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GPS发展及其应用教导课件PPT

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GPS发展及其应用教导课件PPT

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这是一个关于GPS发展及其应用教导课件PPT,主要是了解一、GPS简介
二、GPS的发展三、GPS在全球的应用等介绍。欢迎点击下载哦。


GPS技术的发展及其应用
党国锋
西北师范大学地理与环境科学学院
2009.6.3
报告内容:
一、GPS简介
二、GPS的发展
三、GPS在全球的应用
一、GPS简介
1.GPS及其组成
1.1 什么是GPS
GPS即全球定位系统(Global Positioning System)是美国从20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是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的,它采纳了子午仪系统的成功经验。 
一、GPS简介
1.2 GPS的组成
GPS系统包括三大部分:
        1.空间部分—GPS卫星星座;
        2.地面控制部分—地面监控系统;
        3.用户设备部分—GPS信号接收机。
一、GPS简介
    一、GPS卫星星座
    1.工作卫星
    GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座,记作(21+3)GPS星座。 24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内,轨道倾角为55度,各个轨道平面之间相距60度, 即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度, 一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。
一、GPS简介
一、GPS简介
    2.定位星座与间隙段
    定位星座:在用GPS信号导航定位时,为了解算测站的三维坐标,必须观测4颗 GPS卫星,称为定位星座。
    间隙段:这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时,甚至不能测得精确的点位坐标,这种时间段叫做“间隙段”。
一、GPS简介
    3.GPS卫星的作用
  (1)用L波段的两个无线载波(19cm和24cm)向用户连续不断地提供导航定位信号;
  (2)在卫星飞越注入站上空时,接收由地面注入站用S波段(10cm)发送到卫星的导航电文和其他有关信息,并通过GPS信号电路,适时地发送给广大用户;
  (3)接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令,适时地改正运行偏差或起用备用时钟等。
一、GPS简介
    二、地面监控系统
    对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。
一、GPS简介
   地面监控系统的作用
   (1)监控卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行;       
   (2)保持各颗卫星处于同一时间标准(GPS时间系统)。这就需要地面站监测各颗卫星的时间,求出钟差。然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备。
一、GPS简介
     GPS地面监控系统组成:
     GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
     1.主控站:设在科罗拉多的法尔孔(Falcon)空军基地。主控站除协调和管理地面监控系统外,其主要任务是:
    (1)根据本站和其他监测站的所有资料,推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等,并把这些数据送到注入站;
第二节 GPS系统组成
    (2)提供全球定位系统的时间基准。各测站和GPS卫星的原子钟,均应与主控站的原子钟同步,或测出其间的钟差,并把这些钟差信息编入导航电文,送到注入站;
    (3)调整偏离轨道的卫星,使之沿预定的轨道运行;
    (4)启用备用卫星,以代替失效的工作卫星。
2.监测站
    监测站是在主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机各一台和若干台环境数据传感器。接收机对GPS卫星进行连续观测,以采集数据和监测卫星的工作状况。原子钟提供时间标准,而环境传感器收集有关当地的气象数据。所有观测资料有计算机进行初步处理,并存储和传送到主控站,用以确定卫星的轨道。
GPS监测站分布图
一、GPS简介
    3.注入站
    共有三个,分别设在印度洋的迭哥加西亚(Diego Garcia)、南大西洋的阿松森岛(Ascension)和南太平洋的卡瓦加兰(Kwajalein)。
    设备:包括一台直径3.6m的天线,一台C波段发射机和一台计算机。
    任务:在主控站控制下将主控站推算的编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等,注入到相应卫星的存储系统,并检测注入星系的正确性。
    地面监控系统只用主控站有人值守。
一、GPS简介
    三、用户部分   GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件及相应的用户设备如计算机气象仪器等所组成。
    它的作用是接收GPS卫星所发出的信号,利用这些信号进行导航定位等工作。
    以上这三个部分共同组成了一个完整的GPS系统。
一、GPS简介
GPS接收机的基本类型分导航型和大地型。
大地型接收机又分单频型和双频型。
手持型GPS接收机
导航型GPS机
航空型GPS接收机
航海型型GPS接收机
测量型GPS接收机
二、GPS的发展
1.GPS技术发展过程
1.1 人类最初的导航,只能通过石头、树、山脉等作为参照物,渐渐发展到天文观测法,即通过天上的太阳,月亮和星星来判断位置。而中国四大发明之一的指南针是人类导航领域的一个里程碑。
1.2 20世纪20年代,第一个无线电导航系统-无线电信标的问世,开创了海洋船舶和航空飞行器导航的新篇章;
1.3 1957年10月4日,原苏联成功发射了世界上第一颗人造地球卫星,开创了空间技术造福人类的新时代。
二、GPS的发展
1.4 子午卫星导航系统的应用及其缺陷
    第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统(Navy Navigation Satellite System — NNSS)。在该系统中卫星的轨道都通过地极,故也称“子午仪(Transit)卫星系统”。             
    1964年该系统建成后即被美国军方使用,1967年将星历解密而提供民用服务。实践表明,子午仪卫星系统具有精度均匀、不受时间和天气限制等优点,只要系统的卫星在视界内,就可在地球表面任何地方进行单点定位或联测定位,从而获得观测点的三维地心坐标。
二、GPS的发展
子午卫星导航系统的缺陷:
  尽管子午仪卫星系统具有以往导航系统所无法比拟的优越性,但也存在一些严重的缺陷,这主要是由于该系统卫星数目较少(5~6颗),运行高度较低(平均约为1000Km),从地面观测到卫星的时间间隔较长(平均1.5小时),因而无法连续地提供实时三维定位信息,难以充分满足军事用户和某些民事用户的定位要求。
二、GPS的发展
2. GPS全球定位系统的建立
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。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。   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。
二、GPS的发展
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,宣告了GPS系统进入了工程建设阶段,这种工作卫星称为Block Ⅱ和BlockⅡA型卫星。这两组卫星差别是:Block Ⅱ只能存储14天用的导航电文(每天更新三次);而BlockⅡA卫星能存储180天用的导航电文,确保在特殊情况下使用GPS卫星。实用的GPS网即(21+3)GPS星座已建立,今后将根据计划更换失效的卫星。
二、GPS的发展
3.其他导航定位系统的建立
3.1 GLONASS( the Global Navigation Satellite System )全球导航卫星系统
本世纪70年代,作为对美国宣布建立和发展GPS的反应,前苏联国防部构想了GLONASS。该系统是82年底由前苏联开始承建,期间因苏联解体,几经周折最后由俄罗斯于96年建成全球导航定位系统。 在1993年,俄罗斯政府正式将GLONASS交由俄空军(VKS)负责。VKS负责GLONASS的航天器部署及在轨维护,并通过科学信息中心将GLONASS的信息传播给公众。
二、GPS的发展
GLONASS卫星系统的组成:
       与GPS一样,GLONASS也由三部分组成:
       空间部分 ;
       控制部分;
       用户部分。
二、GPS的发展
二、GPS的发展
3.2 GPS+GLONASS系统:
    1.可见卫星数增加一倍:GLONASS卫星星座组网完成后,可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。在地平线以上的可见卫星数纯GPS系统时,一般为7-11颗;GPS+GLONASS系统则可达到14-20颗。
    2.提高观测结果的可靠性:用卫星系统进行测量定位的观测结果的可靠性主要决定于用于定位计算的卫星颗数。
二、GPS的发展
3.提高生产效率:观测时间越长或可观测到的卫星数越多,则用于求解载波相位整周模糊度的数据也就越多,求解结果的可靠性越好。
4.提高观测结果的精度:观测卫星相对于测站的几何分布(DOP值)直接影响观测结果的精度。
二、GPS的发展
3.3 伽利略(Galileo)GNSS系统
欧盟在1999年2月首次提出“伽利略”计划。
计划分成四个阶段:
    论证阶段,时间为2000年;
    系统研制和在轨确认阶段,包括研制卫星及地面设施,系统在轨确认,时间为2001年至2005年;
    星座布设阶段,包括制造和发射卫星,地面设施建设并投入使用,时间为2006年至2007年;
二、GPS的发展
    运营阶段,从2008年开始。
      2000年度的论证工作为“伽利略”计划勾画出一个轮廓。论证报告指出,计划投入36亿欧元的资金(中国拟投资2亿欧元),服务范围覆盖全球,可以提供导航、定位、时间、通信等项服务。
      其服务方式包括开放服务、商业服务与官方服务三个方面。
二、GPS的发展
系统组成:
      卫星星座:由3个独立的圆形轨道,30颗GNSS卫星组成(27颗工作卫星,3颗备用卫星) 。卫星的轨道倾角i =56°;卫星的公转周期T=14h23m14S恒星时;轨道高度H=23616km 。
     地面系统:在欧洲建立2个控制中心;在全球构建监控网。
     定位原理:与GPS相同。
     定位精度:导航定位精度比目前任何系统都高。
二、GPS的发展
提供服务    ㆍ免费信号使用服务:OSA(开放服务)    ㆍ收费信号使用服务:CAS(管制服务)       - CAS 1 : 商业性服务       - CAS 2 - SAS : 高精密服务        - CAS 2 - GAS : 用于非民用领域的政府服务(使用密码的信号)
欧洲卫星导航系统—EGNOS
2004年7月13日,第一个欧洲卫星导航系统--EGNOS的主控中心将在位于意大利罗马附近的Ciampino,由意大利空中导航服务局运营的空中控制中心开始运营。EGNOS是欧洲正在开发的全球导航系统伽利略的前身。2004年年底,EGNOS由三颗地球同步卫星和一个地面站网络组成。
目前部署的其他EGNOS设施包括两个主控中心和一个遍布欧洲的地面站网。两个主控中心分别位于法兰克福附近的德国空中控制中心和马德里附近的西班牙空中控制中心。使用EGNOS系统,欧洲能够通过自己的网络传送定位信号,接收者能够追踪信号。意大利的主控中心为欧洲在卫星导航方面向伽利略系统发展迈出了坚实的第一步。
二、GPS的发展
3.4 中国北斗卫星导航系统
1982年7月,美国L.A.Lvarez和C.Trophy及F.Rose三位科学家提出主动式卫星导航通信系统,并于1982年12月完成了总体设计,定名为GEOSTAR 。该系统是一个局域实时导航定位系统,据1991年9月的报导,由于GEOSTAR系统缺乏竞争能力,拟投资的用户日渐减少,最后不得不中断该系统的建设。
二、GPS的发展
我国类似GEOSTAR系统的双星导航定位系统(北斗一号),已于2000年10月31日和12月21日,先后发射了两颗北斗一号导航试验卫星,并完成了大量的测试工作。该系统的第三颗同步静止定位卫星,在2003年5月25日发射,于6月3日5时顺利定点,系统大功告成。
二、GPS的发展
(1)服务区域:70°-145°E;    5°-55°N
(2)用户设备:定位收发机的瞬间发射功率较大。
(3)定位精度:平面精度±20m;垂直精度±10m
二、GPS的发展
   正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,提供两种服务方式,即开放服务和授权服务(属于第二代系统)。开放服务是在服务区免费提供定位、测速和授时服务,定位精度为10米,授时精度为50纳秒,测速精度为0.2米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务信息。   我国在2007年初发射两颗北斗导航卫星(2007年2月3日,中国第四颗北斗导航试验卫星北斗1D发射升空。2007年4月14日凌晨4时11分在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭,成功将第一颗北斗导航卫星送入太空),2008年左右满足中国及周边地区用户对卫星导航系统的需求,并将进行系统组网和试验,逐步扩展为全球卫星导航系统。
三、GPS技术的应用
1.传统应用领域
1.1 军事
    GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的,至今它仍然由美国军方控制。军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标,给海中的军舰导航,为军用飞机提供位置和导航信息等。
1.2 测量
各种控制测量
    传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测,不仅费工费时,要求点间通视,而且精度分布不均匀,且在外业不知精度如何,采用常规的GPS静态测量、快速静态、伪动态方法,在外业测设过程中不能实时知道定位精度,如果测设完成后,回到内业处理后发现精度不合要求,还必须返测,而采用RTK来进行控制测量,能够实时知道定位精度,如果点位精度要求满足了,用户就可以停止观测了,而且知道观测质量如何,这样可以大大提高作业效率。如果把RTK用于公路控制测量、电子线路控制测量、水利工程控制测量、大地测量、则不仅可以大大减少人力强度、节省费用,而且大大提高工作效率,测一个控制点在几分钟甚至于几秒钟内就可完成。
三、GPS技术的应用
三、GPS技术的应用
地形测图
    仅需一人背着仪器在要测的地形地貌碎部点呆上一二秒种,并同时输入特征编码,通过手簿可以实时知道点位精度,把一个区域测完后回到室内,由专业的软件接口就可以输出所要求的地形图,这样用RTK仅需一人操作,不要求点间通视,大大提高了工作效率,采用RTK配合电子手簿可以测设各种地形图,如普通测图、铁路线路带状地形图的测设,公路管线地形图的测设,配合测深仪可以用于测水库地形图,航 海海洋测图等等。
三、GPS技术的应用
放样
   采用RTK技术放样时,仅需把设计好的点位坐标输入到电子手簿中,背着GPS接收机,它会提醒你走到要放样点的位置,既迅速又方便,由于GPS是通过坐标来直接放样的,而且精度很高也很均匀,因而在外业放样中效率会大大提高,且只需一个人操作。
三、GPS技术的应用
2.新型应用领域
2.1 交通导航     出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术对车辆进行跟踪、调度管理,合理分布车辆,以最快的速度响应用户的乘车或送请求,降低能源消耗,节省运行成本。 GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色,在城市中建立数字化交通电台,实时发播城市交通信息,车载设备通过GPS进行精确定位,结合电子地图以及实时的交通状况,自动匹配最优路径,并实行车辆的自主导航。 民航运输通过GPS接收设备,使驾驶员着陆时能准确对准跑道,同时还能使飞机紧凑排列,提高机场利用率,引导飞机安全进离场。
三、GPS技术的应用
2.2救援
       利用GPS定位技术,可对火警、救护、警察进行应急调遣,提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车辆(如运钞车)等,可对突发事件进行报警、定位,将损失降到最低。 有了GPS的帮助,救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠,对失踪人员实施有效的搜索、拯救。装有GPS装置的渔船,在发生险情时,可及时定位、报警,使之能更快更即使地获得救援。
三、GPS技术的应用
2.3 农业
    当前,发达国家已开始把GPS技术引入农业生产,即所谓的"精准农业耕作"。该方法利用GPS进行农田信息定位获取,包括产量监测、土样采集等,计算机系统通过对数据的分析处理,决策出农田地块的管理措施,把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中,从而精确地给农田地块施肥、喷药。通过实施精准耕作,可在尽量不减产的情况下,降低农业生产成本,有效避免资源浪费,降低因施肥除虫对环境造成的污染。
三、GPS技术的应用
“3S技术”能够做到监测农作物产量分布、 土壤成分和性质分布、做到合理施肥、播种和喷洒农药,节约费用、降低成本、达到增加产量提高效益 的目的。利用差分GPS技术可以做到:
土壤养分分布调查       在播种之前,可用一种适用于在农田中运行的采样车辆按一定的要求在农田中采集土壤样品。车辆上配置有 GPS接收机和计算机,计算机中配置地理信息系统软件。采集样品时,GPS接收机把样品采集点的位置精确地测定出来,将其输入计算机,计算机依据地理信息系统将采样点标定,绘出一幅土壤样品点位分布图。   
三、GPS技术的应用
监测作物产量       在联合收割机上配置计算机、产量监视器和GPS接收机,就构成了作物产量监视系统。对不同的农作物需配备不同的监视器。例如监视玉米产量的监视器,当收割玉米时,监视器记录下玉米所接穗数和产量,同时GPS接收机记录下收割该株玉米所处位置,通过计算机最终绘制出 一幅关于每块土地产量的产量分布图。通过和土壤养分含量分布图的综合分析,可以找出影响作物产量的相关因素,从而进行具体的田间施肥等管理工作。
三、GPS技术的应用
合理施肥,精确农业管理       依据农田土壤养分含量分布图,设置有GPS接收机的“受控应用”的喷施器,在GPS的控制下, 依据土壤养分含量分布图,能够精确地给田地的各点施肥,施用的化肥种类和数量由计算机根据养分含量分布图控制。     利用飞机进行播种、施肥、除草等工作,作业费用昂贵。合理地布设航线和准确地引导飞机, 将大大节省飞机作业的费用。据国外介绍,利用差分GPS对飞机精密导航,估计会使投资 降低50%。具体应用中,利用GPS差分定位技术可以使飞机在喷洒化肥和除草剂时减少 横向重叠,节省化肥和除草剂用量,避免过多的用量影响农作物生长。还可以减少转弯重叠, 避免浪费,节省资源。
三、GPS技术的应用
2.4 林业
GPS技术在确定林区面积,估算木材量,计算可采伐木材面积,确定原始森林、道路位置, 对森林火灾周边测量,寻找水源和测定地区界线等方面可以发挥其独特的重要的作用。 在森林中进行常规测量相当困难,而GPS定位技术可以发挥它的优越性,精确测定森林位置 和面积,绘制精确的森林分布图。
三、GPS技术的应用
森林调查、资源管理: 测定森林分布区域。
利用差分或测量GPS对林区各种境界线实施精确勘测、制图和面积求算。
利用差分或测量型GPS进行图面区划界线的精确现地落界
GPS技术用于森林防火:
进行火场定位,火场布兵,火场测面积,火灾损失估算,精确度高,安全性强,能够实时、快速、准确地测定火险位置和范围,为防火指挥部门提供决策依据,已为国内外防火机构广泛采用。
GPS在造林中的应用:
飞播
造林分类、清查  
三、GPS技术的应用
2.5 在旅游及野外考察中的应用
在旅游及野外考察中,比如到风景秀丽的地区去旅游,到原始大森林、雪山峡谷或者大沙漠地区去进行野外考察,GPS接收机是你最忠实的向导。可以随时知道你所在的位置及行走速度和方向, 使你不会迷失路途。目前掌上型导航接收机已经问世。可望不久会生产出手表式的GPS导航接收机。携带和使用就更方便。可以说,GPS的应用将进入人们的日常生活,其应用前景非常广阔。
三、GPS技术的应用
2.6 生活
MSN将配套提供GPS定位功能
在今年的拉斯维加斯CES大展上,微软表示MSN将会提供包括更多方面的信息更新来源,包括交通状况、天气情况和预告、油料价格、电影放映时间、GPS定位,而这些内容都可借助即将上市的Garmin NUvi 680设备提供。
微软将会让MSN每间隔两分钟发送一次服务信息数据并通过GPS设备接收,这一项技术将会更有效帮助用户使用GPS更多未开发功能。
三、GPS技术的应用
狗狗用GPS追踪器
三、GPS技术的应用
2.7 GPS在土地利用动态监测的实验研究的应用(野外数据获取)
国土部门在进行土地变更数据统计时,由于航空摄影测量成本很高,难以运用航片来进行每年的土地变更调查,所以传统的方法只能是根据用地单位的上报数据,被动地了解变化,并依靠人工野外运用传统测量工具( 如平板仪)进行变化信息的空间测量。虽说一些研究部门也曾运用遥感手段来进行动态监测 ,但由于采用的数据的分辨率较低等因素,不能满足1∶1万的成图要求,因此未能实用化。 同时,我国绝大多数县(市)的土地管理部门仍是以纸为介质来存贮土地利用信息,存在成图周期长,不容易修改等不足,因而不能满足以年为周期的土地资源动态监测的需要。
三、GPS技术的应用
1.确定基站位置,并建站
2.在设定好基准站后即可进行移动站的动态测量,获取变化地块的边界坐标。
将GPS天线架设在一轻便的天线支撑竿上,手持GPS接收机沿变化地块边界移动一周即可。可以是步行,也可以以自行车、摩托车或汽车作为载体。(在实际测量中可能因为对现场不熟悉,虽然图上发现了变化但难于在野外找到该变化地块。解决的办法一是请当地熟悉情况的人员做向导;另一种办法是在室内发现变化后在GIS系统中获取变化图斑中心的地理坐标值,在野外如果难于确定变化区域,就起用GPS的导航功能,引导测量人员到达被测地块的大致位置。)  
在测量中不仅要获取变化地块的空间坐标,而且要记录下变化地块的属性变化。属性编码可直接输入GPS接收机,最多为72个字符。在测量前应该对所有待测地块进行编号以免测量中遗漏。此外,移动站测量过程中应该随时保持和基准站的联系,万一基准站出现问题 ,通知移动站暂停工作。
3.测量数据成图
三、GPS技术的应用
GPS在生活中的进一步发展趋势
第一是体积上的改变:     gps终端的体积应该向更小更灵活的方向发展,小到类似与现在手表、mp3等大小,可以不用专门考虑他的存放位置,我爱放哪就放哪,当然了,要考虑其接收效果咯! 第二是智能化的改变:     将来的导航系统或者是定位系统应该能够有人机对话的功能,即设备可以根据人的语言来对下一步要走的路或者要确定的某些事情做出反映,就象两个人的交谈一样,不需要其他的输入系统! 第三是网络化的发展:     下一代的导航系统应该在3g网络的支持下直接从导航服务器上下载地图导航,而不是现在的单机导航,就省却了又是更新地图,又要考虑费用,葚者还要去破解地图,用盗版地图,以后就是我什么时候用什么时候开通这个服务,而且因为3g网络的支持,导致导航的费用极为低廉!

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