第五章全球定位系统

1、第第5 5章章 全球定位系统及其应用全球定位系统及其应用5.1 GPS概述5.2 GPS工作原理5.3 各国GPS技术及发展5.4 GPS的应用5.1 GPS概述概述一、全球定位系统一、全球定位系统(GPS) Global positioning system 1.概念：利用卫星星座、地面控制部分和信号接收机概念：利用卫星星座、地面控制部分和信号接收机对对象进行动态定位的系统。对对象进行动态定位的系统。通俗地说：利用通俗地说：利用卫星，在全球范卫星，在全球范围内适时进行围内适时进行导导航航、定位定位的系统的系统 全球定位系统是美国从全球定位系统是美国从20世纪世纪70年代开始研制，历时年代开始

2、研制，历时20年，耗资年，耗资200亿美亿美元，于元，于1994年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。位能力的新一代卫星导航与定位系统。目前的全球覆盖率为98%。 在美在美国国,GPS全球卫星定位技术全球卫星定位技术与与“阿波罗阿波罗”飞船登月飞船登月,航天飞机升空航天飞机升空,共同列为共同列为20世纪世纪“三大航天工程三大航天工程” 它能够实时测量“四度”：经度、纬度、高度、速度。 卫星定位技术发展的回顾1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，50多年来，人造地球卫星技术在通信、气象、

3、资源勘察、导航、遥感、大地测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域，得到了极广泛应用。人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重视。1958年底，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国海军舰艇导航的卫星系统，即“海军导航卫星系统（NavyNavigation Satellite SystemNNSS）。由于该系统卫星都通过地极，也称“子午(Transit)卫星系统”。1964年该系统建成，并在美国军方启用。1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。该系统不受气象条件的限制，自动化程度高，具有良好的定位精度。 尽管尽管NNSSNNSS在导航技术的发展中具有划时代的意义，但由于在导航

4、技术的发展中具有划时代的意义，但由于该系统卫星数目少（该系统卫星数目少（5-65-6颗），运行轨道低（颗），运行轨道低（10001000km km ）, ,观测观测时间长（时间长（1.51.5小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得小时），无法提供连续实时三维导航，同时获得一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。而从大地测量看，定位速度慢，（飞机、导弹等）导航要求。而从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般平均观测一个测站一般平均观测1-21-2天；精度低，单点定位精度天；精度低，单点定位精度3-53

5、-5m m，相对定位精度相对定位精度1 1m m，使得在大地测量和地球动力学研究方面的应使得在大地测量和地球动力学研究方面的应用，也受到很大限制。用，也受到很大限制。为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求，1973年美国国防部开始组织陆海空三军，共同研究建立新一代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的“导航卫星授时测距/全球定位系统”（Navigation Satellite Timing and ranging / Global Positioning System）简称全球定位系统（GPS）。为使GPS具有高精度连续实时三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性能，在设计上采取了若干改善

6、措施。控 制 部 分 1 个 主 控 站 5 个 监 控 站空 间 部 分 导 航 卫 星 : 导 航 信 息 卫 星 时 和 卫 星 钟 24 颗 卫 星 20200 Km用 户 设 备 部 分 接 收 卫 星 信 号GPS组成组成系统结构系统结构空间位置空间位置组成和分布组成和分布全全球球定定位位系系统统空间空间由由21颗工作卫星和颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，颗在轨备用卫星组成，24颗卫星均匀分布在颗卫星均匀分布在6个轨道平面内个轨道平面内地面地面由分布在全球的由分布在全球的5个地面站组成（个地面站组成（5个监控站、个监控站、1个主控站和个主控站和3个注入站个注入站）用户用户导航接收

7、机、测地型接收机、授时接收机导航接收机、测地型接收机、授时接收机实时计算出三维实时计算出三维坐标坐标速度速度以及以及时间时间GPS卫星卫星星座星座地面监控地面监控系统系统GPS信信号接收机号接收机返回返回GPS卫星星座组成共24颗卫星，其中3颗备用，分布在6个轨道面上。轨道面相对地球赤道面的倾角为55，各轨道平面之间的交角为60，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的卫星相应超前30。轨道平均高度约20200km，运行周期11h58m。因此，同一测站上每天出现卫星分布图形相同，只是每天提前约4分钟。每颗卫星每天约有5小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目，随时间地点而异，最少4颗，

8、最多达11颗。uGPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫星星座。u卫星星座的分布设置要保证地球上任何地点，任何时刻至少可以同时观测到四颗卫星。GPS卫星星座组成u铯原子钟u计算机u2块7m2的太阳能翼板u无线电收发两用机u导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据）u姿态控制和太阳能板指向系统GPS卫星Slide 12GPS卫星结构双叶对日定向太阳能电池帆板，全长5.33m，接受日光面积7.2m2。1.5m多波束定向天线，这是一种由12个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和L2波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。在星体两端面上装有全向遥测遥控天线，用于与地面监控网通信。GPS卫星结

9、构1 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。2 利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据进行处理。3 通过星载的原子钟提供精密的时间标准。4 向用户发送定位信息。5 在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星姿态和启用备用卫星。GPS卫星的基本功能GPSGPS地面监控部分地面监控部分GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控站（1个）和注入站（3个）1、 监测站：是主控站直接控制下的数据自动采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并传输到主控站，以确定卫

10、星的轨道参数。Slide 15主控站监控站监控站注入站/监控站注入站/监控站注入站/监控站控制站的分布夏威夷卡瓦加兰狄哥伽西亚阿松森岛科罗拉多GPS地面监控部分2、 主控站除协调和管理地面监控系统外，主要任务：1）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数，并将数据传送到注入站。2）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同步，测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电文，送入注入站。3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。4）启用备用卫星代替失效工作卫星。GPS地面监控部分3、注入站 主要设备为1台直径3.6m的天线、1台

11、c波段发射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其它控制指令等，注入到相应卫星的存储器，并监测注入信息的正确性。 整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现高度的自动化标准化。Slide 18接收机调制解调器铯钟气象传感器监测站观测星历与时钟主控站计算误差编算注入导航电文调制解调器高功率放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数 据处理机L1 L2S波段GPS卫星GPS卫星地面监控系统流程图GPS地面控制部分的作用负责监控全球定位系统的工作：u监测卫星是否正

12、常工作，是否沿预定的轨道运行u跟踪计算卫星的轨道参数并发送给卫星，由卫星通过导航电文发送给用户u保持各颗卫星的时间同步u必要时对卫星进行调度GPS用户设备部分u用户部分组成GPS信号接收机及相关设备uGPS接收机接收、跟踪、变换和测量GPS信号的无线电设备uGPS接收机的组成 天线、接收机、处理器、控制显示单元、电源uGPS接收机的作用 接收GPS卫星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息和观测量，并经过数据处理而完成定位工作GPS接收机uDSNPuLEICAuGARMIN uTRIMBLE uASHTECHuJAVADGPS接收机GPS系统的特点u全球性连续覆盖，全天候工作u定位精度高u观测

13、时间短u测站间无需通视u可提供三维坐标u操作简便u功能多，用途广5.2 GPS5.2 GPS的工作原理的工作原理一、一、GPSGPS的定位原理的定位原理 由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高度。 二、二、 GPS GPS的信号组成的信号组成 GPS 卫星发射两种频率的载波信号即频率为1575.42MHz 的L1 载波和

14、频率为1227.60HMz 的L2 载波。它们的频率分别是基本频率10.23MHz 的154 倍和120 倍。它们的波长分别为19.03cm 和24.42cm。在L1 和L2 上又分别调制着多种信号，这些信号主要有：1、C/A 码码 C/A 码又被称为粗捕获码，它被调制在L1 载波上。 2、P 码（码（Y 码）码） P 码又被称为精码。它被调制在L1 和L2 载波上。 3、导航信息（或称、导航信息（或称D 码）码） 导航信息被调制在L1 载波上，其信号频率为50Hz， 包含有GPS 卫星的轨道参数、卫星钟改正数和其它一 些系统参数。 三、三、SPS和和PPS 为了限制不同用户对GPS的应用，G

15、PS卫星发射的无线电信号含有两种不同的测距码，即所谓的P码和C/A码，因此GPS提供两种定位服务，即精密定位服务（PPS）和标准定位服务（SPS）。 PPS的主要对象是美国和盟军的军事部门及其他特许部门，利用P码定位，估计其单点实时定位精度约为10m 。SPS的主要对象是广大的民间用户，只能采用调制在一种载波频率上的C/A码定位，且无法利用双频技术来消除电离层折射的影响，估计其单点定位精度约为400m。 四、GPS的定位方式 1、根据定位所采用的观测值分为伪距定位和载波相位定位 2、根据定位的模式分为绝对定位和相对定位 3、根据获取定位结果的时间分为实时定位和非实时定位 4、根据定位时接收机的

16、运动状态分为动态定位和静态定位5.3 各国GPS的发展及政策 一、美国SPS与PPSSPS 标准定位服务，使用C/A码，民用PPS 精密定位服务，可使用P码，军用SA（已于2000年5月1日取消）Selective Availability 选择可用性：人为降低普通用户的测量精度。方法 技术：轨道加绕（长周期，慢变化） 技术：星钟加绕（高频抖动，短周期，快变化）AS Anti-Spoofing反电子欺骗 P码加密，P+W-Y美国的GPS III 计划二、俄罗斯GLONASS 1、简介 GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)的字头

17、缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。 2、系统组成 GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8 格洛纳斯”导航系统目前在轨运行的卫星已达30颗，俄航天部门计划2014年内再发射3颗。 3、功能GLONASS技术，可为全球海陆空以及近地空间的各种军、民用户全天候、连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。GLONASS在定位、测速及定时精度上则优于施加选择可用

18、性（SA）之后的GPS，由于俄罗斯向国际民航和海事组织承诺将向全球用户提供民用导航服务。三、 欧洲伽利略计划 1、简介 伽利略计划是由欧盟委员会和欧洲空间局共同发起并组织实施的欧洲民用卫星导航计划，旨在建立欧洲自主、独立的民用全球卫星导航定位系统，它与国际上现有的全球卫星导航定位系统相比，具有更佳的覆盖率和更高的精度、可靠性。 2、系统特点该系统总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度为24126公里，总投资约三十五亿欧元 。定位精度为1米。 欧洲伽利略计划第一颗导航卫星北京时间2005年12月在哈萨克斯坦成功发射， 2008年4月第二颗实验卫星发射，计划2012

19、年完成。 3、主要服务 虽然提供的信息仍还是位置、速度和时间，但是伽利略提供的服务种类远比GPS多，GPS仅有标准定位服务（SPS）和精确定位服务（PPS）两种，而Galileo则提供五种服务，这就是：公开服务（OS），与GPS的SPS相类似，免费提供；生命安全服务（SoLS）；商业服务（CS）；公共特许服务（PRS）；以及搜救（SAR）服务。33快速链接 中国参与伽利略计划 中国科学技术部和欧盟委员会04年10月在北京正式签署伽利略计划技术合作协议，中国由此成为参加伽利略计划的第一个非欧盟成员国，并成为伽利略联合执行体中与欧盟成员国享有同等权利和义务的一员。中欧伽利略计划合作是中国目前最大的

20、对外科技合作项目，为此将投资2亿欧元，占5。4、 北斗卫星定位系统中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System-BDS）是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统。是继美国全球卫星定位系统和俄罗斯全球卫星导航系统之后第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道卫星（MEO）和3颗倾斜轨道同步卫星（IGSO)组成，27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度21500公里。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站

21、。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯“格洛纳斯（GLONASS）、欧盟“伽利略”（GALILEO）等其他卫星导航系统兼容的终端组成。 “北斗”卫星导航定位系统将提供开放服务和授权服务。开放服务在服务区免费提供定位，测速和授时服务，定位精度为10米，授时精度为50纳秒，测速精度为0.2米/秒。授权服务则是军事用途的马甲，将向授权用户提供更安全与更高精度的定位，测速，授时服务，外加继承自北斗试验系统的通信服务功能。 中国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。中国正在实施北斗卫星导航系统建设，已成功发射十六颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划，2012年左

22、右，系统将首先具备覆盖亚太地区的定位、导航和授时以及短报文通信服务能力。2020年左右，建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。5.4 GPS应用 一、 GPS在物流行业的应用 1、货物跟踪管理 货物装车发出后，当运输车辆上装载的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，由GPS传输设备将计算出来的位置坐标数据经移动通信系统（GSM）发送到GSM公用数字移动通信网，移动通信网再将数据传送到基地指挥中心，基地指挥中心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，在电子地图上清楚而直观地掌握车辆的动态信息

23、（位置、状态、行驶速度等 ）。 2.离线报警出界入界报警 车辆实现24小时在线看管，一旦车辆超出预定的路线、区域或者禁止驶入的区域，系统即刻自动向监控中心报警。 3.轨迹记录、数据统计 该系统可以将车辆运行的轨迹自动记录下来，可以重复回放，并可自动记录车辆行驶的总里程 。二、 GPS系统在路线规划中的应用 提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。线路规

24、划完毕后，显示器能够在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径和运行方法。通过路线规划，可以缩短上路时间、寻找最佳路径，大大提高工作车辆的效率。 40链接基于GPS技术的智能车辆导航仪 该装置是安装在车辆上的一种导航设备。它以电子地图为监控平台，通过GPS接收机实时获得车辆的位置信息，并在电子地图上显示出车辆的运动轨迹。当接近路口、立交桥、隧道等特殊路段时可进行语音提示。作为辅助导航仪，可按照规定的行进路线使司机无论是在熟悉或不熟悉的地域都可迅速到达目的地；该装置还设有最佳行进路线选择及路线偏离报警等多项辅助功能。 三、 GPS在出租车行业的应用 1、早期的GPS出租车卫星定位系统 GP

25、S出租车卫星定位系统，主要是指通过车载GPS系统与传呼中心GPS卫星定位系统的讯号链接，使呼叫中心能随时掌握车辆的所在地点和运载状况，随时根据需求联络并指派出租车辆，当车辆出现意外情况时，出租司机也可以联络中心求得支援。这样，出租车不仅得到了更多的业务，司机和车辆的防盗防抢性也得到了提高和保障。 42具有的四种功能 一是具有车辆的调度功能，可以减少空驶，提高车辆和道路资源的有效利用率； 二是具有汽车防盗功能，可以有效的避免车辆丢失； 三是通过液晶显示屏传递短信息，方便单位或司机的亲朋与司机联系； 四是IC卡数据采集功能，可以通过GPS系统传递给各个相关单位。 2、五机合一的新型智能化GPS系统

26、 2009年，一种由GPS全球卫星定位系统、GPRS网络无线传送系统、LED信息发布系统、出租汽车现场图像系统以及一卡通消费无线POS系统五机合一的新型智能化GPS系统在大连等城市出租车行业启用。 （1）防抢劫出租车司机遇到抢劫或其他困难时，由于采用的高精度的GPS全球卫星定位系统和现场拍照无线传输系统，使得出租汽车在出现被抢被盗事件发生时，可以从控制中心观察到汽车的运行具体位置和车内的照片，以便及时报警，保障司机和车辆的安全。 44出租车内安装的出租车内安装的GPS定位系统定位系统 出租车内的摄像头45 方便性 安装这种智能化终端设备将给市民带来更大的方便。它提供了一个移动的资金交易平台，同

27、时减少了司机携带的现金存量，相对保证了司机人身安全。 （3）降低空驶率 信息化的实现对城市交通也提供了实时路况信息；电召服务的提供降低了空驶，司机会提高收入，也减少了城市的污染。 四、在客运和公交车领域的应用 GPS车辆监控调度系统针对公交线路安排，并结合各车辆发回的信息（如交通阻塞、机车故障等），将调度命令发送给司机，及时调整车辆运行情况，具有车辆、路线、道路等有关数据的查询功能，利于实现有效管理。与其他车调系统相比，其特色是实时电子播报站名或介绍沿途景点，以及电子站牌。链接电子站牌 电子站牌通过无线数据链路接收即将到站车辆发出的位置和速度信息，显示车辆运行信息，并预测到站时间，为乘客提供方便,可以预见，GPS技术在公共运输领域的应用，将为百姓出行带来更多的便捷48案例:交运集团GPS应用 雨雪天气实时调度司机 2008年1月19日起，持续大范围的雨雪天气袭击了全国大部分地区，特别是华中、西南、华东地区遭受雨雪灾害最为严重，公路运输全线告急。面对突如其来的雪灾，郑州交运集团坚持“雨雪天气，发往平原地区的班次克服困难能发的坚决要发，发往山区的高危班次不能确保安全的坚决不发”的雪灾发班原则，成功经受住了雨雪天气的严峻考