第八章 全球卫星定位系统GPS

1、第八章 全球卫星定位系统GPSContents概述概述1GPS的主要应用的主要应用2网络网络GPS在物流业中的在物流业中的运用运用3GPS应用案例应用案例4第一节第一节 概述概述一、一、GPS概念概念v全球定位系统全球定位系统GPSGPS（Global Positioning SystemGlobal Positioning System）, ,是一种可是一种可以授时和测距的空间交会定点的导航系统以授时和测距的空间交会定点的导航系统, ,可向全球用户提供连可向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。续、实时、高精度的三维位置，三维速度和时间信息。v全称是全称是卫星授时测距

2、导航系统卫星授时测距导航系统/全球定位系统全球定位系统（NAVSTAR/GPS；Navigation System timing And Ranging/Global Positioning System） 二、起源和发展二、起源和发展v19571957年年1010月第一颗人造地球卫星上天，天基电子月第一颗人造地球卫星上天，天基电子导航应运而生导航应运而生v利用多普勒频移原理利用多普勒频移原理19641964年建成子午卫星导航定年建成子午卫星导航定位系统位系统(TRANSIT)(TRANSIT)。v美国从美国从19731973年开始筹建全球定位系统，年开始筹建全球定位系统，19941994年投

3、年投入使用。入使用。 经历经历2020年，耗资年，耗资300300亿美元，是继阿波罗登亿美元，是继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计月计划和航天飞机计划之后的第三项庞大空间计划。划。 v是美国第二代卫星导航系统。是美国第二代卫星导航系统。（1 1）全球通用，）全球通用，2424小时可以定位，测速和授时小时可以定位，测速和授时（2 2）确保美国军事安全，服务于全球战略）确保美国军事安全，服务于全球战略（3 3）导航精度可达）导航精度可达1020m1020m（4 4）19941994年年3 3月月2828日建成，取代其它导航系统日建成，取代其它导航系统全球性，全天候，高精度，保密性

4、GPSGPS测量与经典测量方法的对比测量与经典测量方法的对比：不需要相互通视观测作业不受天气条件的影响网的质量与点位的分布情况无关能达到大地测量所需要的精度水平白天和夜间均可作业经济效益显著三、三、GPS的特点的特点 空间部分空间部分24颗颗GPS卫星组成卫星组成用户部分用户部分 GPS接收机接收机地面监控部分地面监控部分 1个主控站个主控站 3个注入站个注入站 5个监控站个监控站 注入站 监控站监控站主控站四、GPS定位系统的组成注入站注入站GPS 空间星座部分空间星座部分v24颗卫星(21+3)v6个轨道平面v55轨道倾角v20200km轨道高度(地面高度)v11小时58分(恒星时)轨道周

5、期v5个多小时出现在地平线以上(每颗星)v在全球各处能观测到高度角15的卫星 4 颗以上GPS卫星（目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了目前轨道上实际运行的卫星个数已经超过了3232颗颗）GPS 卫星在轨道上的分布卫星在轨道上的分布vGPS卫星的基本功能：卫星的基本功能：1 1、接受和存储有地面监控站发来的导航信息，接受并执、接受和存储有地面监控站发来的导航信息，接受并执行监控站的控制命令；行监控站的控制命令；2 2、借助于卫星上设有的微处理机进行必要的数据处理工、借助于卫星上设有的微处理机进行必要的数据处理工作；作；3 3、通过星载的高精度铯原子钟和铷原子钟提供精密的时、通过星载的高精度铯

6、原子钟和铷原子钟提供精密的时间标准；间标准；4 4、向用户发送定位信息；、向用户发送定位信息；5 5、在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫星的姿态、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。和启用备用卫星。GPS 地面监控部分地面监控部分控控 制制 部部 分分 1 个个 主主 控控 站站 3 个个 注入站注入站 5 个个 监监 控控 站站 对于导航定位来说，对于导航定位来说，GPSGPS卫星是一动卫星是一动态的已知点，卫星的位置是依据卫星发态的已知点，卫星的位置是依据卫星发射的星历（描述卫星运动及其轨道的参射的星历（描述卫星运动及其轨道的参数）。每颗卫星的广播星历是由地面

7、监数）。每颗卫星的广播星历是由地面监控系统提供的。卫星上各种设备是否正控系统提供的。卫星上各种设备是否正常工作，以及能否一直沿着预定的轨道常工作，以及能否一直沿着预定的轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制，运行，都要由地面设备进行监测和控制，另地面监控站还可以保持各卫星处于同另地面监控站还可以保持各卫星处于同一时间标准一时间标准GSP地面控制站一个主控站一个主控站：科罗拉多斯必灵司三个注入站：三个注入站：阿松森(Ascencion)大西洋 迭哥伽西亚(Diego Garcia)印度洋 卡瓦加兰(kwajalein)太平洋五个监测站五个监测站 = 1个在主控站+3个在注入站+夏威夷(Hawai

8、i)5555H HawaiiawaiiA AscencionscencionDiego Diego GarciaGarciakwajaleikwajalein nColorado Colorado springssprings GPS 用户部分用户部分 1. GPS接收机的功能接收机的功能跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测量出信号从卫跟踪、接收、放大、处理卫星信号，测量出信号从卫星到天线的传播时间。星到天线的传播时间。解译导航电文，实时解算测站三维位置。解译导航电文，实时解算测站三维位置。2. GPS接收机的类型接收机的类型3. GPS接收机的发展接收机的发展1981年年GPS接收机问世接收机

9、问世测地型已从第一代发展到第三代测地型已从第一代发展到第三代,目前还在飞速发展目前还在飞速发展。 （2）按信号频率分：）按信号频率分： 单频（单频（L1） 双频（双频（L1和和L2）（1）按用途分：）按用途分：导航型导航型授时型授时型测地型测地型GPSGPS天线天线部分部分将微弱的卫星电将微弱的卫星电磁波信号转变为磁波信号转变为电信号电信号, ,并放大并放大GPSGPS主机主机部分部分1.1.变频器变频器2.2.信号通道信号通道3.3.微处理器微处理器4.4.存储器存储器5.5.显示器显示器GPSGPS电源电源部分部分大地型大地型GPS手持型手持型GPS机机车载型车载型GPS机机五、GPS的定

10、位原理vGPS定位的基本原理是：利用三个以上卫星的已定位的基本原理是：利用三个以上卫星的已知空间位置，用空间距离交会法，求得地面待定知空间位置，用空间距离交会法，求得地面待定点（接收机）的位置，这就是点（接收机）的位置，这就是GPS卫星定位的基卫星定位的基本原理。本原理。v但考虑到各种误差的影响，为了达到定位精度要但考虑到各种误差的影响，为了达到定位精度要求，至少需要同步观测求，至少需要同步观测4颗以上的卫星。颗以上的卫星。 卫星是高速运行的动态已知点，卫星的实时位置是卫星是高速运行的动态已知点，卫星的实时位置是由导航电文解算的，只要实时测量出测站（接受机由导航电文解算的，只要实时测量出测站（

11、接受机天线中心）至卫星间的距离，就可以进行测站点的天线中心）至卫星间的距离，就可以进行测站点的定位。公式如下定位。公式如下：式中（式中（x xJ J，y yJ J，z zJ J）为三个卫星某时刻的位置）为三个卫星某时刻的位置（j=1,2,3j=1,2,3）；）； ( (x xP P，y yP P，z zP P) ) 为测站点为测站点P P点坐标；点坐标；(1 1，2 2，3 3) ) 为卫星到接收机天线的为卫星到接收机天线的距离距离第二节第二节 GPS的主要应用的主要应用一、导航&定位v航运、航空搜索v陆路交通（车辆导航、监控、交通疏导）v船舶远洋导航和进港引水 v建立和维持全球性的参

12、考框架v板块运动和监测v布设城市控制网、工程测量控制网，进行各种工程测量市话网市话网市话网市话网市话网深深圳圳市市连连续续运运行行卫卫星星定定位位导导航航服服务务系系统统结结构构及及通通信信网网络络示示意意图图市电信局监控分析中心卫星定位信号发射台FM电台基准站1基准站2基准站3基准站4基准站5进入移动电话系统用户用户全向天线定向天线Modemv在航空摄影测量、地籍测量、海洋测量中的应用第三节 网络GPS在物流业中的运用v网络网络GPS的概念的概念卫星卫星定位定位公共公共GPS监控监控平台平台InternetGSMv网络GPS的特点定位速度快定位速度快保密性高、可靠保密性高、可靠系统容量大系统

13、容量大抗干扰能力强抗干扰能力强漫游性能好漫游性能好开放度高开放度高资源共享资源共享功能多功能多精度高精度高覆盖面广覆盖面广v网络GPS的工作流程v网络GPS对物流系统所起的作用实时监控功能实时监控功能1双向通信功能双向通信功能2动态调度功能动态调度功能3数据存储、分析功能数据存储、分析功能4非特许用户对美国限制性政策的措施非特许用户对美国限制性政策的措施uGLONASS 全球导全球导航卫星系统航卫星系统uGalileo系统系统u北斗系统：我国的北斗系统：我国的第一代卫星导航系统第一代卫星导航系统1、GLONASSu类似于类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电是俄罗斯以空间为基础的无线电导航

14、系统；导航系统；u其前身其前身CICADA与子午系统同期，于与子午系统同期，于19651965年设年设计，有计，有1212颗卫星；颗卫星；u2020世纪世纪7070年代中期开始启动年代中期开始启动GLONASS计划计划u19821982年年1010月月1212日发射第一颗日发射第一颗GLONASS卫星卫星u19961996年年1 1月月1818日，完成日，完成2424颗卫星的布局，卫星颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力具备完全工作能力GLONASSGPS/GLONASS系统参数比较GPSGLONASS卫星星座21+321+3轨道平面6 个轨道面3 个轨道面轨道倾角55。64.8。轨道高度20,

15、200km19,123km运行周期11 小时 58 分钟11 小时 15 分钟星历数据轨道开普勒根数地心直角坐标卫星寻址CDMA（码分多址）不同的卫星采用不同的PRN码加以区分FDMA（频分多址）（L1 ） 1602+k ?/16 MHz（L2 ） 1246+k?/16MHz载波频率L1 ： 1575.42MHzL2 ： 1227.6MHz1602.5625MHz1615.5MHz1246.4375MHz1256.5MHz基准坐标系WGS-84PZ-90测距码伪随机噪声码伪随机噪声码码元数1023 bit511 bit码周期1 ms1 ms码频率1.023 MHz0.511 MHz时间基准GP

16、S时统，与 UTC保持一定的差值，无跳秒GLONASS时统，经常调整与UTC保持一致，有跳秒导航电文37500 bits ，持续 750 秒7500 bits ，持续 150 秒2、Galileou背景背景：GLONASS在轨卫星缺失，在轨卫星缺失，GPS独霸市场独霸市场 GLONASS、GPS均由军方控制均由军方控制u欧盟欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统u特点特点：共享的独立于：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的的无增强条件下的适于海陆空的 系统。参股共建，收费。系统。参股共建，收费。u阶段阶段：（一）（一）2000

17、年前，可行性评估或定义年前，可行性评估或定义（二）（二）20012005，开发和检测，开发和检测（三）（三）20062007，部署，部署（四）（四）2008，商业运行，商业运行欧盟为何重视伽利略计划首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场首先，打破美国在这方面的垄断地位，为欧盟赢得可观的市场份额份额。 权威部门预计： 伽利略计划将为欧盟创造万个高技术含量的就业岗位；每年经济收益有亿欧元之多； 仅出售航空和航海终端设备一项就可在年至年将获得亿欧元收入第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全第二，欧盟开发此项目可为欧盟现在极力提倡的欧洲共同安全防御政策服务防御政策服务。

18、第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事第三，欧盟认为，没有科技上的领先地位，欧盟在将来许多事务中就没有主导权。务中就没有主导权。 Galileo计划的历程u历程历程：阿基米德：阿基米德- -GEO-HEO-MEO-LEO-Galileo主要面临的困难主要面临的困难： 投资巨大：“伽利略系统”高达36亿欧元的造价 美国政府的极力反对：美国的干扰在一定程度上推迟了“伽利略”计划的通过各国的态度各国的态度: : 美国：美国说“伽利略”是个很坏的计划 法国：对美国的垄断感到不满 德国、荷兰、 英国：经济Galileo计划概况计划概况伽利略计划的资金预计为32亿到36亿欧元系统由30颗高

19、轨道卫星组成，分布在轨道高度为2.4万千米、倾角为56度的3个轨道面上。基础设施包括天基和地基两部分。卫星将为用户提供精确的时间和误差不超过一米的全球精确定位服务，与美国GPS和俄罗斯的GLONASS争夺市场。 3、北斗系统目的：快速定位、目的：快速定位、实时导航，简短通讯，实时导航，简短通讯，精密授时精密授时 由两颗地球同步轨由两颗地球同步轨道卫星组成星座，卫道卫星组成星座，卫星结构简单星结构简单 定位工作主要在中心站完成，属于主动式导航定位系统二维导航和定位，高程结果需要由其他途径获得主要的优势在于军用：通讯、集团用户的调度和派遣北斗系统定位的特点北斗系统定位的特点地面中心站用户S1S2D

20、S1DS2D1D2集团用户解决方案集团用户解决方案 地面数据处理中心可以：地面数据处理中心可以：利用北斗用户的实时运行轨迹和相关地图对动态用户进行导航和交通管制遥测北斗用户接收机的工作状态，报警用户收发机的故障，识别用户身份，控制用户使用响应并回复集团用户对下属用户的定位审查湖州GPS全球定位管理服务系统系 统 简 介计价器 设备GPS 设备 出租车智能管理信息服务系统出租车智能管理信息服务系统智能调度管理系统GPS车辆监控系统营运信息分析系统企业行业管理系统110处警指挥系统网上招车与投诉系统GPS系统平台营运数据库平台营运监控平台Internet/DDN中国移动GPRS出租车智能管理信息服务系统出租车智能管理信息服务系统主主 要要 功功 能能GPS车载终端设备车载终端设备GPS湖州网控中心湖州网控中心110接接/处警系统处警系统GPS车载终端设备车载终端设备出租车调度中心出租车调度中心调度中心服务器调度中心服务器行业管理、出租车企业分控中心行业管理、出租车企业分控中心 / 企业在线管理系统企业在线管理系统公安监控中心公安监控中心 出租车智能管理信息服务系统 电话招车公安公交110处警行业管理及数据分析网上招车行业管