空间信息技术基础（韦娟）课件 第5章 全球定位系统

空间信息技术基础第一节导航系统第二节GPS定位原理第三节3S空间信息技术及GIS新技术第四节组合导航第五章全球定位系统1、什么是导航系统？早期的导航工作一般是由领航员完成的，随着科学技术的发展，现在越来越多地使用导航仪器，使其代替领航员的工作而自动地执行导航任务。自然，能实现导航功能的这种仪器、仪表系统也就叫做导航系统。导航系统：能够向航行体的操纵者或控制系统提供航行体的位置、速度、航向等即时运动状态的系统。一基本概念第一节导航系统2、导航系统的三个基本特征1）

导航系统首先应该是一套探测系统，我们必须要通过测量才能得到导航参数。当然许多我们感兴趣的导航参数是通过解算得到的，但是也必须先有观测值才能解算。2）导航系统必须是一套能执行测量功能的硬件设备。我们不可能凭空去测量导航参数，一定要有硬件形式的仪器、设备来执行测量功能。3）导航系统要有导航解算功能。原始观测值往往不能包含全部我们想要的导航参数，而且通常包含噪声。必须要由计算机按照一定的算法，消除噪声干扰，得到用户感兴趣的全部导航参数。一基本概念第一节导航系统3、导航系统的分类分类：自主式和非自主式导航系统。自主式：不依靠外界信息或不与外界发生联系，独立完成导航任务的导航系统。一基本概念特点：只用载体设备就能提供充分的导航信息，安全性很强，是导航技术发展的一个方向。种类：常用的有惯性导航系统（INS—InertialNavigationSystem）、天文导航（CNS—ChronometerNavigationSystem）、航位推算法（DR—DeadReckoning）等。

第一节导航系统自主式导航系统非自主导航就是指无线电导航，一般由导航台和装在运载体上的导航接收设备组成，二者用无线电波相联系。根据导航台设在陆上或是设在卫星上，相应的分别称为陆基导航系统和星基导航系统（卫星导航系统），总称为无线电导航系统。陆基系统有罗兰－C（Loran－C）、奥米伽（Omega）、塔康（Tacan）、夫尔（Vor）、测距仪（DME）等。星基系统有子午仪（Transit）、GPS、GLONASS、GALILEO及我国的“北斗”双星导航系统等。

分类：自主式和非自主式导航系统。非自主式：必须有地面设备或依靠其他外部信息才能完成导航任务的就是非自主式导航系统。第一节导航系统1、人类导航定位技术的发展

StoneAgeStarAgeRadioAgeSatelliteAgeStone定位第一节导航系统二导航系统概述人类导航定位技术的发展StoneAge：航标方法（目视方法），这是一种借助于信标或参照物把运动物体从一个地点引导到另外的地点。在飞机进场着陆时，这种方法仍在使用，经验性很强。StarAge：天文导航，通过对天体精确地定时观测来定位的一种方法，目前仍广泛用在航海和航天，特别是星际航行中。它的缺点是误差累积及受时间和气象条件的限制，定位时间长，操作计算比较复杂。RadioAge：通过测量无线电波从发射台到接收机的传输时间来定位的一种方法，也可以通过测量无线电信号的相位或相角来定位。第一节导航系统2、全球定位系统的发展

GlobalPositioningSystem

（全球定位系统）

1）GPS前远程导航和定位使用的方法

a.无线电导航系统（用无线电波作信号）Ground-based)罗兰(Loran)-c系统——工作频率100kHz，脉冲相位双曲线定位，三个地面导航台组成，工作区域2000km，定位精度200m-300m，精度与距离有关。Omega导航系统——工作频率十几千赫相位双曲线定位八个地面导航台可复盖全球精度几英里需庞大的发射天线和地网.多普勒(Doppler)导航系统利用多普勒效应引导飞行器飞行的自主式导航系统.(利用雷达回波的多普勒效应测量飞行器的地速和偏航角数据,并依据罗盘提供的航向数据,用专用计算装置解算即可确定飞行器运动参数和坐标).精度与航距有关。

第一节导航系统二导航系统概述Radio定位

b.天文导航系统以天空中星体作导航台,星光作导航信号的测角定位系统.设备要求高,误差较大,复盖区域非常广阔.便于宇宙飞行器定位.

c.惯性导航系统自主式,利用物体惯性确定飞行器或舰船的运动参数和坐标.

依靠惯性敏感元件感测飞行器运动加速度,将加速度一次积分得速度,二次积分得到运动距离即位置.存在累积误差,随工作时间增加误差增大.(实用上常是二者或三者的结合)

惯性导航设备第一节导航系统二导航系统概述2）最早的卫星定位系统

(Space-based)

1957年，美国两位科学家在跟踪苏联的第一颗卫星时无意中发现，他们收到的无线电信号有多普勒频移效应，即卫星在飞近地面接收机时收到的无线电频率逐渐增高，飞远时则逐渐降低。科学家对这种现象认真研究后产生灵感，卫星的轨道可由地面站测得的多普勒频移曲线确定，若知道卫星的精确轨道，不就能确定地面接收机的位置了吗？从此，一种先进的导航技术--卫星导航悄然兴起。第一节导航系统二导航系统概述美国的子午卫星定位系统(TRANSITSYSTEM)美国的子午卫星导航系统(NNSS)或称子午仪系统(Transit)（海军卫星导航系统），1958年开始研制,1964年正式投入使用.为美北极星核潜艇导航用.

不采用测距方法.而是利用卫星运行引起的多普勒频移作计算.5∽6颗卫星(高1000km),从地面站观测卫星的时间平均为1.5h,不能提供连续的实时三维导航,精度也不算高.

上世纪70年代部分导航电文解密交付民用.极限精度0.5∽1m.1965年,前苏联也开始建CICADA卫星导航系统,12颗卫星.第一节导航系统二导航系统概述3）全球定位系统的建立

a.1973年美国开始研制新的卫星导航系统NAVSTAR/GPS(卫星测时测距/全球定位系统NavigationSatelliteTimingAnd

Ranging/GlobalPositioningSystem)至1994年完成.

提供高精度.可连续.实时的导航定位,能同时提供用户的三维坐标,三维速度分量和精确定时.21+3颗卫星（平均高度20200km）,分布于6个轨道面上,轨道面倾角55º,卫星运行周期11小时58分,载波频率1575MHz、1227MHz,地表任何位置任何时间能平均观测到6颗卫星.第一节导航系统二导航系统概述b.前苏联1982-1996完成GLONASS

系统：24+1颗卫星，3个椭圆轨道面,高度19100km.c.其他系统:NAVSAT(欧空局)INMARSAT(国际移动卫星组织)GalileoGNSS(欧盟国际民航组织)3、GLONASS系统

中高轨道的24颗卫星星座

21颗工作星和3颗备份星均匀分布在3个圆形轨道平面上每轨道面有8颗轨道高度19000公里运行周期11小时15分倾角64.8度

位置定位精度约为30米与GPS的定位精度相当第一节导航系统二导航系统概述第二阶段：2007年4月14日，又一颗北斗导航卫星(COMPASS-M1)在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭发射成功，标志着我国已拥有了自主完善的第一代卫星导航这位系统，该系统就是一个有源导航定位与通讯系统。2009年4月15日零时16分，中国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭，成功将第2颗北斗导航卫星送入预定轨道。

我国为了满足国民经济和国防建设的需要，特别是为了克服对美国GPS导航定位系统的过度依赖。根据我国的国情，陈芳允院士于1983年提出了建设自己的双静止卫星导航定位系统的设想，经过十几年的论证与研制，于2000年10月和12月分别成功发射了两颗“北斗”导航定位卫星，2003年5月发射了第三颗“北斗”导航备份卫星。4、北斗导航系统第一节导航系统二导航系统概述第三颗，2010年1月17日0时12分

第四颗，2010年6月2日晚23时53分

第五颗，2010年8月1日5时30分

第六颗，2010年11月1日10时26分

第七颗，2010年12月18日凌晨4时20分

第八颗，2011年4月10日4时47分

第九颗，2011年7月27日5时44分2018年12月27日下午，中国宣布自主研发的北斗三号卫星系统开始提供全球定位服务，比之前的计划提早了两年。此前建成的北斗一号、北斗二号卫星系统，已先后应用于中国国内和亚太地区的定位服务。2020年7月31日上午，北斗三号全球卫星导航系统正式开通。基本组成北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星组成。地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施。用户段包括北斗及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统与应用服务等。4、北斗导航系统第一节导航系统二导航系统概述4、北斗导航系统北斗系统的特点一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。二是北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。三是北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。第一节导航系统二导航系统概述工程建设方面

（1）空间段实现全球组网。当前，北斗一号系统已退役；北斗二号系统15颗卫星连续稳定运行；北斗三号系统正式组网前，发射了5颗北斗三号试验卫星，开展在轨试验验证，研制了更高性能的星载铷原子钟（天稳定度达到10-14量级）和氢原子钟（天稳定度达到10-15量级），进一步提高了卫星性能与寿命；成功发射了19颗组网卫星（其中，18颗中圆地球轨道卫星已提供服务，1颗地球静止轨道卫星处于在轨测试状态），构建了稳定可靠的星间链路，基本系统星座部署圆满完成。

第一节导航系统二导航系统概述（2）地面段实施了升级改造。北斗三号系统建立了高精度时间和空间基准，增加了星间链路运行管理设施，实现了基于星地和星间链路联合观测的卫星轨道和钟差测定业务处理，具备定位、测速、授时等全球基本导航服务能力；同时，开展了短报文通信、星基增强、国际搜救、精密单点定位等服务的地面设施建设。

系统运行方面（1）健全稳定运行责任体系。完善北斗系统空间段、地面段、用户段多方联动的常态化机制，完善卫星自主健康管理和故障处置能力，不断提高大型星座系统的运行管理保障能力，推动系统稳定运行工作向智能化发展。（2）实现系统服务平稳接续。北斗三号系统向前兼容北斗二号系统，能够向用户提供连续、稳定、可靠服务。（3）创新风险防控管理措施。采用卫星在轨、地面备份策略，避免和降低卫星突发在轨故障对系统服务性能的影响；采用地面设施的冗余设计，着力消除薄弱环节，增强系统可靠性。第一节导航系统二导航系统概述系统运行方面（4）保持高精度时空基准，推动与其他卫星导航系统时间坐标框架的互操作。北斗系统时间基准（北斗时），采用国际单位制秒为基本单位连续累计，不闰秒，起始历元为2006年1月1日协调世界时（UTC）00时00分00秒。北斗系统采用北斗坐标系（BDCS），采用2000中国大地坐标系（CGCS2000）的参考椭球参数，对准于最新的国际地球参考框架（ITRF），每年更新一次。（5）建设全球连续监测评估系统。统筹国内外资源，建成监测评估站网和各类中心，实时监测评估包括北斗系统在内的各大卫星导航系统星座状态、信号精度、信号质量和系统服务性能等，向用户提供原始数据、基础产品和监测评估信息服务，为用户应用提供参考。第一节导航系统二导航系统概述5、欧盟GALILEO系统◆中高地球轨道星座◆30颗MEO卫星◆3个轨道平面◆27颗工作，3颗热备份◆轨道倾角56度◆轨道高度23616公里◆可选方式MEO+GEO星座构型◆提供通讯能力第一节导航系统二导航系统概述1．定位方法分类

按参考点的不同绝对定位(单点定位)——在地球协议坐标系统中确定观测站点相对于地球质心的位置.

相对定位——在地球协议坐标系统中确定观测站点与某一地面参考点之间的相对位置.

按用户接收机天线在测量中的状态

静态定位——定位过程中天线位置固定,处于静止状态.

动态定位——天线处于运动状态.一、定位原理概述第二节定位原理3.定位原理

基本定位原理：卫星不间断地发射自身的星历参数和时间信息,用户接收后解算,求出三维位置,方向,速度和时间信息.(利用测距交会法—三角法)

每颗卫星信号可跟踪唯一的编码序列，接收机可识别相关卫星进而计算确切位置和时间.

测出每颗可视卫星信号从卫星到用户天线的传播时间，乘以电波传播速度即可算出卫星到用户天线的距离.一、定位原理概述第二节

定位原理

(xi-xn)2+(yi-yn)2+(zi-zn)2=(Ri-CB)2

i=1,2,3,4

式中

Ri

伪距离

xi,yi,zi

卫星位置

xn,yn,zn

用户位置

CB

距离校正量伪距

计算公式:Ri=c*tic光速

ti信号从某卫星到接收机所用时间

联立解这四个方程即可获得结果（接收机时钟偏差也是未知数）根据用户移动时测得的卫星载波频率的多普勒频移可测出用户的移动速度.二、定位原理第二节GPS定位原理相对定位

两个或多个测站同步观测相同卫星动态相对定位——一台接收机不动，另一台移动，同步观测卫星以确定运动点相对于参考点的位置。静态相对定位——接收机位置不变,可重复观测，得到多余数据，以提高精度.二、定位原理第二节

定位原理根据定位模式：单点定位、相对定位、差分定位单点定位（绝对定位）：绝对定位是以地球质心为参考点，测定接收机天线在协议地球坐标系中的绝对位置。该定位模式在船舶、飞机的导航，地质矿产勘探，暗礁定位，建立浮标，海洋捕鱼及低精度测量领域应用广泛。静态绝对定位示意图三、

定位方法分类第二节

定位原理相对定位：确定测站与某一地面参考点之间的相对位置。

确定同步跟踪相同的卫星信号的若干台接收机之间的相对位置的方法。可以消除许多相同或相近的误差（如卫星钟、卫星星历、卫星信号传播误差等），定位精度较高。但其缺点是外业组织实施较为困难，数据处理更为烦琐。

在大地测量、工程测量、地壳形变监测等精密定位领域内得到广泛的应用。

三、

定位方法分类第二节GPS定位原理差分定位：用两台接收机，将一台接收机安设在基准站上固定不动，另一台接收机安置在运动的载体上，两台接收机同步观测相同的卫星，通过在观测值之间求差，以消除具有相关性的误差，提高定位精度。

运动点位置是通过确定该点相对基准站的相对位置实现的。

差分技术很早就被人们所应用。其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数三、

定位方法分类第二节

定位原理单差观测值可消除与卫星有关的载波相位及钟差项,双差观测值可消除与接收机有关的载波相位及钟差项,三差观测值可消除与卫星及接收机有关的初始观测量整周模糊度项.

根据定位时接收机天线的运动状态：静态定位：如果在定位过程中，用户接收机天线处于静止状态，或者更明确地说，待定点在协议地球坐标系中的位置，被认为是固定不动的，那么确定这些待定点位置的定位测量就称为静态定位。静态定位仅需使用一台接收机，速度快，灵活方便，且无多值性问题等优点。静态定位主要应用于测定板块运动、监测地壳形变、大地测量、精密工程测量、地球动力学及地震监测等领域。静态绝对定位示意图三、

定位方法分类第二节

定位原理根据定位时接收机天线的运动状态：动态定位：如果在定位过程中，用户接收机天线处在运动状态，这时待定点位置将随时间变化。确定这些运动着的待定点的位置，称为动态定位。主要应用于飞机、船舶和陆地车辆等运动载体的导航中。三、

定位方法分类第二节

定位原理根据定位时效：实时定位：在用户站接收到

卫星信号的同时计算出定位结果。事后定位：在测后进行有关的数据处理，求得用户站的定位结果。测距交会法是常用的定点方法空间距离后方交会

(无线电导航定位卫星激光测距定位GPS卫星定位)

巳知三个以上卫星的空间位置可以交会出地面用户接收机位置,巳知三个以上地面控制站位置可以交会出卫星位置.

用户接收机在某一时刻同时接收到三颗以上卫星信号,测量出天线至三颗卫星距离,解算该时刻卫星空间坐标,据此交会解算测站位置.

实时测距实时解算卫星坐标(静态/动态绝对/相对)四、测距交会法第二节定位原理第三节空间信息技术及GIS新技术

3S技术（RemoteSensingRS）、地理信息系统（GeographicalinformationSystem

GIS）、全球定位系统（GlobalPositioningSystemGPS）现代信息技术与空间分析研究的主要技术手段和发展方向。广义的3S技术包括空间信息获取、传感器和信息探测、图形图像处理、空间定位、动态监测、信息管理与存储、预测评价与决策分析等。遥感(RemoteSensing)，通常是指通过某种传感器装置，在不与研究对象直接接触的情况下，获得其特征信息，并对这些信息进行提取、加工、表达和应用的一门科学技术。第三节3S空间信息技术及GIS新技术3S集成概念GPS是空间实体快速、精密定位的现代化工具

GIS是空间信息集成、分析、处理的有力武器RS是空间信息覆盖面最大最迅速的采集手段

随着科学技术的发展，3S以其各自的技术特点日趋紧密结合，在资源与环境动态监测与趋势预报，重大自然灾害监测与预警以及灾情评估与减灾对策的制定，城市及经济开发区的规划、开发与管理等方面，有着广阔的应用前景。RS和GPS向GIS提供或更新区域信息以及空间定位GIS进行相应的空间分析，综合集成RS和GPS提供的海量数据

RSGPSGIS几何配准、辅助分类等提供或更新区域信息提供或更新空间定位定点查询专题信息几何校正、训练区选择及分类验证等提供定位遥感信息查询第三节空间信息技术及GIS新技术3S相互作用GIS与遥感结合的必要性GIS与RS结合1）RS是GIS重要的数据源，有效的数据更新手段（1）遥感手段能够迅速、准确、综合性地大范围地采集环境和资料数据（2）遥感数据具有多光谱和的动态多时相特点（3）为GIS数据更新提供了全方位的手段和动态数据源2）GIS可为遥感分析提供有用的辅助信息和手段（1）有助于提高遥感数据自动分类的精度（2）为遥感应用分析提供一个良好的环境（3）有助于提高遥感信息识别的精度和效率

第三节空间信息技术及GIS新技术GIS与遥感结合的途径

GIS与RS结合发展一个能综合处理矢量和栅格数据的矢栅一体的GIS通过国际标准的空间数据交换格式作中间媒介、相互转换通过GIS与遥感系统间建立接口，实现格式转换与数据传送

第三节空间信息技术及GIS新技术

GIS与RS的结合应用

GIS中的数据包括：①地理背景信息(外业测量数据、摄影测量数据、现有地图和各种遥感图像)②资源与环境数据(各种专题图，科研分析成果，各种图形和图表，航天、航空图像的解译成果)③社会经济信息(人口普查、国民收入情况、工业分布及土地利用分类图表等)第三节空间信息技术及GIS新技术RS与GIS的关系：①GIS是遥感图像处理和应用的技术支撑，如遥感图像的几何配准、专题要素的演变分析、图表输出等。②RS图像则是GIS的重要信息源。如向GIS提供最现实的基础信息，利用遥感立体图像可自动生成DEM，为GIS提供地形信息。通过数字图像处理、模式识别等技术，对航天遥感数据进行专题制图，以获取专题要素的基本图形(点、线、面)数据及属性信息，为GIS提供图形信息。目前较典型的RS与GIS一体化的软件有：美国军用工程公司建筑工程研究所等单位研制的地理资源分析支持系统(GRASS系统)中国科学院遥感应用研究所研制的微机地学和遥感应用管理系统(GRAMS系统)美国Intergraph公司研制的MGE系统(ModularGISEnvironment)这些一体化软件集地理信息系统与遥感图像处理等技术为一体，共同完成对包括遥感影像在内的地学空间信息的采集、存贮、管理、查询、分析和多种方式输出表的任务，并且具有多种数据结构并存、功能齐全、使用方便、可移植性强等特点。

RS与GIS内在的紧密关系决定了两者的必然结合。主要应用在地形测绘,DEM数据自动提取、制图特征提取、提高空间分辨率和城市与区域规划以及变化监测等方面。第三节空间信息技术及GIS新技术

GIS与RS的结合应用

GIS与GPS集成的系统结构模型

GIS与GPS结合第三节空间信息技术及GIS新技术GIS与GPS结合的形式1．单台移动式在用户设备上直接配备GIS工具软件，把接收机天线接收的定位数字信号直接馈入GIS系统，由GIS系统对接收机定位信息进行处理并与其数字地图匹配，这样即可全世界实时显示接收机天线位置；GIS与GPS结合第三节空间信息技术及GIS新技术2．集中监控式1）控制中心，由大屏幕计算机、无线电台、通讯适配器、电源和天线系统组成，并配备GIS。2）基站，由电台、通讯适配器、电源和天线系统组成。3）移动站（即车载系统），由电台、天线、通讯适配器和GPS接收机组成。1、黄冈地区运金车GPS实时监控系统系统影响因素:由于黄冈地区地理位置特殊，从无线通信技术角度讲，有三大不利因素：1）大山遮挡、通信死角多；2）与三省交界，频率协调难；3）跨区范围大，通信质量难以保证。需解决的关键问题:

为解决以上问题，在硬件和软件技术上要妥善解决：1）移动数据通信的抗多径衰落、抗多普勒频移、抗阴影衰落能力（空间分集、时间分集、优良的调制方式、纠错编码等多种技术的综合采用）；2）常规电台的高速数据传输，速率为16kbps；3）常规电台收发转换时间控制在5ms以下；4）多基站系统的网络结构设计；5）移动站的自动漫游及自动越区；6）无线多址技术及效率。GIS与GPS结合第三节3S空间信息技术及GIS新技术1、黄冈地区运金车GPS实时监控系统系统的网络结构:

"运钞车卫星定位监控系统"采用多基站集中监控方式的系统（4个基站），覆盖范围除黄冈地区9个县市外，武汉、鄂州、黄石也在视野之内GIS与GPS结合第三节空间信息技术及GIS新技术1、黄冈地区运金车GPS实时监控系统系统主要功能:1）移动站具有数、话兼容功能，既能传输GPS定位数据，又能进行无线与有线、无线与无线间的语音通讯；2）车辆监控、调度；3）误码率从10-2纠正到10-5；4）报警信息具有优先权，响应时间小于3.5sec；5）移动站的传输周期为21sec，即每隔21sec传输一次GPS定位信息；6）自组织网络，路由自动选择，自动中继；7）综合采用TDMA和CSAM两种介质访问方式，使天线信道的利用率大大提高；8）采用多媒体技术，使指挥中心的操作界面十分友善；9）电子地图具有放大、缩小，自动跟踪平移，运行轨迹保存再现及道路添加功能；10）系统定位精度不低于30米，处理能力每秒20辆车。GIS与GPS结合第三节空间信息技术及GIS新技术1、黄冈地区运金车GPS实时监控系统主要技术指标:1）系统容量500辆车；2）天线信道频450MHz；3）信道带宽25KHz；4）调制方式GMSK(高斯滤波最小移频键控法

)；5）多址协议：预约TDMA；6）数据链路规程HDLC(高级数据链路控制HighLevelDataLinkControlprotocol)；7）数据接口RS-232；8）信道编码：R-S码（名组码）；9）纠错方式：FEC；10）抗衰落技术GM-SK调制、交织、空间分集、纠错编码。

该系统自1995年8月投入服役于刑警队伍以来，运行情况与设计目标吻合GIS与GPS结合第三节空间信息技术及GIS新技术第三节空间信息技术及GIS新技术数字地球的基本概念1998年1月31日,美国副总统阿尔·戈尔在加利福尼亚科学中心的讲演中正式提出了“数字地球”(DigitalEarth)的概念.他说:“我相信我们需要一个‘数字地球’,即一种可以嵌入海量地理数据﹑对我们星球所做的多分辩率﹑三维的描述方式.戈尔对“数字地球”的设想和描述:

设想一位女孩去本地的博物馆参观数字地球展览,在带上显示头盔后,她看见地球从太空中出现,使用数据手段放大电子图象;随着分辨率的不断提高,她看见了大陆,然后是乡村﹑城市,最后是私人住房﹑树木和其它天然