地球科学概论续.docx

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地球科学概论续

地球科学概论

对地观测与地球信息学（续）

1全球卫星导航系统概况

1.全球导航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS）是一种空间无线电定位系统，包括一个或多个卫星星座，为支持预定的活动视需要而加以扩大，可为地球表面、近地表和地球外空任意地点用户提供24小时三维位置、速率和时间信息。

2.核心组成部分

A）全球定位系统（GPS）

B）全球轨道导航卫星系统，也即轨道导航系统（GLONASS）

3.卫星导航定位系统是在已知卫星在某一时刻的位置和速度的基础上，以卫星为空间基准点，通过测站的接收设备，测定测站至卫星的距离或多普勒频移等观测量来确定测站的位置和速度。

精确度误差可达几米到几厘米

4.卫星导航和定位的突出优点是经济实用

5.全球导航卫星系统接收机已微型化到仅有几条集成电路的程度，正变得非常经济

6.全球定位系统（GPS）和全球轨道导航卫星系统（GLONASS）本是为军事目的而开发的，在美国和俄罗斯联邦现仍为军方控制。

但这两个军事卫星导航系统已被免费提供给民用。

2GNSS主要系统

1.GPS

A）雏形

1）NNSS

a）1958年底，美国海军武器实验室委托霍布金斯大学应用物理实验室研究美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即海军导航卫星系统（NavyNavigationSatelliteSystem,NNSS），1964年1月研制成功，成为世界上第一个卫星导航系统。

由于该系统的卫星轨道均通过地极，因此又称为"子午卫星系统"（Transit）。

b）NNSS系统也存在着较大的缺陷，如，

1.卫星数目较少（约五个）而会出现卫星发送的无线电信号的突然间断；

2.观测所需等待卫星出现的时间较长（约35~100分钟）；

3.高精度定位虽然可以达到1米，但需要40次以上的卫星观测（数天），且需要使用精密星历；等等。

c）美国联邦无线电导航计划中已宣布终止该系统的研制与应用。

2）Timation/621-B

a）采用12~18颗卫星组成全球定位网，并于1967年5月31日和1969年9月30日分别发射了Timation-1和Timation-2两颗试验卫星。

b）美国空军提出了名为"621-B"的计划，采用3~4个星群覆盖全球，每个星群由4~5颗卫星组成。

3）考虑到这两个计划的优缺点以及军费负担等原因，1973年12月17日经美国代理国防部长批准了建立新的卫星导航定位系统计划。

1978年第一颗试验卫星发射成功，1994年顺利完成了24颗卫星的布设。

B）GPS：

全球定位系统（GlobalPositioningSystem）

1）该系统全称为"卫星授时与测距导航系统"（NavigationbySatelliteTimingandRangingGlobalPositioningSystem,NAVSTARGPS），简称全球定位系统（GPS）。

2）比其他系统优越的特点

a）全能性：

能在空中、海洋、陆地等全球范围内进行导航、授时和定位及测速。

b）全球性：

在全球的任何地点都可进行定位。

c）全天候：

白天黑夜都可以定位。

3）GPS是美国继阿波罗登月计划和航天飞机之后的第三大空间工程。

4）GPS计划实施共分三个阶段

a）第一阶段为方案论证和初步设计阶段。

b）第二阶段为全面研制和试验阶段。

从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星。

这一阶段称之为BlockI。

c）第三阶段为实用组网阶段。

1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，宣告了GPS系统进入工程建设阶段。

这种工作卫星称为BlockⅡ和BlockⅡA卫星。

5）GPS从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。

a）对舰船而言，它能在海上协同作战，在海洋交通管制、海洋测量、石油勘探、海洋捕鱼、浮标建立、管道和电缆铺设、海岛暗礁定位、海轮进出港引航等方面作出贡献。

b）对飞机而言，它可以飞机进场着陆、航线导航、空中加油、武器准确投掷及空中交通管制等方面进行服务。

c）在陆地上，可用于各种车辆、坦克、陆军部队、炮兵、空降兵和步兵等的定位。

可用于大地测量、摄影测量、野外考察和勘探的定位。

d）甚至进入到人们的日常生活中，例如，汽车、旅游、探险、狩猎等方面的定位。

e）在空间技术方面，可以用于弹道导弹的引导和定位、空间飞行器的精密定轨等。

2.GLONASS

A）全球轨道导航卫星系统（GLONASS）是前苏联研制建立的，1978年开始研制，1982年10月开始发射导航卫星。

自1982年至1987年，共发射了27颗GLONASS试验卫星。

B）该系统与GPS系统极为相似，由24颗卫星组成卫星星座（21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星），均匀地分布在3个轨道平面内。

卫星高度为19100km，轨道倾角为64.8°，卫星的运行周期为11时15分。

C）GLONASS是前苏联为满足授时、海陆空定位与导航、大地测量与制图、生态监测研究等建立的。

D）GLONASS提供两种导航信号：

标准精密导航信号（SP）和高精密导航信号（HP）。

3.ENSS及北斗导航系统

A）继美国GPS、俄罗斯GLONASS之后，许多国家和地区都在尝试建立自己的卫星导航系统，其中最引人注意的是欧盟的欧洲导航卫星系统（ENSS）即伽利略计划。

该计划总的战略意图是：

1）建立一个高效经济的民用导航及定位系统；

2）使之具备欧洲运输业可以信赖的高度安全性，且确保任何未来系统完全置于欧洲人的控制之下。

B）欧盟在1999年2月首次提出"伽利略"计划。

计划分成四个阶段：

1）论证阶段，时间为2000年；

2）系统研制和在轨确认阶段，包括研制卫星及地面设施，系统在轨确认，时间为2001年至2005年；

3）星座布设阶段，包括制造和发射卫星，地面设施建设并投入使用，时间为2006年至2007年；

4）运营阶段，从2008年开始。

C）"北斗导航系统"是全天候、全天时提供卫星导航信息的区域导航系统，此系统由二颗卫星、控制站和接收机组成，卫星编号分别为"北斗一号"和"北斗二号"，分别于2000年10月31日凌晨0时02分和2000年12月21日0时20分在西昌卫星发射中心发射升空，并准确进入预定轨道。

这标志着中国将拥有自主研制的第一代卫星导航定位系统。

"北斗导航系统"是主动定位系统。

1）备用卫星于2003年5月25日发射。

2）定位精度可达数十纳秒的同步精度，与GPS相当。

3）北斗导航系统的用户设备容量是有限的。

GPS则是无限的。

4）是"北斗一号"对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在控制中心而不是由用户设备完成的。

为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。

而"北斗一号"系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。

5）该系统的实时性比GPS稍差，原因是用户的定位申请要送回中心控制系统。

6）"北斗一号"卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。

3GNSS的分类

1.按用户是否发射信号

A）无源系统

GPS、GLONASS都是属于被动式卫星导航系统。

由于用户不发射信号，所以隐蔽性好，且用户数量不受限制。

但卫星设备和用户设备都较复杂。

B）有源系统

用户设备要同时发射和接收信号，隐蔽性不好，但卫星设备和用户设备较简单。

2.按测量的参数分类

A）测距导航系统

1）可分为无源测距和有源测距

2）测距的方法有电磁波测距和激光测距两种。

激光测距比电磁波测距精确，但成本高，因而使用较少。

B）测距离差导航系统

C）卫星多普勒导航系统

D）测角导航系统

E）混合系统

3.按运行轨道高度分类

A）低轨道（近地轨道）900~2700km

B）中高轨道13000~20000km

C）同步轨道36000km

4.按是否连续定位分类

A）连续定位

B）间断定位

5.按工作区域分类

A）全球覆盖系统

B）区域覆盖系统（北斗导航卫星是区域覆盖系统，覆盖我国本土）

4GPS系统的组成

1.GPS卫星/空间部分

A）接收和存储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；

B）卫星上设有微处理机，进行部分必要的数据处理工作；

C）通过星载的高精度铷钟、铯钟产生基准信号和提供精密的时间标准；

D）向用户发送导航定位信号；

E）在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态和启用备用卫星。

2.地面监控系统/地面监控部分

A）在导航定位中，首先必须知道卫星的位置。

而位置是由卫星星历计算出来的。

地面监控系统测量和计算每颗卫星的星历，编辑成电文发送给卫星，然后由卫星实时地播送给用户。

这就是卫星提供的广播星历。

B）工作卫星的地面监控系统包括：

1个主控站、3个注入站和5个监测站

C）主控站拥有大型电子计算机，用作为主体的数据采集、计算、传输、诊断、编辑等设备。

它完成下列功能：

1）采集数据：

主控站采集各个监测站所测得的伪距和积分多普勒观测值、气象要素、卫星时钟和工作状态的数据，监测站自身的状态数据，以及海军水面兵器中心发来的参考星历。

2）编辑导航电文：

根据采集到的全部数据计算出每一颗卫星的星历、时钟改正数、状态数据以及大气改正数，并按一定的格式编辑为导航电文，传送到注入站。

3）诊断功能：

对整个地面支撑系统的协调工作进行诊断；对卫星的健康状况进行诊断，并加以编码向用户指示

4）调整卫星：

根据所测的卫星轨道参数，及时将卫星调整到预定轨道，使其发挥正常作用。

而且还可以进行卫星调度，用备份卫星取代失效的工作卫星。

3.GPS接收机/用户部分

A）用户部分的组成是用户和接收设备。

B）接收设备主要是GPS信号接收机，也有其他设备。

C）美帝国主义施行所谓SA政策（选择可用性）。

1）粗码：

C/A码，精码：

P码

2）SA政策是一种人为引入误差的手段

3）SA政策的目的是使非特许用户不能获得高精度实时定位的方法

4）1991年7月1日开始实施，严重降低了工作卫星的定位精度

5）全世界人民日益高涨的正义呼声，使美国政府不得不于2000年5月1日宣布正式取消SA政策。

5GPS信号

1.GPS定位的基本观测量，是观测站（用户接收天线）至GPS卫星（信号发射天线）的距离（或称信号传播路径），它是通过测定卫星信号在该路径上的传播时间（时间延迟），或测定卫星载波信号相位在该路径上变化的周数（相位延迟）来导出的。

2.信号：

A）载波

B）测距码

1）P码（或Y码）

2）C/A码

C）数据码（或称D码）：

导航电文

6GPS定位原理

1.基本原理

A）卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置、运动速度和时间信息。

B）静态定位和动态定位

1）静态定位：

在定位过程中，接收机的位置是固定的，处于静止状态。

这种静止状态是相对的。

2）动态定位：

在定位过程中，接收机天线处于运动状态。

C）绝对定位和相对定位

1）绝对定位（或单点定位）：

独立确定待定点在坐标系中的绝对位置。

优点是一台接收机即可独立定位，但定位精度较差。

2）相对定位：

确定同步跟踪相同的GPS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。

但其缺点是外围组织实施较为困难，数据处理更为烦琐。

2.GPS动态测量

A）GPS动态测量，是用GPS信号实时地测得相对于地球运动的用户天线之状态参数。

B）导航

是引导飞机、船舶、车辆以及个人（总称作运载体）安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地的一种手段。

导航是一种广义的动态定位，是通过测量运动载体的实时位置，以及运动载体的速度、时间和方位等状态参数，进而"导引"该运动载体准确地驶向预定的后续位置

C）动态定位的基本特点

1）用户多样性：

GPS信号接收机可以安设在地面车辆、水上船舰和航空航天器三大类型的运动载体上进行动态定位。

2）速度多异性

a）低动态定位：

运动速度为每秒几米到每秒几十米

b）中等动态定位：

运动速度为每秒100m至每秒1000m

c）高动态定位：

运动速度在每秒1km以上

3）定位实时性：

不少商业GPS信号接收机，都能够在零点几秒内测得一个点位。

4）数据短时性

对于动态定位而言，用户天线随着运动载体而相对于地球不停地运动着，它就不可能为一个点位花费较长的时间来采集定位数据，特别是在高动态定位场合，更要求以较短的时间（如亚秒级）来采集一个点位的定位数据，称之为定位数据的短时性。

5）精度要求多变性

D）GPS测速

3.差分GPS定位

A）在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量、在一个测站对一个目标进行两次观测之间进行求差。

B）可消除公共误差,提高定位精度

7GPS的应用

1.GPS的最初用途

A）GPS最初就是为军方提供精确定位而建立的，至今它仍然由美国军方控制。

军用GPS产品主要用来确定并跟踪在野外行进中的士兵和装备的坐标，给海中的军舰导航，为军用飞机提供位置和导航信息等。

2.GPS/GNSS系统应用广泛

A）可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。

B）对于测绘领域，GNSS已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；

C）用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；

D）用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段。

E）用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

F）GNSS系统的应用

1）在测绘领域中的应用

2）智能交通系统

3）在农业领域中的应用

4）在水利中的应用

5）在海洋石油勘探中的应用

6）在航空遥感与航空物探中的应用

7）民用微型嵌入式集成产品

8）在授时、测时领域中的应用

9）在城市管理中的应用

10）在建筑物形变监测中的应用

11）在军事领域中的应用

附大纲

1自然地理环境的基本规律

什么是自然地理环境（地球表层系统）？

地球表层系统的圈层结构：

包括哪些圈层？

地球表层系统的时间空间尺度：

特点及相关性

地球表层系统的驱动力：

3种

地球表层系统各圈层间的相互作用（了解）

自然地理环境的有关规律（概念及实例）：

整体性规律

节律性规律（时间）：

周期性、旋回性、阶段性节律

分异性规律（空间）：

地带性、非地带性，垂直地带性、地方性

2对地观测科学、方法与应用（遥感）

2.1遥感原理

遥感、传感器、遥感平台（包括分类）、遥感地面站

遥感的分类：

主动遥感与被动遥感

电磁波：

电磁波谱

黑体

太阳辐射和地球辐射的分段性

大气对遥感过程的影响（太阳辐射），大气窗口

加色和减色法的三原色

传感器与成像原理：

分辨率：

空间、光谱、辐射分辨率

摄影成像、扫描成像传感器的类型：

光机扫描、推扫式

航空遥感平台（<80km）、航天遥感平台（LANDSAT、SPOT）

微波遥感：

微波遥感的特点

微波传感器（主动、被动）

工作原理（了解）

由地形产生的几何畸变：

3种

斑点噪声

雷达卫星平台（了解）

2.2图像处理与分析

数字图像

图像直方图

大气校正（概念）

几何校正（概念）

遥感图象几何畸变来源（了解）

遥感图象几何校正的原理

包括两个方面：

（1）象元坐标变换；

（2）象元灰度值重新计算（重采样）

图像的镶嵌

反差增强：

概念、原理

彩色增强：

真彩色、假彩色、伪彩色（密度分割）

密度分割（了解）

滤波：

?

平滑：

均值、中位数滤波

?

锐化：

边缘检测与增强（了解）

?

边缘增强：

减法平滑（锐化）（了解）

图象变换（概念、含义）

主成分分析（了解）

算术运算

植被指数

图像融合

图像分类：

计算机分类：

概念、原理

监督分类、非监督分类

分类训练区、检验区

位置精度、非位置精度

2.3遥感图象目视解译与应用：

概念、意义

原理

遥感影像解译标志

直接解译与间接解译标志

主要直接标志（8种）

一般原则

常用的解译方法

¨直判法

¨对比法

¨邻比法

¨动态对比法

¨逻辑推理法

遥感应用

遥感应用过程

典型应用领域、典型应用实例

3地理信息系统

概述：

地理信息系统：

概念、组成、类型、特点

GIS基本功能：

数据采集

数据编辑

数据存储管理

查询与空间分析（决策支持）

制图与表达方式

地理信息的特点：

空间和非空间数据、关联

GIS数据来源及采集方法

数据编辑

空间地理信息的表示与制图（5种）（了解）

-------------------------------

空间数据

空间信息与地理空间（概念）

地图投影（概念）

空间数据结构（概念）

栅格结构、矢量结构（掌握）

及各自优缺点（了解）

空间数据质量（了解）

元数据

空间元数据

--------------------------------

空间数据管理与分析

空间数据的来源主要有四种渠道：

（了解）

数据转换：

各种交换格式数据（DXF/E00/MIF等）

遥感/GPS数据：

图象、GPS坐标点文件等

数字测量：

形成纸质地图或坐标点文件

已有纸质地图：

地图数字化

空间数据库：

及特点（了解）

空间分析：

空间查询：

类型（3种）

空间量算（了解）

缓冲区分析（掌握）

叠加分析（概念及类型）

网络分析（三个方面）

空间统计分析（了解）

空间插值（了解）

数字高程模型（数字地形模型）（含义）

空间建模与空间决策支持系统

空间分析实例

空间信息表现与制图（了解）

GIS应用实例

4GNSS导论

什么是全球定位导航系统？

目前有哪些主要系统？

GNSS分类：

有源、无源

区域、全球

。

。

。

。

。

GPS，GLONASS简况（多少颗卫星、几个轨道面？

）

伽利略导航计划：

ENSS

北斗导航系统：

概况、特点

北斗导航系统与GPS的比较

GPS系统组成：

3部分

GPS信号（了解）

美国的SA政策

GPS定位原理

静态定位和动态定位

绝对定位和相对定位

GPS动态测量

动态定位及基本特点

什么是导航

差分GPS定位

GNSS应用：

主要领域

地球科学概论之对地观测与地球信息学（II）

Hanza2007-01-08Page1of4

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