第10章 导航定位技术与地理信息系统
卫星导航与地理信息系统
卫星导航与地理信息系统在现代社会的越来越多的领域中，卫星导航和地理信息系统（GIS）被广泛应用，以提供精确的位置信息和空间数据。
卫星导航系统利用卫星和地面接收器的配合来确定地球上的位置，而地理信息系统则负责捕捉、存储、处理、分析和展示地理空间数据。
两者的结合已经在交通、农业、环境保护、灾害管理等领域展示出巨大的潜力和实际作用。
卫星导航是通过人造卫星发射信号来确定地球上的位置，目前最常用和最知名的卫星导航系统是全球定位系统（GPS）。
GPS是美国政府开发的一套卫星导航系统，通过至少四颗工作卫星以及地面控制站来提供高精度的定位服务。
GPS已经成为了人们日常生活中不可或缺的一部分，广泛应用于导航、车辆监控、门禁系统、物流追踪等各个领域。
地理信息系统是一种用于收集、存储、处理、分析和展示地理空间数据的技术系统。
GIS可以将不同的空间数据集成在一起，同时提供多种数据展示方式，比如地图、统计图表等，帮助用户更好地理解地理现象和关系。
通过GIS，用户可以进行地理分析、规划和决策支持，大大提高了工作效率和精确度。
现代的GIS软件已经非常智能化，不仅可以处理静态的地理数据，还可以根据实时数据进行动态的分析和预测。
卫星导航和地理信息系统的结合为人们带来了更多的便利和可能性。
首先，卫星导航系统为地理信息系统提供了精确的位置信息，使得地理数据更加可靠和准确。
其次，地理信息系统可以利用卫星导航系统的定位信息对地理数据进行空间分析和可视化呈现，帮助用户更好地理解和利用数据。
最后，卫星导航和地理信息系统的协同应用在许多领域展示出了巨大的潜力。
在交通领域，卫星导航和地理信息系统的结合已经成为了车辆导航和交通管理的基础。
通过卫星导航系统，驾驶员可以准确地找到目的地，避免迷路和拥堵。
同时，地理信息系统可以实时提供道路情况、交通事件等信息，帮助用户更好地规划出行路线，并进行交通优化管理。
这在城市交通拥堵和车辆管理方面具有重要意义。
农业领域也是卫星导航和地理信息系统的重要应用领域之一。
全球定位系统技术在地理信息系统中的应用
全球定位系统技术在地理信息系统中的应用一、GPS技术的概述全球定位系统（GPS），是由美国发起和控制的卫星导航系统。
GPS系统由一组24颗卫星、地面控制站和用户设备组成，能够提供全球覆盖的三维导航和定位服务。
GPS技术的普及和发展在工程、农业、测绘、航空、航海、安全等领域中得到广泛应用。
二、GPS在地理信息系统中的应用GPS在地理信息系统（GIS）中发挥着重要作用。
GIS会从用户收集的经纬度和高程数据中生成空间特定的分析和地图结果。
地图缩放、添加地形、建筑物、路线规划和交通管制等操作需要依赖GPS技术。
1. 位置和导航GPS系统提供了位置、方向和速度信息，可用于导航和路线规划。
GPS技术还广泛应用于自动驾驶汽车、持续监控和地理信息采集等领域。
2. 动态空间数据收集GIS需要广泛应用于实时数据，GPS提供了在特定时间和位置的动态空间数据，为GIS提供实时更新和监视服务。
GIS会从传感器采集的实时数据，并将其与GPS数据结合使用，从而生成实时地图。
3. 卫星影像高分辨率卫星影像可以用来对以下方面进行测量：土地利用变化、城市化和气候变化。
GPS技术能够通过将移动设备与卫星连接，准确的记录卫星影像NBV（nadir视图角）。
4. 土地测量和其他测量领域的应用GPS测量技术在土地测量、建筑测量、道路测量和水文测量领域中得到了广泛应用。
精确的距离、方向、速度和位置数据能够对地形地貌进行精细的测量。
5. 3D可视化GPS系统提供了被三维测量仪所控制的精确测量数据，这些数据还可以用于三维可视化，提供更为直观的结果，并且允许用户在3D场景中进行导航，建立VR模型和实现颜色定量显示。
三、结论在GIS领域中，GPS技术的应用得到了广泛的应用。
通过捕获现场GPS位置数据，GIS能够生成精确的地图、可视化和实时监测，满足各种空间分析和地理信息系统需求。
借助GPS技术，GIS便可以在短时间内完成数据采集、测量、制图等工作，大大提高了生产率，降低了运营成本，因此，未来在GIS领域的 GPS 技术发挥着重要作用。
地理信息系统知识：地理信息系统与全球定位系统
地理信息系统知识：地理信息系统与全球定位系统地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）是一种能够采集、存储、处理、分析、显示地理数据的计算机系统。
它是由计算机硬件、软件、数据、人员等构成的一整套系统，并利用所获取的信息和数据为决策者提供必要的信息支持。
GIS的应用范围很广，涵盖了各个领域，如土地利用规划、城市规划、环境监测、资源勘探、交通运输、电力供应、管理决策等等。
在现代社会中，GIS已成为重要的基础设施。
全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）是一种利用人造卫星提供的精确三维坐标信息，来确定地球上任意位置的系统。
GPS系统主要由卫星组成，卫星上装载有高精度的时钟和频率标准，在运行过程中不断发射出时间和信号，GPS接收机可以接收并解码这些信息并计算出用户的位置信息、速度信息和时间信息。
GPS系统在军事、民用、科学等领域都有广泛应用，在车辆导航、手机定位、运动跟踪等应用方面也得到了迅速的普及。
GIS和GPS在许多方面具有互补性。
GIS系统可以使用GPS系统收集的空间数据进行更新和维护。
同时，由于GPS数据可以提供准确的坐标信息，因此可以增强GIS系统对空间数据的定位精度和准确性。
例如，在城市规划和建设中，GIS系统可以利用GPS数据进行精确测量和定位，从而更好地确定道路、建筑物、地形地貌等空间要素位置。
另外，GIS和GPS结合在环境监测和资源勘探领域也有广泛应用。
通过GPS系统可以实现对监测点的精确定位，利用GIS系统能够从海量的监测数据中提取有用的信息并进行分析处理，从而帮助决策者制定相应的环境保护和资源开发方案。
对于普通用户来说，利用手机或手持GPS设备可以轻松获取所在位置的经纬度等信息，但这些数据的实际应用价值不太高。
而将GPS 和GIS结合起来，可以创建更加复杂、精确和有用的空间数据模型，并且利用这些空间数据模型来实现更好的分析、查询和决策功能，例如实现基于地点的推荐系统。
地理信息系统与全球定位技术
地理信息系统与全球定位技术地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）和全球定位技术（Global Positioning System，简称GPS）是现代科技中的两项重要技术。
它们的结合应用在各个领域中，为我们的生活带来了巨大的便利和发展机遇。
首先，我们来了解一下地理信息系统。
地理信息系统是一种将地理空间数据与属性数据相结合的技术，通过对这些数据进行管理、分析和可视化处理，为决策者提供有效的信息支持。
它可以将地理空间数据以图像、表格等形式展现出来，帮助人们更好地理解和解决问题。
例如，在城市规划中，地理信息系统可以帮助规划师分析土地利用、道路交通等数据，优化城市规划方案；在环境保护中，地理信息系统可以监测和分析大气污染、水质状况等数据，为环境保护决策提供科学依据。
而全球定位技术则是一种通过卫星系统确定地理位置的技术。
全球定位系统由一组卫星、地面监控站和用户设备组成，它能够向用户提供准确的三维位置和时间信息。
全球定位技术广泛应用于导航、测绘、军事、交通等领域。
在导航方面，我们常用的汽车导航、手机导航等都是基于全球定位技术实现的；在测绘方面，全球定位技术可以高精度地测量地球表面的形状和地理坐标，为地理信息系统提供数据支持。
地理信息系统和全球定位技术的结合应用，为我们的日常生活带来了诸多便利。
比如，在出行方面，我们可以通过手机导航软件查找最佳路线，避免拥堵和迷路；在旅游方面，我们可以通过地图软件了解目的地的周边环境和景点，更好地规划行程；在购物方面，我们可以通过电子地图找到离自己最近的商店，减少时间和精力的浪费。
地理信息系统和全球定位技术的结合还在应急救援、资源管理、环境保护等方面发挥着重要的作用。
然而，地理信息系统和全球定位技术的应用也面临着一些挑战和问题。
首先，数据的质量和准确性是关键。
地理信息系统的准确性和可靠性取决于数据的质量，而全球定位技术的准确性则受到卫星信号的影响。
遥感第十章 遥感地理信息系统-与全球定位系统综合应用
2.2. 遥感技术(RS) 遥感是根据不同物体的电磁波特性不同的原理来探测地 表物体对电磁波的反射和其发射的电磁波，从而提取这些物 体的信息，完成远距离识别物体。遥感的实现还需要遥感平 台，譬如卫星、飞机、气球等，运载传感器。传感器会把这 些电磁辐射按照一定的规律转换为原始图像。原始图像被地 面站接受后，要经过一系列复杂的处理，才能提供给不同的 用户使用。遥感广泛应用于陆地水资源调查、土地资源调查、 植被资源调查、地质调查、城市遥感调查、海洋资源调查、 测绘、考古调查、环境监测和规划管理等领域。数字水利依 赖遥感技术主要有以下几个原因：
Agricultural applications
crop type classification crop condition assessment crop yield estimation mapping of soil characteristics mapping of soil management practices compliance monitoring (farming practices)
二、全球定位系统及其在3S技术中的作用
1. 2.
3.
全球定位系统: 空间定位系统的种类 全球定位系统 全球轨道导航卫星系统 双星导航定位系统 全球定位系统在3S技术中的作用
精确的定位能力
准确定时与测速能力
三、遥感技术及其在3S技术中的作用
1.
2.
GIS的数据源 利用遥感数据影象获取地面高程, 更新GIS高程数据
(3)通过遥感技术实时获取洪水情况，输出地图、图表。 (4)由于遥感技术能对下垫面进行详细分析，并可进行 逐项成因分析，直接利用卫星图像上获取的信息作为参数 来编制洪水预报方案。通过卫星或航天传感器系统的联合 应用，确定出地物覆盖分布，并与土壤、坡度等资料一起 转化成数字化格式存入GIS系统。 (5)遥感技术在水环境、干旱及土壤含水量实时监测， 以及防洪工程检查、河道清障等方面也大有用武之地。
全球定位系统与地理信息系统的集成研究
全球定位系统与地理信息系统的集成研究全球定位系统（Global Positioning System, GPS）和地理信息系统（Geographic Information System, GIS）是现代地理科学领域的两个关键技术，通过它们的集成研究，可以实现更精确的地理定位与空间数据管理。
本文将探讨全球定位系统与地理信息系统的集成研究，以及其在不同领域的应用。
一、全球定位系统（GPS）的基本原理和技术特点全球定位系统是美国国防部在20世纪70年代初开发的一种卫星导航系统，由一组卫星、地面控制站和用户终端设备组成。
其基本原理是通过卫星与地面接收站之间的信号传递，以及接收站与用户终端设备之间的通讯，实现对用户位置的精确测定。
GPS的技术特点主要包括以下几个方面：1. 基于卫星导航：GPS系统通过发射的卫星信号进行导航，使得定位信息具有全球范围。
2. 高精度测定：GPS系统能够实时测定用户的位置、速度和时间信息，具有高度的精确性。
3. 多模式导航：GPS系统可以同时支持单点定位、差分定位、动态定位等不同的导航模式，满足不同应用需求。
4. 即时更新：GPS系统的卫星数据会不断更新，以保持设备的定位准确性。
二、地理信息系统（GIS）的基本原理和技术特点地理信息系统是一种基于计算机科学和地理学原理的技术体系，用于收集、存储、管理、分析和展示地理空间数据。
其基本原理是将空间地理数据与属性数据进行关联，实现对地理现象的综合分析和展示。
GIS的技术特点主要包括以下几个方面：1. 空间数据管理：GIS系统可以对地理空间数据进行高效的管理和存储，实现对大量地理数据的组织和整合。
2. 空间分析功能：GIS系统可以对地理空间数据进行空间分析、网络分析、地理统计等操作，提供空间决策支持。
3. 数据可视化：GIS系统可以通过地图、图表、统计报告等形式，将地理数据以可视化的方式展示，提高数据的表达力和分析效果。
4. 多源数据集成：GIS系统可以集成来自不同来源的数据，如卫星遥感数据、地面测量数据、社会经济数据等，进行综合分析。
测绘技术中的导航与定位系统介绍及应用
测绘技术中的导航与定位系统介绍及应用导航与定位系统在现代测绘技术中扮演着重要的角色。
无论是在陆地、海洋还是空中，准确的导航与定位信息都是保障各种测绘工作的基础。
本文将介绍导航与定位系统的基本原理和常见应用。
一、导航与定位系统的基本原理导航与定位系统是通过卫星、无线电信号等方式来确定在三维空间中的位置和方向的技术。
其中最著名的就是全球卫星导航系统（GNSS），如美国的GPS、俄罗斯的GLONASS，以及正在建设中的中国北斗导航系统。
这些系统利用卫星、地面测量站和用户设备之间的复杂相互作用来提供精确的位置与导航信息。
卫星发射出信号，用户设备接收信号后通过计算信号的传播时间来确定距离，利用多颗卫星的信号交叉定位，就可以得到用户在地球上的具体位置。
二、导航与定位系统的应用1. 地理信息系统（GIS）地理信息系统是一种用于捕获、存储、管理、分析和展示各种地理数据的技术。
导航与定位系统通过提供精确的位置信息，成为GIS的重要组成部分。
它可以帮助定位不同地理要素的位置，如河流、山脉、道路等，并通过数据的叠加分析提供更加丰富的地理信息。
2. 无人驾驶无人驾驶技术是未来交通领域的热门发展方向。
导航与定位系统在无人驾驶中起着至关重要的作用。
通过实时获取车辆的位置信息，并结合地图数据和交通规则，无人驾驶系统可以自动规划并执行最优的行驶路线，实现自主导航和定位。
3. 航空与航海在航空与航海领域，导航与定位系统对于飞行器和船只的航行安全至关重要。
通过导航卫星的信号，航空器和船只可以精确定位，确保航行方向正确。
此外，导航与定位系统还可以提供高度、速度等重要信息，帮助飞行员和船长做出正确决策。
4. 精准农业导航与定位系统在农业领域的应用也日益普及。
通过卫星信号，农业机械设备可以精确定位，实现作业轨迹的记录和控制。
同时，结合其他传感器技术，导航与定位系统可以提供更加精确的作业数据，帮助农民进行精准施肥、测土配方等农业管理工作。
卫星导航与地理信息技术
卫星导航与地理信息技术卫星导航和地理信息技术是我们生活中不可或缺的一部分。
随着技术的不断发展和进步，这两种技术已经成为人们生活中的不可替代的工具和一项重要的产业。
卫星导航技术是现代科学技术领域的一个重要分支，它是一种基于卫星的导航体系，可以向世界各地提供全球的导航服务。
卫星导航有着非常广泛的应用，在军事、民用、商业等领域都有着重要的地位。
目前，全球最高水平的卫星导航系统是美国GPS系统（全球定位系统），它是由全球24颗卫星和一组地面控制设施组成的导航系统。
GPS系统的主要应用包括飞行导航、军事巡航、石油勘探等多个领域。
而地理信息技术也是一项非常重要的技术，在建筑、农业、交通等领域都有着广泛的应用。
地理信息技术是一种在地理空间信息采集、处理和分析的基础上，以数字化为手段开发和应用空间信息系统来研究地球现象及其地理规律的新技术。
地理信息技术的应用主要有：地理信息系统（GIS）、卫星遥感技术、全球定位系统（GPS）等。
尤其是GIS技术，它能够整合多种地理信息以及其他相关数据，进行分析和应用。
GIS技术的应用涉及了地图制作、土地利用规划、环境监测和管理、城市规划、交通运输等多个领域。
卫星导航和地理信息技术的结合，使得我们可以利用卫星定位功能获取位置和地理信息，再通过GIS等工具进行空间分析和探索。
例如，利用卫星数据可以得到地表温度、风速、气压等信息，然后将这些信息与其他数据整合，通过GIS技术进行空间分析，就可得出更加准确的对某个区域的分析、预测和规划。
这个过程既充分体现了卫星导航和地理信息技术的互补性，也提高了数据分析的准确性和可靠性。
同时，卫星导航和地理信息技术也在军事、安全等领域扮演着非常重要的角色。
例如，在军事行动中，卫星导航可以提供精确的定位和导航信息，帮助士兵更好地完成任务；而GIS技术则可以提供更加精确的地图信息和目标分析，有助于军队做出合理安排和决策。
卫星导航和地理信息技术的飞速发展并未停滞，人们对新技术和新应用的不断追求也促进了这两个领域的不断更新。
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GPS信号精度
(1)C/A码又被称为粗捕获码，精度为29.3m到2.93米。 (2) P(Y)码又被称为精码，精度为2.93米到0.293米。
2020/4/1
9
GPS系统的定位原理
每个太空卫星在运行时，任一时刻都有一个坐标值来代 表其位置所在(已知值)，接收机所在的位置坐标为未知值， 而太空卫星的信息在传送过程中，所需耗费的时间，可经由 比对卫星时钟与接收机内的时钟计算之，将此时间差值乘以 电波传送速度(一般定为光速)，就可计算出太空卫星与使用 者接收机间的距离，如此就可依三角向量关系来列出一个相 关的方程式。每接收到一颗卫星就可列出一个相关的方程式， 因此在至少收到三卫星后，即可计算出平面坐标(经纬度)值， 收到四颗则加上高程值，五颗以上更可提高准确度。
第十章 导航定位技术与 地理信息系统
第一节 卫星导航定位系统
一、全球定位系统（Global Position System，GPS）
GPS系统简介 1973年，美国国防部批准其海陆空三军联合研制新一代
卫星导航系统，即授时和测距导航卫星，或称全球定位系统 （ Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System, NAVSTAR/GPS） ，简 称 GPS系统 。 GPS系统采用延时测距的被动式导航体制，能够为地球表面 和近地空间的广大用户提供全天候、全天时、高精度的三维 位置、三维速度和一维时间的7维定位、导航和授时服务，用 户的数量没有任何限制。
( y1
y)2
(z1
z)2
]
1 2
c(t1
t)
1
[(x2
x)2
( y2
y)2
(z2
z)2
]
1 2
c(t2
t)
2
[(x3
x)2
( y3
y)2Leabharlann (z3z)2]
1 2
c(t3
t)
3
[(x4
x)2
( y4
y)2
(z4
z
)
2
]
1 2
c(t4
t)
4
• 定位参考标准——世界大地坐标（WGS84） • 定位需求——（x,y,z)
说明t1和t并不在 同一个标准下
（三卫星个坐标）
未知数增多
会增 加几 个？
时间差△t1=t1 — t
接收机钟面 时间
卫星钟面 时间
电离层、对流层等等 光速c
误差 ρ=c*△t
实际上， 1 2 cti ctk
ρ ——卫星与GPS接收机的几何距离； ρ′ ——伪距； δρ1——电离层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得； δρ2——对流层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得； δti ——第i颗卫星的钟差（卫星时间与理想GPS时间的差），可根据卫星星 历求得； Δtk ——接收机钟差（接收机时间与理想GPS时间的差，未知）。
S 2(x 2,y 2,z 2)
S1 (x 1,y 1,z 1)
ρ2
ρ1
ρ3
S 3(x 3,y 3,z 3)
P(x,y,z)
用距离交会的方法求解P点的三维坐标（x,y,z）的观测方程为：
i
[(x1
x)2
( y1
y)2
( z1
z)2
]
1 2
c t (含有各种误差)
理想状态下：
[(x1
x)2
3
GPS卫星轨道示意图
车载导航仪
GPS系统构成
（1）空间部分--GPS卫星星座：GPS卫星星座由24颗卫星组成。 （2）地面控制部分--地面监控系统：地面监控系统由均匀分布在美
国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、1个主控站和3个数 据注入站构成。 • 3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的3个美国军事基地 上。注入站的任务是将主控站计算出的卫星参数发送给卫星，同 时向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。 • 5个监测站分别设在主控站、3个注入站及夏威夷岛。监测站负责 对诸卫星进行连续跟踪和监视，测量每颗卫星的位置和距离差， 采集气象数据，并将观测数据传送给主控站进行处理，5个监控 站均为无人值守的数据采集中心。
1978年2月发射第一颗GPS卫星，1994年3月24颗卫 星构成的星座部署完毕，GPS系统正式建成，系统总共耗 资200亿美元。GPS开始时只用于军事目的，1994年，美 国宣布在10年内向全世界免费提供GPS使用权，但美国只 向外国提供低精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的 “后门”，一旦发生战争，美国可以关闭对某地区的信息 服务。它是利用分布在2万公里高空的多颗人造卫星，对 地面或接近地面的目标进行定位（包括移动速度和方向） 和导航的系统。具有在海、陆、空进行全方位实时三维导 航与定位能力。
5
（3）用户设备部分--GPS信号接收机：用户部分主要是GPS接收 机，接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构 成完整的GPS用户设备。
空间段
监测站
主控站
注入站
主控站：1个; 监测站：5个;注入站：3个; 通讯与辅助系统。
7
空间部分：卫星分布
24颗卫星分布在2万公里的太空； 每4颗卫星工作在同一轨道平面内，24颗卫星均匀分布 在6个轨道平面，彼此夹角为60； 轨道平面相对于赤道的倾角为55 ； 卫星离地面高度20200km； 12恒星时(11hr58min2.05s)绕地球一周； 地球上任何地方任何时刻同时可收到4颗以上GPS卫星 的信号。
15
GLONASS卫星定位系统示意图
组成GLONASS系统的卫星
三、欧盟“伽利略”(galileo)
1999年，欧洲提出计划，准备发射30颗卫星，组成“伽利略” 卫星定位系统。“伽利略”卫星定位系统将由30颗轨道卫星组成， 卫星的轨道高度为2.4万公里，倾角为56度，分布在3个轨道面上， 每个轨道面部署9颗工作星和1颗在轨备用星，其地面定位服务的 误差不超过1米，该系统的一些设计优于美国现有的GPS全球卫星 定位系统。欧盟于2002年正式批准伽利略计划，目标是建成一个 覆盖全球的卫星导航系统，但由于资金等原因，伽利略计划的进 展并不顺利，目前仅发射2颗卫星，今年该计划正式启动。伽利略 计划总共投资约33亿欧元，按照中国和欧盟15个国家以平等地位 参与合作的原则，中国将出资2亿欧元左右。
[(xi
x)2
( yi
y)2
( zi
z
)
2
]
1 2
i
[(xi
x)2
( yi
y)2
(zi
1
z)] 2
c(tk
ti )
i
1
2
(i=1,2,3,4)
二、俄罗斯“格洛纳斯” (GLONASS)
尚未部署完毕。始于上世纪70年代，需要至少18颗 卫星才能确保覆盖俄罗斯全境；如要提供全球定位服务， 则需要24颗卫星。上世纪90时代，系统所含卫星数量一 度达标，但由于经费短缺，部分失效卫星未获更新，最 严重时，仅只6颗卫星正常工作。目前，“格洛纳斯”导 航系统共有21颗卫星。轨道高度1万9000公里，运行周期 11小时15分，位置精度提高到10～15M，定时精度提高到 20～30NS，速度精度达到0.01M／S