第一章 导航定位历史--讲义版本.pdf
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第一章导航定位历史Global Positioning System华中科技大学水电学院主讲：付必涛第一章导航定位历史Global Positioning System指定教材： 徐绍铨,GPS测量原理及应用,武汉大学出版社,2003 第一章导航定位历史Global Positioning System章节安排 第一章 导航定位历史 第二章 卫星定位系统简介 第三章 GPS的用途和意义 第四章 GPS系统的组成 第五章 伪距定位原理 第六章 GPS动态测量 第七章 GPS定位误差分析 第八章 GPS车辆导航和调度管理 第九章 GPS高程测量第一章导航定位历史Global Positioning System 考核方法： ¾开卷考试第一章导航定位历史Global Positioning System第一章导航定位发展历史第一章导航定位历史Global Positioning System第一节 古代导航定位发展历史 人类对导航方法的探索，在人类文明出现后不久就开始了随着商品贸易的发展，一些沿海国家开始航海贸易，而如何导航，对航海者是性命攸关的事件。
从那时开始，人类就开始探索各种导航方法第一章导航定位历史Global Positioning System 导航涉及两个问题：定向和定位这两者对航海是同样重要的 航海者必须及时确定自己的方位，以便及时调整航向，这样才能避免迷失航向，少走弯路第一章导航定位历史Global Positioning System定向的方法：1、天文方法 ¾ 太阳的方位 ¾ 月亮的方位 ¾ 北极星的方位2、指南针它使定向变得容易，从此人们关注的是如何定位第一章导航定位历史Global Positioning System2、定位 ¾定位，就是确定人、船只等载体或其它目标所在方位，方位的数学表达形式是经纬度或其它大地坐标形式第一章导航定位历史Global Positioning System第一章导航定位历史Global Positioning System经纬度的概念： ¾30◦31′12″N，114◦16′12″E第一章导航定位历史Global Positioning System 不同纬度纬圈的弧长 L为：式中 Le为赤道圈的弧长，等于40074公里， 为当地纬度 赤道圈上1◦对应的距离为111.3km。
中国唐代高僧一行，俗名张遂，测得子午线1◦对应的长度为351里80步（132.08公里，比今天所测得的子午线长度略大一些），是世界上第一个测量出地球子午线长度的人)(cos kmLLeϕ×=ϕ第一章导航定位历史Global Positioning System ¾ 十五世纪以前，人们主要在沿海进行商品贸易活动远洋航行者往往只能沿海岸线航行，便于随时根据海岸线轮廓估算自己的方位 ¾ 哥伦布发现美洲大陆以及达伽马发现印度以后，掀起西方列强的殖民热潮远洋航行逐渐增多，对海上定位 的要求越来越高如何在没有任何参照物的茫茫大海中准确定位，对远洋航行至关重要第一章导航定位历史Global Positioning System古人是如何确定经纬度的？ ¾《鲁滨逊漂流记》 (1719年出版)中多次提到船只所处的经纬度第一章导航定位历史Global Positioning System 确定纬度的方法： ¾ 北极星的高度角 纬度越高，高度角越大 ¾ 正午太阳的高度角 纬度越高，角度越小；但要考虑太阳不同季节高度角变化的因素 第一章导航定位历史Global Positioning System 如何确定经度？因为地球的自转，地球在东西方向上是一个对称的球体。
与纬度的特性不一样的是，在不同经度的地方，日月星辰的运行规律基本一致，如何确定经度一直是一个难题第一章导航定位历史Global Positioning System 确定经度的方法：早在公元前二世纪，古希腊人已经认识到，如果在两个不同的地方观测同一事件，并记下发生这一事件的当地时间，那么，通过计算这两地记下的时间差，就可以求得这两地之间的经度差第一章导航定位历史Global Positioning System ¾古希腊天文学家喜帕恰斯提出，可以用观测月食来解决这一问题 ¾哥伦布就曾利用1494年9月14日的月食，测得了希斯帕尼奥拉港的经度 ¾也有人曾用月掩火星的机会来测定经度 ¾然而，月食天文现象一年中也只有几次而航海事业的发展，却要求随时测定船舶位置的经度第一章导航定位历史Global Positioning System利用两地时差来计算经差 1530年，格玛 ·弗里西斯在他的著作《天文原理》一书中指出，只要带上一只钟，使它从航海开始的地方起一直保持准确的走动，那么，到一个新地方后，只要一方面记下这只钟的时间，另一方面同时用一台仪器测出当地的地方时，这两个时间之差也就是两地的经度差。
这就是所谓的"计时法"的原理第一章导航定位历史Global Positioning System ¾ 地球24小时（严格说应该为23小时56分）自转一圈（360度），一个时区对应经度15度所以只要确定两地时差，就可以确定两地经度之差 ¾ 在古代没有统一的经度起算标准，一个地方的经度值，实际上是这个地方与某个起点的经度之差水手要测定当地的地方时与起点的 “标准时间 ”之差 ¾ 要同时知道地方时与 “标准时间 ”，才能测定经度确定经度方法的本质第一章导航定位历史Global Positioning System 确定经度的关键在于准确计时 ¾实际上，测定经度的关键也在这里：一方面需要有一架走得很准的钟，以记录起算点的时间，另一方面必须用天文方法精确地测出当地的地方时然而，这两点在十六世纪时都做不到第一章导航定位历史Global Positioning System 当时已经有了航海历，能够比较准确地预报太阳、月亮和诸行星的位置 水手只要用天文观测仪器测出日月星辰的精确方位，再查航海历，就可以获得当地时间确定地方时的方法第一章导航定位历史Global Positioning System ¾ 1757年，船用六分仪 问世。
这是一种手持的轻便仪器，它可以测量天体的高度角和水平角，将所得结果与天文台编制的星表对照，就可以测定船舶所在地的当地时间第一章导航定位历史Global Positioning System第一章导航定位历史Global Positioning System第一章导航定位历史Global Positioning System ¾ 各国天文台的相继建立，为编制高精度的天体位置表铺平了道路 ¾ 十七世纪下半叶，法国国王路易十四在他的财政大臣科尔伯特的怂恿下，决心使法国在科学上及海上处于世界领先地位1666年，成立了法国科学院，1667年，建立了巴黎天文台 ¾ 1676年9月15日，英国皇家科学院建成了格林尼治天文台天文学家约翰 ·弗兰斯提德为第一任台长，并于第二天立即开始用台上的大六分仪进行天文观测建立天文台第一章导航定位历史Global Positioning System 测定 “标准时间 ”的关键在于准确计时 ¾通过各天文台卓有成效的工作，编算出了准确的航海历，再借助天文方法，可以精确地测出当地的地方时 ¾确定 “标准时间 ”需要准确的计时器，在钟表出现以前无法解决 ¾有些国家采用悬赏来寻求解决办法。
测定“标准时间”第一章导航定位历史Global Positioning System 1598年，西班牙国王菲利浦三世悬赏9千块旧金币给能够"发现经度"的人然而，始终没有人能够有幸领取这笔为数不小的赏金 荷兰国会为解决经度问题提供了一笔高达9千镑的奖金 此风盛行一时，直到十八世纪初，法国议会还在为有关进一步研究经度测定的工作，提供各种单项赏金第一章导航定位历史Global Positioning System 伽利略用他制作的望远镜，发现了木星的卫星和卫星食现象而且木星卫星食的现象，平均每个晚上可以发生一、二次，因此，只要能对木星的卫星食现象作出准确预报，测定经度的问题也就基本解决了 1636年，荷兰议会有意要采纳他的建议但是，这时伽利略由于宣传哥白尼的日心说已经被天主教会软禁，宗教裁判所拒绝让伽利略去接受荷兰政府的奖赏第一章导航定位历史Global Positioning System ¾ 1657年，著名的荷兰天文学家、物理学家惠更斯发明了摆钟，提供了高精度的计时仪器 ¾ 但是摆钟在颠簸的船只上无法正确运行，当时航海界最需要的，是一种不受船舶颠簸和天气影响精密计时器。
第一章导航定位历史Global Positioning System 1720年代，英国钟表匠约翰 ·哈里森花了将近40年时间，设计出了高精度的机械钟，每天的误差不超出3秒钟，能够在6星期航程结束时判定船舶所在经度，误差不超过30海里 从此以后，航海者可以根据钟表上的 “标准时间 ”，结合用星历表和船用六分仪观测到的地方时间，随时确定自己所处的经纬度，远洋航行的定位问题基本得到解决第一章导航定位历史Global Positioning System 经度起算点的位置决定时间标准 1767年，根据格林尼治天文台提供的观测数据绘制的英国航海历出版了这时，英国已取代西班牙和荷兰等国，成为头号海上强国她出版的航海历自然也广为流传，并为其他国家所仿效这意味着格林尼治已开始成为许多海图和地图的本初子午线 1850年，美国政府决定在航海中，要采用格林尼治子午线作为本初子午线1853年，俄国海军大臣宣布，不再使用专门为俄国制订的航海历，而代之以格林尼治为本初子午线的航海历这些决定为后来的决定打下了一个基础经度起算标准的确定第一章导航定位历史Global Positioning System 1883年，在罗马召开的第七届国际大地测量会议考虑到，当时90％的航海家已根据格林尼治来计算经度，因而建议各国政府应采用格林尼治子午线作为本初子午线。
为了与法国妥协，会议还提出，将法国的米制作为世界统一的公制单位第一章导航定位历史Global Positioning System 问题直到1884年才得以最后解决那年的10月1日，在美国的发起下在华盛顿召开了国际子午会议10月23日，大会以22票赞成，1票（多米尼加）反对，2票（法国、巴西）弃权，通过一项决议，向全世界各国政府正式建议，采用经过格林尼治天文台子午仪中心的子午线，作为计算经度的起点 从此全世界有了统一的经度标准，人们说某一点的经度是多少时，不需再特别注明经度从哪里起算第一章导航定位历史Global Positioning System ¾ 我们把经过格林尼治的子午线定为起始经线，叫本初子午线或零子午线 格林尼治标准时间 (Greenwich Mean Time, GMT)，它规定太阳直照在零子午线上的时间为正午十二时地球按经线划分为24个时区，自零子午线往西，每隔15°其标准时间提前一小时，往东则每15°推后一小时第一章导航定位历史Global Positioning System第二节 无线电导航 无线电测向装置发明后，人们意识到通过它可以提高定位精度。
无线电测向装置定位误差在1海里之内，比天文方法的30海里的定位精度高许多，能有效地为船舶和飞机进行导航 无线电导航系统主要有 loran-C， Eurofix系统等第一章导航定位历史Global Positioning System第一章导航定位历史Global Positioning System第一章导航定位历史Global Positioning System第一章导航定位历史Global Positioning SystemLoran-c发射天线第一章导航定位历史Gl。
