Transcript 第7章1 - 武汉大学课程中心

第3节 Global Positioning System
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（GPS）
全球定位系统
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3.1 GPS定位系统简介
全球定位系统（Global Positioning System—
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—GPS）是一种定时和测距的空间交会定点的导
航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度
的三维位置、三维速度和时间信息。
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3.2 系统组成
GPS系统包括三大部分：地面控制部分；空间部分；用
户部分
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空间部分
① 卫星分布组成：最早由21颗工作卫星和3颗在轨备
用卫星组成GPS卫星星座。
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② 卫星分布情况
24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55
度，各个轨道平面之间夹角为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
相差90度。每颗卫星的正常运行周期为11h58min，若考
虑地球自转等因素，将提前4min进入下一周期。
③ GPS卫星信号
载波：L波段双频L1 1575.42MHz，L2 1227.60MHz
卫星识别：码分多址（CDMA）
测距码：C/A码（民用），P码（美国军方及特殊授户）
导航数据：卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参数、电
离层延迟修正。
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地面控制部分：
地面控制部分：主控站、监控站和注入站
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① 主控站：位于美国科罗拉多（ Colorado ）的法尔孔
（ Falcon ）空军基地。
 根据各监控站对 GPS 的观测数据，计算出卫星的星历和
卫星时钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫
星中去；
 对卫星进行控制，向卫星发布指令；当工作卫星出现故障
时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作；
 主控站还具有监控站的功能。
② 监控站：主控站、夏威夷（ Hawaii ）、阿松森群岛
（ Ascencion ）、迭哥伽西亚（ Diego Garcia ）、和卡瓦
加兰 （ Kwajalein ）。接收卫星信号，监测卫星的工作状
态。
③ 注入站：阿松森群岛（ Ascencion ）、迭哥伽西亚
（ Diego Garcia ）、和卡瓦加兰（ Kwajalein ）。其作用
和功能是：
注入站的作用是将主控站计算的卫星星历和卫星时钟的改14
正参数等注入到卫星中去。
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用户部分
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① 组成：GPS接收机、气象仪器、计算机、钢尺等仪器
设成。
② GPS接收机：天线单元，信号处理部分，记录装置和
源。
天线单元：由天线和前置放大器组成，灵敏度高，抗
干扰性强。GPS天线分为单极天线、微带天线、锥型
天线等。
信号处理部分：是GPS接收机的核心部分，进行滤波
和信号处理，由跟踪环路重建载波，解码得到导航电
文，获得伪距定位结果。
记录装置 : 主要有接收机的内存硬盘或记录卡（CF
卡）。
电源: 分为外接和内接电池（12V），机内还有一锂
电池。
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③ GPS接收机的基本类型：大地型、导航型和授时型三种。
大地型接收机按接收载波信号的差异分为单频（L1）型和双
频（L1，L2）型。
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PTK系统
导航型接收机
大地型接收机
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3.3 GPS系统的特点
定位精度高
GPS相对定位精度在50km以内可达10-6 ，100-500km可达10-7 ，
解其平面其平面位置误差小于1mm。
观测时间短
20KM以内快速静态相对定位，仅需15-20分钟；RTK测量时，当每个流
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1000km可达10-9 。在300-1500m工程精密定位中，1小时以上观测的
动站与参考站相距在15KM以内时，流动站观测时间只需1-2分钟。
测站间无须通视
可节省大量的造标费用。由于无需点间通视，点位位置可根据需要，
可稀可密，使选点工作甚为灵活，也可省去经典大地网中的传算点、
过渡点的测量工作。
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可提供三维坐标
GPS可同时精确测定测站点的三维坐标(平面+大地
高)。通过局部大地水准面精化，GPS水准可满足四等
操作简便
全天候作业
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水准测量的精度。
GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行。
功能多、应用广
可用于测量、导航，精密工程的变形监测，还可用
于测速、测时。
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3.4 工作原理
GPS系统由三大部分：地面控制部分；空间部分；用户
部分共同组成：
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GPS基本定位原理：
---有源无线电
定位技术：
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利用距离交会的
原理确定接收机
的三维位置及钟
差
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空间距离交会原理图
http://www.docin.com/p-174910772.html
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3.5 GPS的应用
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（1）GPS应用于导航
主要是为船舶、汽车、飞机等运动物体
进行定位导航。
 船舶远洋导航和进港引水；
 机航路引导和进场降落；
 汽车自主导航；
 地面车辆跟踪和城市智能交通管理；
 紧急救生；个人旅游及野外探险；
 个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等
集一体）。
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（2）GPS应用于授时校频GPS时间系统建立的示意图
GPS全部卫星与地面测控站构成一个闭环的自动修正系统。
采用协调世界时UTC（USNO/MC）为参考基准。
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GPS时间系统建立的示意图
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（3）GPS应用于高精度测量
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各种等级的大地测量，控制测量；
道路和各种线路放样；
水下地形测量；
地壳形变测量，大坝和大型建筑物变形监
测；
GIS数据动态更新；工程机械（轮胎吊，推
土机等）控制；精细农业。
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核心教材：
 黄杏元等，地理信息系统概论（第二版），2001，高等教育出版社
 汤国安等，地理信息系统，2000，科学出版社
期刊：
 《测绘学报》、《地理学报》、《遥感学报》、《武汉大学学报
（信息版）》、《测绘通报》、《中国图形图像学报》、《计算机
辅助图形学报》等相关期刊
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参考文献：
[1] 王之卓. 摄影测量原理（英文版）. 武汉：武汉测绘科技大学出版社，
1990
[2] MTPE / EOS Reference Handbook,1995
[3]乌伦等 地理信息系统-原理、方法与应用，2001，北京大学出版社
[4]龚健雅 地理信息系统基础，2001，科学出版社
[5]王家耀 空间信息系统原理，2001，科学出版社
[6]汤国安 计算机地学制图与分析，1994，西北大学出版社
[7]汤国安等，ArcView地理信息系统空间分析方法， 2002，科学出版
社
[8]刘良明， ArcView基础教程，2001，测绘出版社
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主要网站：
http://www.gischina.com/
 http://cagis.org.cn
 http://www.gisky.com/
 http://www.gisempire.com/
 http://www.digitalearth.net.cn/
 http://www.digitalearth.gov/
 http://www.Supermap.com.cn/
 http://www.sdinfo.net.cn/

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本课程主要参考文献：
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[1] Jos G. Timmerman and Sindre Langas, Environmental Information in
European Trans-boundary Water Management, IWA Publishing,
Alliance, House, 2004 （图书馆工学分馆外文阅览室）
[2] Glaus Btenner, Stuttgart, 47th Photogrammetic Week, Interactive
modeling tools for 3D building reconstruction，1999（图书馆工学分馆
外文阅览室）；
[3]常庆瑞等，遥感技术导论，科学出版社，2004年（图书馆工学分馆中
文阅览室）；
[4]郭生练主编，水问题研究与进展，湖北科学技术出版社，2003年（图
书馆工学分馆中文阅览室）；
[5]李树脂等，高效三维遥感集成技术系统，科学出版社，2000（图书馆
工学分馆中文阅览室）；
[6]李德仁等，空间信息系统集成，武汉测绘科技大学出版社，2000（图
书馆工学分馆中文阅览室）；
[7] 中国水利现代化研究 顾浩 中国水利水电出版社 2004年12月 （图书馆
54
工学分馆中文阅览室） ;
54
网络资源：
 [8]
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武汉大学图书馆-中国知网-高级检索-水
利现代化+进展（关键词）；
 [9] 武汉大学教务部-武汉大学课程中心-通
识选修课-数学与自然科学类- 1400373-水
利工程现代化技术（P5)
 http://kczx.whu.edu.cn/Able.Acc2.Web/Te
mplate/View.aspx?action=view&courseT
ype=0&courseId=26376；
 [10]课程邮箱：[email protected]。
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练习思考题（只作为弥补缺勤）:
价方法和评价指标体系;
(2)简述国内外水利现代化建设动
态及趋势;
(3)结合实际对我国水利现代化建
设进行展望.
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(1)简述中国水利现代化内涵、评
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考核方式
● ●考勤10%+课堂作业
20%+开卷考试70%。
● ●第12周4发试卷和课堂作
业；
● ●第13周4收试卷与课堂作
业！
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课堂作业
题目：谈谈你选修《水利现代化》的
理由以及你对这门课的期望
要求：
（1）真实
必须切合实际，敢于说真话。
（2）格式
1）手写，字数不限；
2）必须有标题和个人信息，即：学号、姓名、
院系。
（3）提交方式：
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第1周-12周4交到课堂。