第七章 全球定位系統(tǒng)

第七章全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS內(nèi)容介紹7.1GPS的概述7.2GPS的組成與工作原理7.3北斗星衛(wèi)星定位系統(tǒng)7.4GPS在物流業(yè)中的應(yīng)用7.1GPS概述7.1.1GPS的概念與發(fā)展GPS——全球定位系統(tǒng)，它利用衛(wèi)星星座（通信衛(wèi)星）、地面控制部分和信號接收機對對象進行動態(tài)定位GPS具有在海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)（1）無線電導(dǎo)航系統(tǒng):羅蘭-C、Omega、多譜勒（2）衛(wèi)星定位系統(tǒng)：美國的子午儀導(dǎo)航系統(tǒng)（3）1973美國的GPS計劃GPS實施計劃共分三個階段：第一階段1973-1979：方案論證和初步設(shè)計（4顆試驗衛(wèi)星）第二階段1979-1984：全面研制和試驗（7顆試驗衛(wèi)星）第三階段1989-1994：實用組網(wǎng)（21+3）

GPS的發(fā)展過程一、GPS的功能：（1）快速定位（2）準確測量（3）同步授時主要用途：（1）陸地應(yīng)用：車輛導(dǎo)航、應(yīng)急反應(yīng)、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監(jiān)測、地殼運動監(jiān)測、市政規(guī)劃控制等（2）海洋應(yīng)用：遠洋船最佳航程航線測定、船只實時調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救援、海洋探寶、水文地質(zhì)測量以及海洋平臺定位、海平面升降監(jiān)測等（3）航空航天應(yīng)用：飛機導(dǎo)航、航空遙感姿態(tài)控制、低軌衛(wèi)星定軌、導(dǎo)彈制導(dǎo)、航空救援和載人航天器防護探測等。7.1.2GPS的功能與特點二、GPS的特點定位精度高:定位方法不同,5m

10m

0.1m觀測時間短:每站觀測只需幾秒鐘覆蓋面廣:全球測站間無需通視：要求測站上空開闊，不要求互相通視提供三維坐標：觀測點平面位置和高程操作簡便：自動化、傻瓜式全球全天候作業(yè):任何地點、任何時間、功能多、應(yīng)用廣7.1.3其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)歐洲的“伽利略”歐洲共同體1999年初推出原理和GPS基本相同21顆中高度圓軌道衛(wèi)星+3顆靜止軌道衛(wèi)星俄羅斯的“格洛納斯”前蘇聯(lián)從80年代初開始建設(shè)與美國GPS相類似，由24顆衛(wèi)星組成采用頻分多址（FDMA）方式中國的“北斗星”目前只能覆蓋中國全境和亞洲的大部分地區(qū)，如日本和韓國、印度的部地區(qū)均可涵蓋7.2GPS的組成與工作原理7.2.1GPS的組成空間部分—GPS衛(wèi)星星座地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機一、空間部分由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)用L波段的兩個無線電載波發(fā)送導(dǎo)航定位信號必須觀測4顆GPS衛(wèi)星（稱為定位星座）二、地面部分（1）5個檢測站：無人值守的數(shù)據(jù)采集、將數(shù)據(jù)發(fā)送到主控站（2）1個主控站：成數(shù)據(jù)收集、信息處理、時鐘協(xié)調(diào)、衛(wèi)星姿態(tài)控制等工作的GPS的核心（3）3個注入站：把導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星主控站一個監(jiān)測站五個注入站三個三、用戶設(shè)備分類標準分類接收機的用途導(dǎo)航型接收機：主要用于運動載體的導(dǎo)航，它可以實時給出載體的位置和速度?？杉毞譃檐囕d型（用于車輛導(dǎo)航定位）、航海型（船舶導(dǎo)航定位）、航空型（飛機導(dǎo)航定位）和星載型（衛(wèi)星的導(dǎo)航定位）測地型接收機：主要用于精密大地測量和精密工程測量授時型接收機：主要利用GPS衛(wèi)星提供的高精度時間標準進行授時，常用于天文臺及無線電通訊中時間同步接收機的載波頻率單頻接收機：只能接收L1載波信號雙頻接收機：可以同時按收L1，L2載波信號接收機通道數(shù)GPS接收機能同時接收多顆GPS衛(wèi)星的信號，為了分離接收到的不同衛(wèi)星信號，以實現(xiàn)對衛(wèi)星信號的跟蹤、處理和測量，具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據(jù)接收機所具有的通道種類可分為：多能道接收機、序貫通道接收機、多路多用通道接收機接收機工作原理碼相關(guān)型接收機：利用碼相關(guān)技術(shù)得到偽距觀測值。平方型接收機：利用載波信號的平方技術(shù)去掉調(diào)制信號，恢復(fù)完整的載波信號，通過相位計測定接收機內(nèi)產(chǎn)生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差，測定偽距觀測值?；旌闲徒邮諜C：綜合上述兩種接收機的優(yōu)點，既可以得到碼相位偽距，也可以得到載波相位觀測值。干涉型接收機：采用干涉測量方法，測定兩個測站間距離。GPS接收機單元構(gòu)成前置放大器變頻交換器合成器頻率標頻器1～12信號通道存儲器微處理機顯控器數(shù)據(jù)接口PC機電源天線單元接收單元GPS常用術(shù)語坐標——確定被測點的具體位置，三維坐標路標——是構(gòu)成路線的基礎(chǔ)，在地圖上的一個點路線——包括起點和終點在內(nèi)的一組數(shù)據(jù)，從而可以確定被測物的路徑前進方向——一般由路線上的鄰近兩個路標確定導(dǎo)向——顯示物體的移動方向足跡線——記錄物體的運動足跡，可形成路線4.4衛(wèi)星定位的基本原理常見的GPS接收機圖7-5常見的GPS接收機7.2.2GPS的工作原理衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算求出接收機的三維位置、三維方向以及運動速度和時間信息使用GPS進行定位時，一般用四個衛(wèi)星來確定某一被測點的三維坐標7.2.2GPS的工作原理假設(shè)t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其它數(shù)據(jù)可以建立以下4個方程式：7．3“北斗星”衛(wèi)星定位系統(tǒng)7.3.1我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展20世紀80年代初，中國開始積極探索適合國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2000年，初步建成“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)，標志著中國成為繼美、俄之后世界上第3個擁有自主衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家。發(fā)展步驟如下：“北斗一代”衛(wèi)星導(dǎo)航試驗系統(tǒng)“北斗二代”衛(wèi)星導(dǎo)航區(qū)域系統(tǒng)“北斗三代”全球?qū)Ш较到y(tǒng)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星（北斗網(wǎng)）第1顆：2000年10月31日，CZ-3A，GEO第2顆：2000年12月21日，CZ-3A，GEO第11顆：2012年2月25日，CZ-3C，GEO第12、13顆：2012年4月30日，CZ-3B，MEO第14、15顆：2012年9月19日，CZ-3B，MEO第14、15顆：2012年9月19日，CZ-3B，MEO第16顆：2012年10月25日，CZ-3C，GEO7.3.2北斗星導(dǎo)航系統(tǒng)簡介一、北斗星的組成（1）空間星座部分將由5顆地球靜止軌道衛(wèi)星和30顆非地球靜止軌道衛(wèi)星組成（2）地面控制部分地面控制部分由若干主控站、注入站和監(jiān)測站組成（3）用戶終端部分各類“北斗”用戶終端，可以與兼容其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)二、北斗工作原理（工作過程）（1）控制系統(tǒng)兩顆衛(wèi)星同時發(fā)送詢問信號，經(jīng)衛(wèi)星向用戶廣播。（2）用戶響應(yīng)詢問信號，并轉(zhuǎn)發(fā)回中心控制系統(tǒng)。（3）控制系統(tǒng)接收并解調(diào)用戶發(fā)來的信號，進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。（4）中心控制系統(tǒng)測出兩個時間延遲（5）定位到兩顆衛(wèi)星為焦點的橢球面之間的交線上（6）控制系統(tǒng)從數(shù)字化地形圖查尋到用戶高程值（7）從而中心控制系統(tǒng)可最終計算出用戶所在點的三維坐標（8）這個坐標經(jīng)加密由出站信號發(fā)送給用戶三、功能與特性（1）主要功能：定位、測速、單雙向授時、短報文通信；（2）主要技術(shù)參數(shù)服務(wù)區(qū)域：全球；定位精度：優(yōu)于10m；測速精度：優(yōu)于0.2m/s；授時精度：20ns。短報文通信：一次可傳送多達120個漢字的訊息。精密授時：精度達10納秒。系統(tǒng)容量：每小時540000戶7.3.3北斗星與GPS的對比（1）覆蓋范圍目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是覆蓋我國本土及亞太地區(qū)的區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)GPS是覆蓋全球的全天候?qū)Ш较到y(tǒng)（2）衛(wèi)星數(shù)量和軌道特性北斗2顆同步衛(wèi)星顆GPS是在6個軌道平面上設(shè)置24顆衛(wèi)星（3）定位原理北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是主動式雙向測距二維導(dǎo)航GPS是被動式偽碼單向測距三維導(dǎo)航（4）定位精度北斗三維定位精度約幾十米，授時精度約100nsGPS定位精度提高到6m，C/A碼提高到12m，授時精度日前約20ns。7.3.3北斗星與GPS的對比（5）用戶容量北斗導(dǎo)航系統(tǒng)由于是主動雙向測距的詢問--應(yīng)答系統(tǒng)GPS是單向測距系統(tǒng)（6）生存能力北斗一號一旦中心控制系統(tǒng)受損，系統(tǒng)就不能繼續(xù)工作了GPS正在發(fā)展星際橫向數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，使萬一主控站被毀后GPS衛(wèi)星可以獨立運行（7）實時性“北斗”控制系統(tǒng)的處理時間延遲就更長了GPS延時短7.4GPS在物流中的應(yīng)用7.4.1GPS在交通運輸中的應(yīng)用一、航空運輸（1）航路導(dǎo)航（2）進場著陸（3）場面監(jiān)視和管理（4）航路監(jiān)視二、陸路運輸（1）車輛自主定位（2）車輛的防盜報警（3）車輛導(dǎo)航（4）道路工程規(guī)劃三、船舶遠洋（1）船舶數(shù)據(jù)采集（2）船舶動態(tài)監(jiān)控（3）動態(tài)信息發(fā)布（4）航運管理7.4.2基于3G的物流配送系統(tǒng)一、基于GPS/GIS/GSM的物流配送系統(tǒng)模型組成：物流監(jiān)控中心、車載臺、無線通信網(wǎng)絡(luò)二、物流配送車輛監(jiān)控系統(tǒng)功能（1）配送線路優(yōu)化（2）綜合地圖查詢（3）地圖數(shù)據(jù)遠程維護（4）業(yè)務(wù)分析（5）車輛跟蹤監(jiān)控（6）車輛信息維護

7.4.3北斗系統(tǒng)在物流中的應(yīng)用（1）實時地圖查詢（2）全程物流安全保障所在位置詢問專用于危險品運輸車輛用于物流公司監(jiān)控（3）突發(fā)事故處理7.4.4GPS在其他領(lǐng)域的應(yīng)用一、GPS在測量中的應(yīng)用（1）