矿山测量新技术讲座(桂林01)空间定位技术简介.ppt

中国煤炭工业协会653工程专题培训 矿山测量新技术 中国矿业大学 张书毕 教授 博导 13505219021,zhangsbi@,通过Google Earth 来看测绘科学技术的发展 下载: Google Earth软件,,,,,,北,方位角α,距离S,第一讲 空间定位技术简介,1空间定位技术的发展 2GPS定位系统 3GLONASS定位系统 4GALILEO定位系统 5双星定位系统 6GPS定位技术的应用,,,,,,1空间定位技术的发展,20世纪上半叶，大地测量处于低潮，它的复苏始于20世纪五十年代使大地测量走出低谷的最初冲击，来自第二次世界大战期间及其以后电子学的发展 ◆50年代末，人造卫星的出现，为大地测量带来了崭新的面貌卫星大地测量方法刚一出现，就显示出了非凡能力首先是由短期的观测数据求定了精确的地球扁率，接着推证了南北半球的不对称性 ◆70年代 1）卫星多普勒技术得到了广泛的应用，使得大地测量 定位发生了巨大的变革； 2）海洋卫星测高（SA）技术，为大地测量应用于海洋学研究开辟了道路； 3）激光对卫星测距（SLR）技术，不仅可用于高精度定位，还可以测定地球自转参数和板块运动，推动了地球动力学的发展。

◆80年代，全球定位系统（GPS）得到了全面发展，由于它具有用途广泛、定位精度高、观测简便及经济效益显著等特点，使大地测量发生了一场深刻的技术革命以上这些卫星测量技术，形成了大地测量学的一个新的分支学科——卫星大地测量学◆60年代出现的甚长基线干涉测量（VLBI）技术，同SLR技术一样，它可以测定地球自转参数和板块运动，但更为重要的是，它能以高精确度提供地球监测网与协议天球参考框架的联系卫星大地测量和VLBI是应用于大地测量的空间定位技术，因此人们又提出了空间大地测量学（Space Geodesy）这一术语，其内容是卫星大地测量学与VLBI的结合，其主体是卫星大地测量学大地测量领域中出现的空间大地测量技术，使经典大地测量学进入了空间大地测量学的新时代1）测量精度、作用范围 2）丰富了大地测量学的内容，并展示了新的发展方向 3）密切了与地球物理学、地质学和天文学的联系,,,,作为空间定位技术主体的卫星定位和跟踪技术，可分为两大类：利用激光 无线电波 双向 地面与卫星 单向 地基系统（发射机在地面上） 空基系统（发射机在卫星上）,空基系统：美国的海军导航卫星系统 美国的全球定位系统（GPS） 前苏联的全球导航卫星系统（GLONASS） 在建的欧盟Galileo卫星导航定位系统等,全球定位系统从其开始研制到整个系统的建成，历时20年，目前已在军事和民用部门得到了极为广泛得应用。

2GPS定位系统,1973年12月，美国国防部批准陆海空三军联合研制一种新的军用卫星导航系统——NAVSTAR GPS，其英文全称为NAVigation by Satellite Timing And Ranging (NAVSTAR) Global Positioning System（GPS），我们称为GPS卫星全球定位系统，简称GPS系统GPS系统由GPS卫星星座（空间部分）、地面监控系统（地面控制部分）和GPS信号接收机（用户设备部分）等三部分组成1978年2月22日，第一颗GPS实验卫星的发射成功标志着工程研制阶段的开始；1989年2月14日，第一颗GPS工作卫星的发射成功，宣告GPS系统进入了生产作业阶段；1993年12月8日，GPS整个系统已正式建成并开通使用GPS卫星星座（空间部分）,GPS卫星星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，这24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上卫星轨道平面相对地球赤道平面的倾角约为55º，各轨道平面升交点的赤经相差60º，在相邻轨道上，卫星的升交距角相差30º轨道平均高度约为20200km，卫星运行周期为11小时58分这一分布方式，保证了地面上任何时间、任何地点至少可同时观测到4颗卫星。

GPS卫星的作用是接收和播发由地面监控系统提供的卫星星历GPS卫星的基本功能：,1、接收和储存由地面监控站发来的导航信息，接收并执行监控站的控制指令；,2、通过星载的高精度铯钟和铷钟提供精密的时间标准；,3、即时向用户发送定位信息；,4、在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星；,5、卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作地面监控系统（地面控制部分）,GPS的地面监控部分，目前主要由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站、主控站和信息注入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所有观测资料由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主控站除协调和管理所有地面监控系统的工作外，其主要任务是： ◆根据本站和其它监测站的所有观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气层的修正参数等，并把这些数据传送到注入站； ◆提供全球定位系统的时间基准； ◆调整偏离轨道的卫星，合之沿预定的轨道运行； ◆启用备用卫星以代替失效的工作卫星,注入站的主要任务是 ◆在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储系统 ◆监测注入信息的正确性。

Trimble 5800 GPS接收机,Trimble 4600LS 4700 GPS接收机,,小博士手持机,,博宇 GPS接收机,,Point Smart6200 双频GPS接收机,用户设备部分,,,,用户设备部分 用户设备的主要任务是，接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量，并经数据处理而完成定位工作其主要由GPS接收机硬件和数据处理软件，以及终端设备组成，而GPS接收机的硬件，一般包括主机、天线和电源GPS系统是一种以空间卫星为基础的无线电导航与定位系统，能为世界上任何地方，包括空中、陆地、海洋甚至于外层空间的用户，全天候、全时间、连续地提供精确的三维位置、三维速度及时间信息，具有实时性的导航、定位和授时功能,,,,,GPS现代化：1998年美国副总统戈尔提出了GPS现代化这一概念，其实质是要加强GPS对美军现代化战争的支撑和保持全球民用导航领域中的领导地位GPS现代化包括军事和民用两部分 GPS现代化的军事部分包括4项措施：增加GPS卫星发射的信号强度，以增强抗电子干扰能力；增加具有更好的保密性和安全性的新的军用码（M码），并与民用码分开；军用接收设备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能力；创造新的技术，以阻止或阻扰敌方使用GPS。

GPS现代化的民用部分包括3项措施：在一年一度的评估基础上，决定是否将SA信号强度降为零（已于2000年5月1日零点取消了SA）；在L2频道上增加第二民用码（即C/A码），这样有利于提高定位精度和进行电离层改正；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GLONASS定位系统,1960年晚些时候，当时已有的卫星导航系统不能达到导航定位的目的前苏联军方确认需要一个卫星无线电导航系统 (SRNS)用于规划中的新一代弹道导弹的精确导引1968-1969年，国防部、科学院和海军的一些研究所联合起来要为海、陆、空、天武装力量建立一个单一的解决方案1970年这个系统的需求文件编制完成进一步研究之后，在1976年，前苏联颁布法令建立GLONASSGLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统),,,,GLONASS的起步晚于GPS九年从前苏联于1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星开始，到1996年，十三年时间内经历周折，虽然遭遇了苏联的解体，由俄罗斯接替布署，但始终没有终止或中断GLONASS卫星的发射 1995年初只有16颗GLONASS卫星在轨工作，1995年进行了三次成功发射，将9颗卫星送入轨道，完成了24颗工作工作卫星加1颗备用卫星的布局。

经过数据加载，调整和检验，已于1996年1月18日，整个系统正常运行 GLONASS卫星星座的轨道为三个等间隔椭圆轨道，轨道面间的夹角为120度，轨道倾角64.8度，轨道的偏心率为0.01，每个轨道上等间隔地分布8颗卫星卫星离地面高度19100kmGALILEO定位系统,1）GALILEO导航建设背景,◆单独的民用系统 ◆提高卫星定位的完好性、可用性和精度 ◆促进欧洲经济发展 ◆提高欧洲在航空工业的国际地位 ◆对GPS依赖程度分析,,,,◆ 1996年7月23日，欧洲议会和欧盟交通部长会议制定了有关建设欧洲联运交通网的共同纲领，首次提出了建立欧洲自主定位和导航系统的问题 ◆ 1998年1月29日，欧洲委员会向欧洲议会和欧盟交通部长会议提交了名为《建立一个欧洲联运定位和导航网：欧洲全球卫星导航系统（GNSS）发展战略》的报告3月17日，欧盟交通部长会议通过此报告，并委托欧洲委员会研究、拟定欧洲全球卫星导航系统发展计划 ◆ 1999年12月22日，欧洲议会和欧盟部长级会议批准了《欧盟在科研、技术发展和演示领域的第五个框架计划（1998－2002）》伽利略计划”列入其中，此计划成为“伽利略”资金的一个来源。

◆ 2000年11月22日，欧洲委员会提交了《欧洲伽利略卫星导航系统可行性评估报告》该报告汇总了伽利略论证阶段成果◆ 2002年3月26日，欧盟交通运输部长会议以全票通过了立即开始伽利略项目的研制阶段的动议，标志着“伽利略计划”的全面启动 ◆ JU已成立，计划于2003年9月正式挂牌，GROHE先生被任命为主任◆定义阶段（1999－2000）：该阶段已在2001年宣告结束 ◆开发阶段（2001－2005）：开发和在轨验证阶段，目前正在进行，主要工作有：汇总任务需求；开发2－4个卫星和地面部分；系统在轨验证 ◆部署阶段（2006－2007）：进行卫星的发射布网，地面站的架设，系统的整体联调 ◆运营阶段（2008－ ）：商业营运阶段，提供增值服务2）GALILEO计划进度安排,,,,◆伽利略系统的基本服务： 导航 定位 授时 ◆伽利略系统的特殊服务： 搜索与救援(SAR功能) ◆伽利略系统扩展应用服务系统： 在飞机导航和着陆系统中的应用 铁路安全运行调度 海上运输系统 车队运输调度 精准农业,3）GALILEO系统应用和服务,,,,4）中欧伽利略计划的合作,◆ 2000年6月，欧盟副主席德• 帕拉西率团访问中国，表达了希望邀请中国参加欧洲正在计划建设的卫星导航定位系统—伽利略（GALILEO）计划的意愿。

国务院总理朱镕基接见并表达了我国对合作建设GALILEO系统的兴趣和原则立场 ◆科技部于2001年6月21-22日，在京召开了有关中欧GALILEO计划专家研讨会 2001年10月，欧盟和中国建立了联合工作组，具体商谈在卫星导航领域合作的有关事宜 ◆ 2002年6月朱镕基总理明确表示“我们愿意在权力和义务平衡的前提下全面参加伽利略计划”◆由科技部和欧盟委员会、欧洲空间局共同主办的“中国—欧洲工业界参加伽利略计划研讨会”于2002年12月17-18日在北京成功举行◆中国—欧盟科技合作促进办公室（CECO）与欧洲工业联合会（ERTICO）于2003年3月3日至5日在上海成功举办了“中国—欧盟智能交通研讨会”会议的主题为： 1．“伽利略”项目合作； 2．公共交通管理； 3．中欧智能交通培训合作◆欧洲与中国经过近两年的准备，于2003年5月16日在布鲁塞尔举行中欧伽利略计划合作第一轮正式谈判，科技部秘书长石定环和欧盟委员会能源交通总司总司长拉莫.赫共同主持了谈判双方高度评价中欧。