治因素影响大。其技术的发展、取舍与国家间的安全、利益矛盾转化发展息息相关。技术发展灵活多变，涉及的应用领域众多，与其它专业的结合点众多。卫星导航技术前景广阔。仍在发展的热门技术，以社会需求为导向。学习建议1）听课2）主要是概念的理解，术语、缩写的积累与记忆3）平时注意收集材料,主要参考书目,(任选一本即可)GPS原理与应用.Elliott D.Kaplan 著,邱致和,王万义 译.电子工业出版社,2002年8月第一版.G
19、PS/INS组合导航定位及其应用.董绪荣,张守信,华中春编著.国防科技大学出版社,1998年6月第一版.差分GPS定位技术与应用.王广运,郭秉义,李洪涛编著,电子工业出版社,1996年3月第一版.GPS在飞行器定位导航中的应用.袁建平,方群,郑谔 著,西北工业大学出版社,2000年1月第一版.车辆定位与导航系统.赵亦林 著,谭国真 译.电子工业出版社.1999年4月第一版.,1、最孤独的时光，会塑造最坚强的自己。2、把脸一直向着阳光，这样就不会见到阴影。3、永远不要埋怨你已经发生的事情，要么就改变它，要么就安静的接受它。4、不论你在什么时候开始，重要的是开始之后就不要停止。5、通往光明的道路是
20、平坦的，为了成功，为了奋斗的渴望，我们不得不努力。6、付出了不一定有回报，但不付出永远没有回报。7、成功就是你被击落到失望的深渊之后反弹得有多高。8、为了照亮夜空，星星才站在天空的高处。9、我们的人生必须励志，不励志就仿佛没有灵魂。10、拼尽全力，逼自己优秀一把，青春已所剩不多。11、一个人如果不能从内心去原谅别人，那他就永远不会心安理得。12、每个人心里都有一段伤痕，时间才是最好的疗剂。13、如果我不坚强，那就等着别人来嘲笑。14、早晨给自己一个微笑，种下一天旳阳光。15、没有爱不会死，不过有了爱会活过来。16、失败的定义：什么都要做，什么都在做，却从未做完过，也未做好过。17、当我微笑着说
21、我很好的时候，你应该对我说，安好就好。18、人不仅要做好事，更要以准确的方式做好事。19、我们并不需要用太华丽的语言来包裹自己，因为我们要做最真实的自己。20、一个人除非自己有信心，否则无法带给别人信心。21、为别人鼓掌的人也是在给自己的生命加油。22、失去金钱的人损失甚少，失去健康的人损失极多，失去勇气的人损失一切。23、相信就是强大，怀疑只会抑制能力，而信仰就是力量。24、那些尝试去做某事却失败的人，比那些什么也不尝试做却成功的人不知要好上多少。25、自己打败自己是最可悲的失败，自己战胜自己是最可贵的胜利。26、没有热忱，世间便无进步。27、失败并不意味你浪费了时间和生命，失败表明你有理由
22、重新开始。28、青春如此华美，却在烟火在散场。29、生命的道路上永远没有捷径可言，只有脚踏实地走下去。30、只要还有明天，今天就永远是起跑线。31、认真可以把事情做对，而用心却可以做到完美。32、如果上帝没有帮助你那他一定相信你可以。33、只要有信心，人永远不会挫败。34、珍惜今天的美好就是为了让明天的回忆更美好。35、只要你在路上，就不要放弃前进的勇气，走走停停的生活会一直继续。36、大起大落谁都有拍拍灰尘继续走。37、孤独并不可怕，每个人都是孤独的，可怕的是害怕孤独。38、宁可失败在你喜欢的事情上，也不要成功在你所憎恶的事情上。39、我很平凡，但骨子里的我却很勇敢。40、眼中闪烁的泪光，也
23、将化作永不妥协的坚强。41、我不去想是否能够成功，既然选了远方，便只顾风雨兼程。42、宁可自己去原谅别人，莫等别人来原谅自己。43、踩着垃圾到达的高度和踩着金子到达的高度是一样的。44、每天告诉自己一次：我真的很不错。45、人生最大的挑战没过于战胜自己！46、愚痴的人，一直想要别人了解他。有智慧的人，却努力的了解自己。47、现实的压力压的我们喘不过气也压的我们走向成功。48、心若有阳光，你便会看见这个世界有那么多美好值得期待和向往。49、相信自己，你能作茧自缚，就能破茧成蝶。50、不能强迫别人来爱自己，只能努力让自己成为值得爱的人。51、不要拿过去的记忆，来折磨现在的自己。52、汗水是成功的润
24、滑剂。53、人必须有自信，这是成功的秘密。54、成功的秘密在于始终如一地忠于目标。55、只有一条路不能选择那就是放弃。56、最后的措手不及是因为当初游刃有余的自己57、现实很近又很冷，梦想很远却很温暖。58、没有人能替你承受痛苦，也没有人能抢走你的坚强。59、不要拿我跟任何人比，我不是谁的影子，更不是谁的替代品，我不知道年少轻狂，我只懂得胜者为。60、如果你看到面前的阴影，别怕，那是因为你的背后有阳光。61、宁可笑着流泪，绝不哭着后悔。62、觉得自己做得到和做不到，只在一念之间。63、跌倒，撞墙，一败涂地，都不用害怕，年轻叫你勇敢。64、做最好的今天，回顾最好的昨天，迎接最美好的明天。65、每
25、件事情都必须有一个期限，否则，大多数人都会有多少时间就花掉多少时间。66、当你被压力压得透不过气来的时候，记住，碳正是因为压力而变成闪耀的钻石。67、现实会告诉你，不努力就会被生活给踩死。无需找什么借口，一无所有，就是拼的理由。68、人生道路，绝大多数人，绝大多数时候，人都只能靠自己。69、不是某人使你烦恼，而是你拿某人的言行来烦恼自己。70、当一个人真正觉悟的一刻，他放弃追寻外在世界的财富，而开始追寻他內心世界的真正财富。71、失败并不意味你浪费了时间和生命，失败表明你有理由重新开始。72、人生应该树立目标，否则你的精力会白白浪费。73、山涧的泉水经过一路曲折，才唱出一支美妙的歌。74、时间
26、告诉我，无理取闹的年龄过了，该懂事了。75、命运是不存在的，它不过是失败者拿来逃避现实的借口。76、人总是在失去了才知道珍惜！77、要铭记在心：每天都是一年中最美好的日子。78、生活远没有咖啡那么苦涩，关键是喝它的人怎么品味！每个人都喜欢和向往随心所欲的生活，殊不知随心所欲根本不是生活。79、别拿自己的无知说成是别人的愚昧！80、天空的高度是鸟儿飞出来的，水无论有多深是鱼儿游出来的。81、思想如钻子，必须集中在一点钻下去才有力量。82、如果我坚持什么，就是用大炮也不能打倒我。83、我们要以今天为坐标，畅想未来几年后的自己。84、日出时，努力使每一天都开心而有意义，不为别人，为自己。85、有梦就
27、去追，没死就别停。86、今天不为学习买单，未来就为贫穷买单。87、因为一无所有这才是拼下去的理由。88、只要我还有梦，就会看到彩虹!89、你既认准这条路，又何必在意要走多久。90、尽管社会是这样的现实和残酷，但我们还是必须往下走。91、能把在面前行走的机会抓住的人，十有八九都会成功。92、你能够先知先觉地领导产业，后知后觉地苦苦追赶，或不知不觉地被淘汰。93、强烈的信仰会赢取坚强的人，然后又使他们更坚强。94、人生，不可能一帆风顺，有得就有失，有爱就有恨，有快乐就会有苦恼，有生就有死，生活就是这样。95、好习惯的养成，在于不受坏习惯的诱惑。96、凡过于把幸运之事归功于自我的聪明和智谋的人多半是结局很不幸的。97、如果我们一直告诫自己要开心过每一天，就是说我们并不开心。98、天气影响身体，身体决定思想，思想左右心情。99、不论你在什么时候结束，重要的是结束之后就不要悔恨。100、只要还有明天，今天就永远是起跑线。,
