全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理與應(yīng)用

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1、第六章全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)原理及應(yīng)用第一節(jié)衛(wèi)星定位技術(shù)簡(jiǎn)介一、概述具有全球?qū)Ш蕉ㄎ荒芰Φ男l(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)稱為全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，英文全稱為GlobalNavigationSatelliteSystem，簡(jiǎn)稱為GNSS。目前已有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國(guó)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GLONASS、正在發(fā)展研究的有歐盟的GALILEO系統(tǒng)、中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航廣域增強(qiáng)系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)（GPS）是眾多衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)之一，GPS是英文NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioningSystem

2、的字頭縮寫(xiě)詞NAVSTAR/GPS的簡(jiǎn)稱。它的含義是：利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距，以構(gòu)成全球定位系統(tǒng)。GPS具有全能性、全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位功能，而且具有良好的抗干擾性和保密性。因此，GPS技術(shù)在大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、海洋測(cè)量、城市測(cè)量等測(cè)繪領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在物探測(cè)量工作中廣泛普及及應(yīng)用。對(duì)于物理點(diǎn)的放樣已經(jīng)不再僅僅是采用測(cè)角和量距，而是借助GPS導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)來(lái)確定地面點(diǎn)的準(zhǔn)確位置。隨著GLONASS系統(tǒng)、GALILEO系統(tǒng)以及中國(guó)的北斗系統(tǒng)逐步組網(wǎng)運(yùn)營(yíng)，綜合各大導(dǎo)航系統(tǒng)的多星系統(tǒng)接收機(jī)逐步替代了先前的GP

3、S定位的單一系統(tǒng)，其作業(yè)效率、定位精度、定位的穩(wěn)定性與可靠性都得到了大幅度的改善。二、衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展1957年10月4日，前蘇聯(lián)成功地發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星后，人們就開(kāi)始利用衛(wèi)星進(jìn)行定位和導(dǎo)航的研究，人類的空間科學(xué)技術(shù)研究和應(yīng)用跨入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，世界各國(guó)爭(zhēng)相利用人造地球衛(wèi)星為軍事、經(jīng)濟(jì)和科學(xué)文化服務(wù)。同時(shí)，衛(wèi)星定位技術(shù)在大地測(cè)量學(xué)的應(yīng)用也取得了驚人的發(fā)展，迅速跨入了一個(gè)嶄新的時(shí)代。（一）早期的衛(wèi)星定位技術(shù)衛(wèi)星定位技術(shù)是指人類利用人造地球衛(wèi)星確定測(cè)站點(diǎn)位置的技術(shù)。衛(wèi)星大地測(cè)量就是利用人造地球衛(wèi)星為大地測(cè)量服務(wù)的一門學(xué)科。它的主要內(nèi)容是在地面

4、上觀測(cè)人造地球衛(wèi)星，通過(guò)測(cè)定衛(wèi)星位置的方法，來(lái)解決大地測(cè)量任務(wù)，例如測(cè)定地面點(diǎn)的相對(duì)位置，測(cè)定地球的形狀和大小等。早期，人造地球衛(wèi)星僅僅作為一種空間觀測(cè)目標(biāo)，由地面上的觀測(cè)站對(duì)衛(wèi)星的瞬間位置進(jìn)行攝影測(cè)量，測(cè)定測(cè)站點(diǎn)至衛(wèi)星的方向，建立衛(wèi)星三角網(wǎng)。同時(shí)也可利用激光技術(shù)測(cè)定觀測(cè)站至衛(wèi)星的距離，建立衛(wèi)星測(cè)距三角網(wǎng)。通過(guò)這兩種觀測(cè)方法，均可以實(shí)現(xiàn)地面點(diǎn)的定位，也能進(jìn)行大陸同海島的聯(lián)測(cè)定位，解決了常規(guī)大地測(cè)量難以實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)距離聯(lián)測(cè)定位問(wèn)題，這是常規(guī)定位技術(shù)望塵莫及的。1966至1972年期間，美國(guó)國(guó)家大地測(cè)量局在英國(guó)和聯(lián)邦德國(guó)測(cè)繪部門的協(xié)作下，用衛(wèi)星三角測(cè)量方法測(cè)設(shè)了

5、一個(gè)具有45個(gè)測(cè)站點(diǎn)的全球三角網(wǎng)，獲得了±5m的點(diǎn)位精度。然而，由于衛(wèi)星三角測(cè)量受天氣和可見(jiàn)條件影響，觀測(cè)和成果換算需耗費(fèi)大量的時(shí)間，同時(shí)定位精度不甚理想，并且不能得到點(diǎn)位的地心坐標(biāo)。因此，衛(wèi)星三角測(cè)量技術(shù)成為一種過(guò)時(shí)的觀測(cè)技術(shù)，很快就被衛(wèi)星多普勒定位技術(shù)所取代。（二）衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)1958年12月，美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室和詹斯·霍普金斯（JohnsHopkins）大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室為了給美國(guó)海軍“北極星”核潛艇提供全球性導(dǎo)航，開(kāi)始研制一種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，稱之為美國(guó)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（NavyNavigationSatelliteSystem），簡(jiǎn)稱NNSS系統(tǒng)

6、。在這一系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星軌道面通過(guò)地極，所以又被稱為子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。1959年9月美國(guó)發(fā)射了第一顆實(shí)驗(yàn)性衛(wèi)星，到1961年11月，先后發(fā)射了9顆試驗(yàn)性導(dǎo)航衛(wèi)星。經(jīng)過(guò)幾年實(shí)驗(yàn)研究，解決了衛(wèi)星導(dǎo)航的許多技術(shù)問(wèn)題。從1963年12月起，陸續(xù)發(fā)射了由6顆衛(wèi)星組成的子午衛(wèi)星星座，1964年該系統(tǒng)建成并投入使用。該系統(tǒng)軌道接近圓形，衛(wèi)星高度為1100Km，軌道傾角為90°左右，周期約為107min，在地球表面上的任何一個(gè)測(cè)站上，平均每隔2h便可觀測(cè)到其中一顆衛(wèi)星。衛(wèi)星多普勒定位系統(tǒng)即美國(guó)海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，它由三部份組成：衛(wèi)星星座、地面跟蹤網(wǎng)和用戶接收機(jī)。地面跟蹤網(wǎng)

7、由跟蹤站、計(jì)算中心、注入站、海軍天文臺(tái)和控制中心五部份組成。它們的任務(wù)是測(cè)定各顆衛(wèi)星的軌道參數(shù)，并定時(shí)將這些軌道參數(shù)和時(shí)間信號(hào)注入到相應(yīng)的各顆衛(wèi)星內(nèi)，以便衛(wèi)星按時(shí)向地面播發(fā)。接收機(jī)是用來(lái)接收衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)、測(cè)量多普勒頻移、解譯衛(wèi)星的軌道參數(shù)，以測(cè)定接收機(jī)所在位置的設(shè)備。由于接收機(jī)都是采用多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行接收和定位的，所以也稱為多普勒接收機(jī)。1967年7月29日，美國(guó)政府宣布解密子午衛(wèi)星的部份導(dǎo)航電文而提供民用，由于衛(wèi)星多普勒定位具有經(jīng)濟(jì)、快速、精度較高、不受天氣和時(shí)間限制等優(yōu)點(diǎn)，只要能見(jiàn)到子午衛(wèi)星，便可在地球表面的任何地方進(jìn)行單點(diǎn)和聯(lián)測(cè)定位，從而獲得測(cè)

8、站的三維地心坐標(biāo)。因此，衛(wèi)星多普勒定位迅速?gòu)拿绹?guó)傳播到歐亞及美洲的許多國(guó)家。70