导航定位技术与地理信息系统分解课件

1、第十章 导航定位技术与地理信息系统一、全球定位系统（Global Position System，GPS） GPS系统简介 1973年，美国国防部批准其海陆空三军联合研制新一代卫星导航系统，即授时和测距导航卫星，或称全球定位系统（Navigation Satellite Timing and Ranging/Global Positioning System, NAVSTAR/GPS），简称GPS系统。GPS系统采用延时测距的被动式导航体制，能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全天候、全天时、高精度的三维位置、三维速度和一维时间的7维定位、导航和授时服务，用户的数量没有任何限制。第一节 卫星

2、导航定位系统 3 1978年2月发射第一颗GPS卫星，1994年3月24颗卫星构成的星座部署完毕，GPS系统正式建成，系统总共耗资200亿美元。GPS开始时只用于军事目的，1994年，美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS使用权，但美国只向外国提供低精度的卫星信号。据信该系统有美国设置的“后门”，一旦发生战争，美国可以关闭对某地区的信息服务。它是利用分布在2万公里高空的多颗人造卫星，对地面或接近地面的目标进行定位（包括移动速度和方向）和导航的系统。具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。GPS卫星轨道示意图车载导航仪 5GPS系统构成 （1）空间部分-GPS卫星星座：GPS卫星星座

3、由24颗卫星组成。 （2）地面控制部分-地面监控系统：地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、1个主控站和3个数据注入站构成。3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的3个美国军事基地上。注入站的任务是将主控站计算出的卫星参数发送给卫星，同时向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。5个监测站分别设在主控站、3个注入站及夏威夷岛。监测站负责对诸卫星进行连续跟踪和监视，测量每颗卫星的位置和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控站进行处理，5个监控站均为无人值守的数据采集中心。7（3）用户设备部分-GPS信号接收机：用户部分主要是GPS接收机，接收机硬件和机内

4、软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备。空间段注入站监测站主控站主控站：1个;监测站：5个;注入站：3个; 通讯与辅助系统。空间部分：卫星分布 24颗卫星分布在2万公里的太空； 每4颗卫星工作在同一轨道平面内，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面，彼此夹角为60； 轨道平面相对于赤道的倾角为55 ； 卫星离地面高度20200km； 12恒星时(11hr58min2.05s)绕地球一周； 地球上任何地方任何时刻同时可收到4颗以上GPS卫星的信号。7/31/20229 GPS信号精度 (1)C/A码又被称为粗捕获码，精度为29.3m到2.93米。 (2) P(Y)码又被称为精码，精

5、度为2.93米到0.293米。 GPS系统的定位原理 每个太空卫星在运行时，任一时刻都有一个坐标值来代表其位置所在(已知值)，接收机所在的位置坐标为未知值，而太空卫星的信息在传送过程中，所需耗费的时间，可经由比对卫星时钟与接收机内的时钟计算之，将此时间差值乘以电波传送速度(一般定为光速)，就可计算出太空卫星与使用者接收机间的距离，如此就可依三角向量关系来列出一个相关的方程式。每接收到一颗卫星就可列出一个相关的方程式，因此在至少收到三卫星后，即可计算出平面坐标(经纬度)值，收到四颗则加上高程值，五颗以上更可提高准确度。2 3 1 S1(x1,y1,z1) S2(x2,y2,z2) S3(x3,y

6、3,z3) P(x,y,z) 用距离交会的方法求解P点的三维坐标（x,y,z）的观测方程为： (含有各种误差) 理想状态下：定位参考标准世界大地坐标（WGS84）定位需求（x,y,z)数学问题已知相对点（卫星坐标）三个距离=c*t光速c时间差t1=t1 t误差接收机钟面时间卫星钟面时间电离层、对流层等等说明t1和t并不在同一个标准下未知数增多会增加几个？ 实际上， 卫星与GPS接收机的几何距离； 伪距；1电离层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得；2对流层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得；ti 第i颗卫星的钟差（卫星时间与理想GPS时间的差），可根据卫星星历求得；t

7、k 接收机钟差（接收机时间与理想GPS时间的差，未知）。(i=1,2,3,4) 15二、俄罗斯“格洛纳斯” (GLONASS) 尚未部署完毕。始于上世纪70年代，需要至少18颗卫星才能确保覆盖俄罗斯全境；如要提供全球定位服务，则需要24颗卫星。上世纪90时代，系统所含卫星数量一度达标，但由于经费短缺，部分失效卫星未获更新，最严重时，仅只6颗卫星正常工作。目前，“格洛纳斯”导航系统共有21颗卫星。轨道高度1万9000公里，运行周期11小时15分，位置精度提高到1015M，定时精度提高到2030NS，速度精度达到0.01MS GLONASS卫星定位系统示意图 组成GLONASS系统的卫星17三、欧

8、盟“伽利略”(galileo) 1999年，欧洲提出计划，准备发射30颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统。“伽利略”卫星定位系统将由30颗轨道卫星组成，卫星的轨道高度为2.4万公里，倾角为56度，分布在3个轨道面上，每个轨道面部署9颗工作星和1颗在轨备用星，其地面定位服务的误差不超过1米，该系统的一些设计优于美国现有的GPS全球卫星定位系统。欧盟于2002年正式批准伽利略计划，目标是建成一个覆盖全球的卫星导航系统，但由于资金等原因，伽利略计划的进展并不顺利，目前仅发射2颗卫星，今年该计划正式启动。伽利略计划总共投资约33亿欧元，按照中国和欧盟15个国家以平等地位参与合作的原则，中国将出资2亿欧

9、元左右。 18伽利略卫星定位系统模拟图 伽利略卫星效果图 19四、北斗卫星导航定位系统 1.“北斗一号”(后更名为“北斗导航试验系统”） 2003年我国北斗一号建成并开通运行，“北斗一号”系统是在地球同步轨道上运行，即在离地球3.6万公里的高度上运行,系统由3颗北斗定位卫星(两颗工作卫星、一颗备用卫星)、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部分组成，定位最高精度可达10米。“北斗一号”系统在导航方式上也与美俄的全球定位卫星有一定的差距。“北斗一号”属于主动式的。不同于GPS，“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流。这是由于“北斗一号”本身是两维导航系统，仅靠两颗星的观测量尚不能定位，观测

10、量的取得及定位解算均需在地面中心站进行。北斗二号系列卫星今年起将进入组网高峰期，预计在2015年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统。 对定位申请，地面站测出两个时间延迟：即从地面站发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回地面站的延迟（p1+r1+r1+p1）；和从地面站发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回地面站的延迟（p1+r1+r2+p2）。由于地面站和两颗卫星的位置均是已知的（可算出p1和p2），因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的伪距离（r1），以及用户到两颗卫星距离之和（r1+r2）。 定位原理

11、 首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，径卫星转发器项服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，径卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用的申请服务内容进行相应的数据处理。从而知道用户处于一个分别以两颗同步卫星为球心，以卫星到用户接收天线距离为半径，构成的两个球面的交线上，这个交线是一个圆。另外地面站从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。圆与不规则球面相交，得两个点，分别位于南北半球，取北半球的点即为用户机的位置。从而地面站可最终计算出用户所在点

12、的三维坐标，这个坐标经中心站加密后加入出站广播电文中，通过卫星发送给用户。 08年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流。汶川地震发生的第三天上午，成都军区应急通信小分队搭乘直升机抵达震中汶川县城。这支应急通信小分队只有十人，但是他们携带卫星电话、电台，立即开设通信中心，恢复了汶川县城中断多时的通信。这就是“北斗”系统，在通信中断的情况下，显示了国产导航系统的威力。也是“北斗”系统，十五日传回汶川地震灾区的最新灾情和救援情况，传来大部分救援部队已经到达指定救援位置，在灾区各乡镇展开全面搜救的好消息。242.“北斗二号”（后更名为”北斗卫星导航定位

13、系统”） 正在建设的的“北斗二号”全球卫星导航定位系统是建立在“北斗一号”区域卫星导航系统基础上的，但不是北斗一号的简单延伸，更类似于GPS全球定位系统和伽利略。我国将在今年和明年两年发射10颗左右的导航卫星，预计在2015年建成由30多颗卫星组成的，覆盖全球的“北斗二号”卫星导航定位系统。在精确度方面，“北斗二号”也可以精确到“厘米”之内整个系统将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供即开放服务和授权服务。发射时间火箭卫星编号卫星类型2000年10月31日北斗-1A北斗1号2000年12月21日北斗-1B2003年5月25日北斗-1C2007年2月3日北斗-1D2007年4月14

14、日04时11分长征三号甲第一颗北斗导航卫星（M1）北斗2号2009年4月15日长征三号丙第二颗北斗导航卫星（G2）2010年1月17日第三颗北斗导航卫星（G1）2010年6月2日第四颗北斗导航卫星（G3）2010年8月1日05时30分长征三号甲第五颗北斗导航卫星（I1）2010年11月1日00时26分长征三号丙第六颗北斗导航卫星（G4）2010年12月18日04时20分长征三号甲第七颗北斗导航卫星（I2）2011年4月10日04时47分第八颗北斗导航卫星（I3）2011年7月27日05时44分第九颗北斗导航卫星（I4）2011年12月2日05时07分第十颗北斗导航卫星（I5）2012年2月25

15、日0时12分长征三号丙第十一颗北斗导航卫星2012年4月30日4时50分长征三号乙第十二、第十三颗北斗导航系统组网卫星（“一箭双星”）2012年9月19日3时10分长征三号乙第十四、十五颗北斗导航系统组网卫星“一箭双星）2012年10月25日23时33分长征三号丙第十六颗北斗导航卫星2016年2月1日15时29分长征三号丙第五颗新一代北斗导航卫星2016年6月12日23时30分长征三号丙第二十三颗北斗导航卫星中国北斗二号卫星导航系统示意图中国北斗二号空间结构图用于车辆自定位、跟踪调度、线路规划；用于铁路运输管理；用于船队最佳航程和安全航线的测定、航向的实时调度、监测；用于空中交通管理、精密进场

16、着陆、航路导航和监视；用于信息查询和紧急救援；用于军事物流。 五、导航定位系统在物流管理中的应用 GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统。 基站子系统（简称基站BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系统由移动交换中心（MSC）和操作维护中心（OMC）以及原地位置寄存器（HLR）、访问 位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）和设备标志寄存器（EIR）等组成。第二节 全球移动通信系统定位 1. GSM定位原理（1）基于网络的定位技术 起源蜂窝小区COO(Cell Of Origin)定位技术 根据移动台所处的小区标识号ID来确定用户的位置

17、。移动台在当前小区注册后，在系统的数据库中就会有相对应的小区ID号。只要系统能够把该小区基站设置的中心位置（在当地地图中的位置）和小区的覆盖半径广播给小区范围内的所有移动台，这些移动台就能知道自己处在什么地方，查询数据库即可获取位置信息 抵达时间TOA(Time Of Arrival)定位技术 它是基于测量信号从移动台发送出去并到达消息测量单元（3个或更多基站）的时间来定位。移动台位于以基站为圆心、移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。通过多个基站进行计算，移动台的二维位置坐标可由3个圆的交点确定。 OrArBrC基站A基站B基站C 角度到达AOA(Arrival Of Angle)定位技术

18、 该技术根据信号到达的角度，确定移动台相对于基站的角度关系，只要测量一个移动台距两个基站的信号到达角度，就可以确定出移动台的位置 基站1基站2移动台位置 抵达时间差异TDOA(Time Difference Of Arrival)定位技术 该定位技术是通过检测信号到达两个基站的时间差，而不是到达的绝对时间来确定移动台位置的，降低了对时间的同步要求。移动台定位于以两个基站为焦点的双曲线方程上。确定移动台的二维位置坐标需要建立两个以上双曲线方程，两条双曲线的交点即为移动台的二维位置坐标。 基站1基站2估计位置基站3（2）基于移动终端的定位技术 增强型观察时间差EOTD、 A-GPS（Assista

19、nt GPS） （3）混合定位技术 混合定位技术即利用移动终端定位功能与网络定位功能的结合。（4）定位方式的选择二、GSM定位在物流管理中的应用（1）车辆实时监控调度 （2）实时货运派单 （3）货运定单跟踪 （4）运输线路优化 （5）车辆反劫防盗，远程遥控（6）物流信息服务及货运车辆(人员)管理第三节 地理信息系统 是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。 其基本功能是将表格型数据（无论是来自数据库、电子表格文件或直接在程序中输入）转换为地理图形显示，

20、然后对显示结果浏览、操作和分析。 显示范围可以从洲际地图到非常详细的街区地图，显示对象包括人口、销售情况、运输线路以及其他内容。 一、GIS的构成 二、GIS的功能三、空间数据的获取地图遥感影像数据社会经济数据实测数据数字数据文本、报告和立法文件1GIS数据的来源2GIS数据的采集属性数据的采集几何数据的采集四、空间数据管理（一）空间数据的分类 在地理信息系统中，按照空间数据的特征，可将其分为三种类型：空间特征数据（定位数据）、专题特征数据（非定位数据）和时间属性数据（尺度数据）。 1. 空间特征数据 2. 专题特征数据 3. 时间属性数据（二）空间数据结构及编码 1.栅格结构 栅格数据的图形

21、表示：栅格结构是以规则的像元阵列来表示空间地物或现象的分布的数据结构，其阵列中的每个数据表示地物或现象的属性特征。 栅格数据的图形表示 2 2 1 2 2 3 3 2 3 3 3 2 3 3 3 2 3 3 3 2 栅格化 1 2 3 2.栅格数据压缩编码 （1）直接栅格编码 这是最简单直观而又非常重要的一种栅格结构编码方法，通常称这种编码的图像文件为网格文件或栅格文件。栅格结构不论采用何种压缩编码方法，其逻辑原型都是直接编码网格文件。直接编码就是格栅格数据看作一个数据矩阵，逐行（或逐列）逐个记录代码，可以每行都从左到右逐个像元记录，也可以奇数行从左到右而偶数行从右到左记录，为了特定目的还可采

22、用其他特殊的顾序。 （2）链式编码 基本方向可定义为：东0，东南1，南2，西南3，西4，西北5，北6，东北7等8个基本方向 如果对于图10-16所示的线状地物确定其起始点为像元（1，5）。则其链式编码为：1，5，3，2，2，3，3，2，3。 对于图10-16所示的面状地物，假设其原起始点定为像元（5，8）。则该多边形边界按顺时针方向的链式编码为：5，8，3，2，4，4，6，6，7，6，0，2，1。 （3）游程长度编码 游程长度编码是栅格数据压缩的重要编码方法，它的基本思路是：对于一幅栅格图像，常常有行（或列）方向上相邻的若干点具有相同的属性代码，因而可采取某种方法压缩那些重复的记录内容。 其编

23、码方案是，有相同属性值的邻近像元被合并在一起称为一个游程，游程用一对数字表达；每个游程对中的第一个值表示游程长度，第二个值表示游程属性值（类别）；每一个新行都以一个新的游程开始。 例如对图10-17所示的栅格数据，可沿行方向进行如下游程长度编码：(0,1), (4,2), (7,5), (4,5), (7,3), (4,4), (8,2), (7,2), (0,2), (4,1), (8,3), (7,2), (0,2), (8,4), (7,1), (8,1), (0,3), (8,5), (0,4), (8,4), (0,5), (8,3)。 （4）块状编码（Block Codes） 块码

24、是游程长度编码扩展到二维的情况，采用方形区域作为记录单元，每个记录单元包括相邻的若干栅格，数据结构由初始位置（行、列号）和半径，再加上记录单元的代码组成。 根据块状编码的原则，对图10-17所示图像可以用22个单位正方形，6个4单位的正方形和 2 个9 单位的正方形就能完整表示，如图8-18所示，具体编码如下： 根据块状编码的原则，对图10-17所示图像可以用22个单位正方形，6个4单位的正方形和 2 个9 单位的正方形就能完整表示，如图10-18所示，具体编码如下：(1,1,1,0), (1,2,2,4), (1,4,1,7), (1,5,1,7), (1,6,2,7), (1,8,1,7)

25、, (2,1,1,4), (2,4,1,4), (2,5,1,4), (2,8,1,7), (3,1,1,4), (3,2,1,4), (3,3,1,4), (3,4,1,4), (3,5,2,8), (3,7,2,7), (4,1,2,0), (4,3,1,4),(4,4,1,8), (5,3,1,8), (5,4,2,8), (5,6,1,8), (5,7,1,7), (5,8,1,8), (6,1,3,0), (6,6,3,8), (7,4,1,0), (7,5,1,8), (8,4,1,0), (8,5,1,0)。 （5）四叉树编码（Quad-tree Codes） 四叉树将整个图像区

26、逐步分解为一系列被单一类型区域内含的方形区域，最小的方形区域为一个栅格像元。分割原则是：将图像区域划分为4个大小相同的象限，而每个象限又可根据一定规则判断是否继续等分为次一层的4个象限。其终止判据是：不管是哪一层上的象限，只要划分到仅代表一种地物或符合既定要求的少数几种地物时，不再继续划分；否则，一直划分到单个栅格像元为止。四叉树通过树状结构记录这种划分，并通过这种四叉树状结构实现查询、修改、量算等操作。 四叉树编码又称为四分树、四元树编码。它是一种更有效地压缩数据的方法。它将2n2n像元阵列连续进行4等分，一直分到正方形的大小正好与象元的大小相等为止，而块状结构则用四叉树描述，习惯上称为四叉

27、树编码。 图10-19a为图10-17原始数据的四叉树分解，其四叉树如图10-19b所示。图10-19b中最上面的那个结点叫做根结点，它对应整个图形。总共有4层结点，每个结点对应一个象限，如第2层4个结点分别对应于整个图形的4个象限，各列次序依次为南西（SW）、南东（SE）、北西（NW）和北东（NE），不能再分的结点称为终止结点（又称叶子结点），可能落在不同的层上，该结点代表的子象限具有单一的代码。所有终止结点所代表的方形区域覆盖了整个图形。从上到下、从左到右为叶子结点编号，如图10-19b所示，共有40个叶子结点，也就是原图被划分为40个大小不等的方形子区。图10-19b中最下面的一排数字表示各子区的代码。 3. 矢量结构 矢量数据的图形表示：矢量方法将地理现象或事物抽象为点、线、面实体，将它们放在特定空间坐标系下进行采样记录 4矢量数据压缩编码 （1）矢量数据编码的内容 矢量数据结构通过记录空间对象的坐标及空间关系来表达空间对象的位置。其编码内容包括： 点：空间的一个坐标点； 线：多个点组成的弧段； 多边形：不但要表示位置和属性，更重要的是能表达区域的拓扑特征，如形状、邻域和层次结构等，以便使这些基本的空间单元可以作为专题图的资料进行显示和操作。 （2）坐标序列法A: x1,y1;x2,y2;x3,y3;x4,y4;x5,y5;x6,y6;