GPS导航系统原理.ppt

第5章其他导航系统 导航星全球定位系统gps globalpositioningsystem 是70年代中期美国国防部开始发展的第二代卫星导航系统 它是新一代精密卫星定位系统 是现代科学技术迅速发展的结晶 第一节gps概述 一 gps的定义与发展 一 gps的定义gps是英文globalpositioningsystem的缩写 意为全球定位系统 它是利用卫星星座 通信卫星 地面控制部分和信号接收机对对象进行动态定位的的系统 gps能对静态 动态对象进行动态空间信息的获取 快速 精度均匀 不受天气和时间的限制反馈空间信息 gps是英文globalpositioningsystem 全球定位系统 的简称 而其中文简称为 球位系 gps是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 其主要目的是为陆 海 空三大领域提供实时 全天候和全球性的导航服务 并用于情报收集 核爆监测和应急通讯等一些军事目的 是美国独霸全球战略的重要组成 经过20余年的研究实验 耗资300亿美元 到1994年3月 全球覆盖率高达98 的24颗gps卫星星座己布设完成 在机械领域gps则有另外一种含义 产品几何技术规范 geometricalproductspecifications 简称gps 百度百科 二 gps的发展1 早期的卫星定位系统卫星定位技术是利用人造地球卫星进行点位测量的技术 早期的卫星定位系统就是无线电导航系统 通过建立卫星测站测定测站至卫星的距离 建立卫星测距网 20世纪60 70年代 美国国家大地测绘局在英国和德国的测绘部门的协助下 花了几年的时间用卫星三角测量方法测设了有45个测站的全球三角网 定位精确为5米 但这种观测方法受卫星可见条件及天气的影响 费时费力 不仅定位精度低 而且不能测得点位的地心坐标 2 子午卫星定位系统与cicada20世纪50年代美国开始研制用多普勒卫星定位技术进行测速 定位的卫星导航系统 叫做 子午卫星定位系统 nnss 70年代后部分电文解密交付民用 它利用的多普勒定位具有经济快速 精度均匀 不受天气和时间的限制等优点并且它能获得点位的三维地心坐标 在美国nnss建立的同时 前苏联也于1965年开始建立了一个名为cicada卫星导航系统nnss和cicada卫星导航系统虽然将导航和定位推向了一个新的发展阶段 但有一些明显的缺点 卫星少 不能进行连续 实时定位 又不能到达厘米级的定位精度 因此其应用收到了较大的限制 为了实现全天候 全球性和高精度的连续导航与定位 gps应运而生 3 gpsgps实施计划共分三个阶段 第一阶段为方案论证和初步设计阶段 从1973年到1979年 共发射了4颗试验卫星 研制了地面接收机及建立地面跟踪网 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 研制了各种用途接收机 实验表明 gps定位精度远远超过设计标准 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 表明gps系统进入工程建设阶段 1993年底实用的gps网即 21 3 gps星座已经建成 今后将根据计划更换失效的卫星 二 gps的组成 gps由三部分组成 空间部分 gps星座 地面控制部分 地面监控系统 用户设备部分 gps信号接收机 1 空间部分gps的空间部分是由24颗工作卫星组成 它位于距地表20200km的上空 均匀分布在6个轨道面上 每个轨道面4颗 轨道倾角为55 此外 还有4颗有源备份卫星在轨运行 卫星的分布使得在全球任何地方 任何时间都可观测到4颗以上的卫星 并能保持良好定位解算精度的几何图象 这就提供了在时间上连续的全球导航能力 gps卫星产生两组电码 一组称为c a码 coarse acquisitioncode11023mhz 一组称为p码 procisecode10123mhz p码因频率较高 不易受干扰 定位精度高 因此受美国军方管制 并设有密码 一般民间无法解读 主要为美国军方服务 c a码人为采取措施而刻意降低精度后 主要开放给民间使用 2 地面控制部分地面控制部分由一个主控站 5个全球监测站和3个地面控制站组成 监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机 监测站将取得的卫星观测数据 包括电离层和气象数据 经过初步处理后 传送到主控站 主控站从各监测站收集跟踪数据 计算出卫星的轨道和时钟参数 然后将结果送到3个地面控制站 地面控制站在每颗卫星运行至上空时 把这些导航数据及主控站指令注入到卫星 这种注入对每颗gps卫星每天一次 并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入 如果某地面站发生故障 那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间 但导航精度会逐渐降低 3 用户设备部分用户设备部分即gps信号接收机 其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星 并跟踪这些卫星的运行 当接收机捕获到跟踪的卫星信号后 即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率 解调出卫星轨道参数等数据 根据这些数据 接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算 计算出用户所在地理位置的经纬度 高度 速度 时间等信息 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 gps接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分 接收机一般采用机内和机外两种直流电源 设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测 在用机外电源时机内电池自动充电 关机后 机内电池为ram存储器供电 以防止数据丢失 目前各种类型的接受机体积越来越小 重量越来越轻 便于野外观测使用 三 gps的特点 1 全球 全天侯作业2 定位精度高3功能多 应用广4 操作简便5 观测时间短6 测站间无需通视7 实时导航8 抗干扰性能好 保密性强 第二节gps的工作原理 一 gps的常用术语 一 坐标 主要是经度 纬度 高度 二 路标 gps里保存的一个特定的坐标值 三 路线 gps内存中储存的一组数据 包括一个起点和一个终点的坐标 还可以包括若干个中间点的坐标 每两个坐标点之间的线段叫做一条 腿 leg 四 前进方向 gps没有指南针的功能 静止不动时它是不知道方向的 但一旦动起来 它就能知道自己的运动方向 gps每隔一秒更新一次当前的地理信息 每一点的坐标和上一点的坐标一比较 就可以知道前进的方向 五 导向 1 以设定 走向 目标 2 目前有活跃路线 六 日出 日落时间 七 足迹线 gps每秒更新一次坐标信息 可以记载自己的运动轨迹 gps的具体工作原理 简单地说来 是利用我们熟知的几何与物理上一些基本原理 首先我们假定卫星的位置为已知 而我们又能准确测定我们所在地点a至卫星之间的距离 那么a点一定是位于以卫星为中心 所测得距离为半径的圆球上 进一步 我们又测得点a至另一卫星的距离 则a点一定处在前后两个圆球相交的圆环上 我们还可测得与第三个卫星的距离 就可以确定a点只能是在三个圆球相交的两个点上 根据一些地理知识 可以很容易排除其中一个不合理的位置 当然也可以再测量a点至另一个卫星的距离 也能精确进行定位 以上所说 要实现精确定位 要解决两个问题 其一是要确知卫星的准确位置 其二是要准确测定卫星至地球上我们所在地点的距离 gps的定位方式 一 根据定位所采用的观测值1 伪距定位2 载波相位定位 二 根据定位的模式1 绝对定位 单点定位 在地球协议坐标系中 确定观测站相对地球质心的位置 2 相对定位 在地球协议坐标系中 确定观测站与地面某一参考点之间的相对位置 三 根据获取定位结果的时间1 实时定位2 非实时定位 四 根据定位时接收机的运动状态1 静态定位 在定位过程中 接收机位置静止不动 是固定的2 动态定位 在定位过程中 接收机天线处于运动状态 四 gps接收机的组成及工作原理 一 gps接收机的组成gps接收机是用来接收 跟踪 变换和测量gps信号的接收设备 其主要由gps接收天线 gps接收主机和电源三部分组成 其中主机又可分为接收单元 包括变频器和信号通道 和数据采集单元 包括微处理器 储存器和显示器 二 接收机的工作原理1 gps接收机天线天线由接收机天线和前置放大器两部分所组成 天线的作用是将gps卫星信号的极微弱的电磁波能转化为相应的电流 而前置放大器则是将gps信号电流予以放大 2 接收机主机 1 变频器及中频接收放大器经过gps前置放大器的信号仍然很微弱 为了使接收机通道得到稳定的高增益 并且使l频段的射频信号变成低频信号 必须采用变频器 2 信号通道信号通道是接收机的核心部分 gps信号通道是硬软件结合的电路 不同类型的接收机其通道是不同的 gps信号通道的作用有三 搜索卫星 索引并跟踪卫星 对广播电文数据信号衽解扩 解调出广播电文 进行伪距测量 载波相位测量及多普勒频移测量 图4 10为相关通道的电路原理图 从卫星接收到的信号是扩频的调制信号 所以要经过解扩 解调才能得到导航电文 为了达到此目的 在相关通道电路中设有伪码相位跟踪环和载波相位跟踪环 3 存贮器接收机内设有存贮器或存贮卡以存贮卫星星历 卫星历书 接收机采集到的码相位伪距观测值 载波相位观测值及多普勒频移 目前 gps接收机都装有半导体存贮器 简称内存 接收机内存数据可以通过数据口传到微机上 以便进行数据处理和数据保存 在存贮器内还装有多种工作软件 如 自测试软件 卫星预报软件 导航电文解码软件 gps单点定位软件等 4 微处理器微处理器是gps接收机工作的灵魂 gps接收机工作都是在微机指令统一协同下进行的 其离要工作步骤为 接收机开机后首先对整个接收机工作善进行自检 并测定 校正 存贮各通道的时延值 接收机对卫星进行搜索捕捉卫星 当捕捉到卫星后即对信号进行牵引和跟踪 并将基准信号译码得到gps卫星星历 当同时锁定4颗卫星时 将c a码伪距观测值连同星历一起计算测站的三维坐标 并按预置位置更新率计算新的位置 根据机内存贮的卫星历书和测站近似位置 计算所有在轨卫星卫星升降时间 方位和高度角 根据预先设置的航路点坐标和单点定位测站位置计算导航的参数航偏距 航偏角 航行速度等 接收用户输入信号 如 测站名 测站号 作业员姓名 天线高 气象参数等 5 显示器gps接收机都有液晶显示屏以提供gps接收机工作信息 并配有一个控制键盘 用户可通过键盘控制接收机工作 对于导航接收机 有的还配有大显示屏 在屏幕上直接显示导航的信息甚至显示数字地图 3 电源gps接收机电源有两种 一种为内电源 一般采用锂电池 主要用于ram存贮器供电 以防止数据丢失 另一种为外接电源 这种电源常用可充电的12v直流镉镍电池组 或采用汽车电瓶 当用交流电时 要经过稳压电源或专用电流交换器 第三节gps技术的应用 一 gps在运输配送领域的应用 1 导航功能2 车辆跟踪功能3 货物配送路线规划功能 1 进行自动路线规划 2 人工路线设计4 信息查询5 话务指挥6 紧急援助 二 gps在货物运输领域的 1 长途运输货物的跟踪2 特种运输货物的跟踪3 边远地区运输的跟踪 三 gps与物流企业1 gps在物流企业的应用优势gps在物流领域的应用可以实时监控车辆等移动目标的位置 根据道路交通状况向移动目标发出实时调度指令 而gis gps和无线通讯技术的有效结合 再辅以车辆线路模型 最短线路模型 网络物流模型 分配集合模型和设施定位模型等 能够建立功能强大的物流信息系统 使物流变得实时并且成本最低 gis gps在物流企业应用的优势主要有 1 打造数字物流企业 规范企业日常运作 提升企业形象 2 通过对运输设备的导航跟踪 提高车辆运作效率 降低物流费用 抵抗风险 gps在物流企业信息管理中的作用 1 车辆的分布 2 历史轨迹 3 当前位置 4 连续监控 5 区域看车 二 gps在其他领域的应用 一 gps在军事上的应用1 飞机导航2 导弹制导 导弹拦截及目标精准打击3 作战指挥4 发射阵地快速定位5 外导弹测量 二 gps在地球物理和大地测量领域的应用1 地球物理观测2 大地测量3 水土保持4 地形 地籍及房地产测量 三 gps在航空航天及空间技术领域的应用1 空间位置 轨道 和飞行器姿态的确定2 航天航空测量设备的标较3 电离层监测4 对流层监测5 地球重力场的测量 四 gps在工程测试中的应用1 地质灾害的监测2 道路工程3 防浪堤坝施工 航道疏浚4 建筑施工5 矿山和铁路施工 隧道开挖 五 gps在人民生产 生活中的应用1 在农业领域中的应用 1 土壤养分调查与合理施肥 2 引导飞机作业 3 作物产量监测与精准农业管理2 在林业方面的应用 可确定林区位置 计算采伐面积 确定原始森林区域 森林火灾周边勘测 寻找水源 绘制精确的森林分布图等3 gps技术与gis资源的合成应用4 旅游及野外考察5 海事应用6 gps手机7 授时 三 gps的使用方法 一 用地图使用 gps与详细的地图配合使用时有最好的效果 二 无地图使用1 使用路点定点2 使用路线导向输入路线3 回溯 第四节网络gps技术在物流业中的应用 一 网络gps的概念和特点 网络gps就是指在互联网上建立起来的一个公共gps监控平台 它同时融合了卫星定位技术 gsm数字移动通信技术以及国际互联网技术等多种目前世界上先进的科技成果 网络gps综合了internet与gps的优势与特色 取长补短 它解决了原来使用gps所无法克服的障碍 首先 其可降低投资费用 网络gps免除了物流运输公司自身设置监控中心的大量费用 其不仅包括各种硬件配置 还包括各种管理软件 其次 网络gps一方面利用互联网实现无地域限制的跟踪信息显示 另一方面 又可通过设置不同权限做到信息的保密 网络gps的特点大致如下 1 功能多 精度高 覆盖面广 在全球任何位置均可进行车辆的位置监控工作 充分保障网络gps所有用户的要求都能够得到满足 2 定位速度快 有力地保障了物流运输企业能够在业务运作上提高反应速度 降低车辆空驶率 降低运作成本 满足客户需要 3 信息传输采用gsm公用数字移动通信网 具有保密性高 系统容量大 抗干扰能力强 漫游性能好 移动业务数据可靠等优点 4 构筑在国际互联网这一最大的网上公共平台上 具有开放度高 资源共享程度高等优点5 形成较大的成本节约 二 网络gps的工作流程 车载单元即gps接收机在接收到gps卫星定位数据后 自动计算出自身所处的地理位置的坐标 后经gsm通信机发送到gsm公用数字移动通信网 并通过与物流信息系统连接的ddn专线将数据送到物流信息系统监控平台上 中心处理器将收到的坐标数据及其它数据还原后 与gis系统的电子地图相匹配 并在电子地图上直观地显示车辆实时坐标的准确位置 各网络gps用户可用自己的权限上网进行自有车辆信息的收发 查询等工作 在电子地图上清楚而直观地掌握车辆的动态信息 位置 状态 行驶速度等 同时还可以在车辆遇险或出现意外事故时进行种种必要的遥控操作 三 网络gps系统在物流中的功能 一 网络gps的功能1 实时监控功能 在任意时刻通过发出指令查询运输工具所在的地理位置 经度 纬度 速度等信息 并在电子地图上直观地显示出来 2 双向通讯功能 网络gps的用户可使用gsm的话音功能与司机进行通话或使用本系统安装在运输工具上的移动设备的汉字液晶显示终端进行汉字消息收发对话 驾驶员通过按下相应的服务 动作键 将该信息反馈到网络gps 质量监督员可在网络gps工作站的显示屏上确认其工作的正确性 了解并控制整个运输作业的准确性 发车时间 到货时间 卸货时间 返回时间等等 3 动态调度功能 调度人员能在任意时刻通过调度中心发出文字调度指令 并得到确认信息 可进行运输工具待命计划管理 操作人员通过在途信息的反馈 运输工具未返回车队前即做好待命计划 可提前下达运输任务 减少等待时间 加快运输工具周转速度 运能管理 将运输工具的运能信息 维修记录信息 车辆运行状况登记处 司机人员信息 运输工具的在途信息等到多种信息提供调度部门决策 以提高重车率 尽量减少空车时间和空车距离 充分利用