《现代物流设施与规划》课件-第11章 全球卫星定位导航系统

第11章全球卫星定位导航系统11.1各国的卫星定位导航系统11.2全球卫星导航系统的定位功能11.3北斗卫星导航系统11.4GPS在物流系统中的应用

第11章全球卫星定位导航系统11.1．各国的卫星定位导航系统

全球四大卫星导航系统：“北斗”导航系统（中国具有自主知识产权的卫星定位系统）、美国GPS、俄罗斯格罗纳斯（GLONASS）、欧盟“伽利略”系统。

全球卫星导航产业三大发展趋势：1、从单一GPS应用向多系统兼容应用转变2、从以导航应用为主向导航与移动通信3、互联网等融合应用转变，从终端应用为主向产品与服务并重转变美国GPS欧盟伽利略俄罗斯GLONASS中国北斗图11-1各国全球卫星导航系统11.1.1GPS简介全球定位系统（GlobalPositioningSystem-GPS）是美国从20世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，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位能力的新一代卫星导航与定位系统。美国GPS是一个中距离圆型轨道卫星导航系统，能为地球表面绝大部分地区提供准确的定位、测速和高精度时间标准。1.特点（1）定位精度高（2）观测时间短（3）测站间无须通（4）可提供三维坐标（5）操作简便（6）全天候作业（7）功能多、应用广2.GPS系统的构成

GPS全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。（1）卫星星座

GPS工作卫星及其星座由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道倾角为55度，各个轨道平面之间相距60度，即轨道的升交点赤经各相差60度。对于地面观测者来说，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算测站的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。（2）监控系统对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。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的参数算得的。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。提供每颗GPS卫星所播发的星历。监测和控制卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行。保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。（3）信号接收机GPS信号接收机的任务：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出其所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。静态定位，GPS接收机固定不变，高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。动态定位，则用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数。

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大部分。GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户,只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备，即GPS信号接收机,可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。

GPS接收机的分类1）按接收机的用途分类①导航型接收机：此类型接收机主要用于运动载体的导航，它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机价格便宜，应用广泛。此类接收机还可以分为：车载型——用于车辆导航定位；航海型——用于船舶导航定位；航空型——用于飞机导航定位。星载型——用于卫星导航定位。②测地型接收机：主要用于精密大地测量和精密工程测量。定位精度高。仪器结构复杂,价格较贵。③授时型接收机。这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时,常用于天文台及无线电通信中时间同步。

2)按接收机的载波频率分类①单频接收机:单频接收机只能接收L1载波信号,只适用于短基线（<15km）的精密定位。②双频接收机:双频接收机可以同时接收L1，L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样，可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响，因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。3)按接收机通道数分类为了分离接收到的不同卫星的信号，以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测，具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为：多通道接收机、序贯通道接收机、多路多用通道接收机。11.1.2伽利略（Galileo）卫星导航系统简介伽利略卫星导航系统(以下简称伽利略系统)是欧洲自主的、独立的全球多模式卫星定位导航系统,提供高精度、高可靠性的定位服务,同时它实现完全非军方控制、管理。1.伽利略系统的组成伽利略系统由空间段、地面段、用户3部分组成。1)空间段由分布在3个轨道上的30颗中等高度轨道卫星(MEO)构成。2)地面段包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构。3)用户端主要就是用户接收机及其等同产品。用户接收机将是多用途、兼容性接收机。2.伽利略系统的优势世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统,提供高精度、高可靠性的定位服务,实现完全非军方控制、管理,可以进行覆盖全球的导航和定位功能。能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作,任何用户将来都可以用一个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。可以发送实时的高精度定位信息,这是现有的卫星导航系统所没有的,能够保证在许多特殊情况下提供服务。

与美国的GPS相比,伽利略系统更先进,也更可靠。3.我国参与“伽利略”计划目前，全世界使用的导航定位系统主要是美国的GPS系统,欧洲人认为这并不安全。为了建立欧洲自己控制的民用全球导航定位系统,欧洲人决定实施“伽利略”计划。2003年9月18日,欧盟和中国草签了中国参与“伽利略”计划的协议；2004年10月9日,双方又签署了此项目的技术合作协议。此项目不但具有极高经济价值,也深具政治和军事战略意义。11.1.3我国的“北斗”系统简介2000年10月31日、2000年12月21日和2003年5月5日我国发射了3颗“北斗”静止轨道试验导航卫星,2007年2月3日成功发射第四颗北斗导航试验卫星,组成了“北斗”区域导航系统(又称为“北斗1代”卫星导航系统)。该系统具备在我国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能。在此基础上,我国开始着手建设拥有自主知识产权的全球卫星导航系统(北斗2代)──北斗全球卫星导航系统。北斗全球卫星导航系统的空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,可提供开放服务和授权服务两种服务方式。该系统可以在服务区域内的任何时间、任何地点为用户确定其所处的经纬度和海拔高度,并提供双向通信服务。11.1.4全球卫星导航系统的应用前景全球卫星导航系统不仅能够达到导航、收集情报等军事目的,而且用卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米级精度的静态相对定位,米级至亚米级精度的动态定位,亚米级至厘米级精度的速度测量。除了军事用途以外，全球卫星导航系统的应用还涉及以下领域:(1)船舶远洋导航和进港引水(2)飞机航路引导和进场降落(3)汽车自主导航(4)地面车辆跟踪和城市智能交通管理(5)紧急救生(6)个人旅游及野外探险(7)个人通信终端(与手机、PDA、电子地图等集成一体)11.2全球卫星定位导航系统的定位功能11.2.1GPS定位的基本原理

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。

图11-2GPS定位基本原理图假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式：

[(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2]1/2+c(Vt1-Vt0)=d1[(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)2]1/2+c(Vt2-Vt0)=d2[(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)2]1/2+c(Vt3-Vt0)=d3[(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)2]1/2+c(Vt4-Vt0)=d4上述四个方程式中c为GPS信号的传播速度（即光速），di=c△ti(i=1、2、3、4)，di(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离，△ti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。

四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z

为待测点坐标的空间直角坐标。xi、yi、zi

(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。

Vti

(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。

Vt0为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z

和接收机的钟差Vt0。

GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离，由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对A码测得的伪距称为A码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。11.2.2GPS定位方式

1.定位误差在定位过程中，存在着三部分误差。一部分是对每一个用户接收机所公有的；第二部分为不能由用户测量或由校正模型来计算的传播延迟误差；第三部分为各用户接收机所固有的误差。利用差分技术，第一部分误差完全可以消除，第二部分误差大部分可以消除，第三部分误差则无法消除。2.定位方式GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量。相对定位（差分定位）是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量。

在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差，相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高。双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。在定位观测时,若接收机相对于地球表面运动,则称为动态定位,在定位观测时,若接收机相对于地球表面静止,则称为静态定位。在进行控制网观测时,一般均采用这种方式由几台接收机同时观测,它能最大限度地发挥GPS的定位精度。专用于这种目的的接收机被称为大地型接收机,是接收机中性能最好的一类。

11.2.3差分定位差分技术实际上是在一个测站对两个目标的观测量、两个测站对一个目标的观测量或一个测站对一个目标的两次观测量之间进行求差。根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类,即位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式相同的是工作原理，不同的是发送改正数的具体内容以及差分定位精度。

1.位置差分原理——最简单的差分方法

安装在基准站上的GPS接收机观测4颗卫星后便可进行三维定位,解算出基准站的坐标。基准站利用数据链将此改正数发送出去,由用户站接收,并且对其解算的用户站坐标进行改正。

最后得到的改正后的用户坐标已消去了基准站和用户站的共同误差,以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。2.伪距差分原理——用途最广的一种技术在基准站上的接收机将计算出的卫星距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个α-β滤波器将此差值滤波并求出其偏差。然后将所有卫星的测距误差传输给用户,用户利用此测距误差来改正测量的伪距。最后,用户利用改正后的伪距来解出本身的位置,就可消去公共误差,提高定位精度。与位置差分相似,伪距差分能将两站公共误差抵消,但随着用户到基准站距离的增加又出现了系统误差,这种误差用任何差分法都是不能消除的。用户和基准站之间的距离对精度有决定性影响。3.载波相位差分原理——更加精密的测量技术载波相位差分技术又称为RTK技术,是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。它能实时提供观测点的三维坐标,并达到厘米级的高精度。与伪距差分原理相同,由基准站通过数据链实时将其载波观测量及站坐标信息一同传送给用户站。用户站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位,并对相位差分观测值进行实时处理,能实时给出厘米级的定位结果。实现载波相位差分GPS的方法分为两类:修正法和差分法。前者与伪距差分相同,基准站将载波相位修正量发送给用户站,以改正其载波相位,然后求解坐标。后者将基准站采集的载波相位发送给用户台进行求差解算坐标。前者为准RTK技术,后者为真正的RTK技术。11.3北斗卫星导航系统我国“北斗”卫星导航系统的建设分为三步走：第一步，“北斗1号”系统，已于2003年建成并投入运营；第二步，“北斗2号”区域系统，于2012年建成，提供覆盖亚太地区的能力；第三步，预计2020年建成覆盖全球高精度的“北斗2号”全球系统。11.3.1“北斗1号”系统

“北斗1号”系统由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成(见图11-3)。空间部分由两颗地球同步轨道卫星(GEO)组成。卫星上带有信号转发装置,可完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。用户终端分为:定位通信终端、集团用户管理站终端、差分终端、校时终端等。图11-3

“北斗1号”系统组成图1.“北斗1号”系统工作原理“北斗1号”卫星定位系统是利用地球同步卫星为用户提供快速定位、简短数字报文通信和授时服务的一种全天候、区域性的卫星定位系统。（1）主要功能:①定时②通信③授时（2）工作原理①由中心控制系统向卫星1和卫星2同时发送询问信号；②经卫星转发器向服务区内的用户广播；③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；④经卫星转发回中心控制系统；⑤中心控制系统接收并解调用户发来的信号,然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。A、对定位申请,中心控制系统测出两个时间延迟；B、算出用户到第一颗卫星的距离,以及用户到两颗卫星的距离之和,从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面,和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上；C、中心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值,又可知道用户处于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上,最终可计算出用户所在点的三维坐标；D、这个坐标经加密后由出站信号发送给用户。（3）性能①覆盖范围：北纬5°∽55°、东经70°∽140°之间的心脏地区,上大下小,最宽处在北纬35°左右。②定位精度为水平精度100m,设立标校站之后为20m。③工作频率为2491.75MHz。④系统能容纳的用户数为每小时540，000户。2.“北斗1号”与GPS的比较北斗1号GPS覆盖范围我国本土的区域导航系统全球的全天候导航系统卫星数量地球赤道平面上2颗地球同步卫星6个轨道平面上设置24颗卫星轨道特性两颗卫星的赤道角距约60°轨道赤道倾角为55°,轨道面赤道角距为60°定位原理主动式双向测距二维导航被动式伪码单向测距三维导航定位精度三维定位精度约几十米,授时精度约100ns三维定位精度P码6m,C/A码12m,授时精度约20ns用户容量有限无限生存能力对中心控制系统的依赖性更大对中心控制系统的依赖性相对小11.3.2“北斗2号”系统北斗卫星导航系统（简称北斗系统，英文名称为BeiDouNavigationSatelliteSystem），一般是指中国的第二代卫星导航系统，英文简称BDS，也被称为北斗2号，是我国正在实施的自主发展、独立运行的，与世界其他卫星导航系统兼容共用的全球卫星导航系统，也是我国最关键的国家基础设施之一。“北斗2号”卫星导航系统由空间段、地面段和用户段三部分组成，空间段包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面段包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站，用户段包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容。

“北斗2号”卫星导航系统空间段有两种服务方式。①开放服务是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。②授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务信息。北斗卫星导航系统与GPS和GLONASS系统最大的不同，在于它不仅能使用户知道自己的所在位置，还可以告诉别人自己的位置在什么地方，特别适用于需要导航与移动数据通信场所。2012年12月北斗2号卫星导航系统开始向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务，标志我国卫星导航系统发展“三步走”战略的第二步取得了全面胜利。11.4GPS在物流系统中的应用11.4.1GPS车辆监控调度系统GPS车辆监控调度系统主要由三部分组成：车载终端、无线数据链路和监控中心。GPS车调系统的建设，首先要考虑监控覆盖范围、实时性、调度业务、车辆容量、刷新速率等的要求，来选择合适的无线数据链路和电子地图。就目前的GPS车调系统而言，无线数据链路应用较多的为GSM通信方式，这主要由于其覆盖范围广、无需架设基站、可实现语音/短信等功能优点所决定的。其系统组成如下图所示。图11-4

GPS车辆监控调度系统图11-4

GPS车辆监控调度系统1.车载终端车载终端设备包括：控制单元（CPU）、显示单元（可选）、GPS、GPS天线、GSM手机（或其他通信模块）、防盗报警器（可选）。主要功能为：(1)防盗报警功能。(2)导航功能。GPS提供移动目标的准确位置、速度和方向等数据，无差分的定位精度在10米左右，差分精度为3-5米。系统可以通过调度中心进行导航，也可以在终端上存储电子地图，实时显示移动目标在电子地图上的位置。根据目的地，选择行驶的最佳路线，并可以做到偏航报警。(3)通话功能。车载GSM手机可进行语音通话，当用户离车时还可将手机取下正常使用。图11-5常用的车载终端a)物流车载终端b)调度型车载终端c)自导航车载终端(豪华型)d)普通型车载终端2.无线数据链路

无线数据传输设备作为基站与各移动目标进行信息交换的枢纽，是整个车调中的重要组成部分，其选择方案包括以下几种：

（1）公网设备。GSM、CDMA、CDPD（无线数据公网）（2）集群通信。如公安上用的350M、800M集群系统（3）常规电台。采用专用信道和无线MODEM选择适合的无线数据传输设备关键要从以下几点来统一权衡:1)收发转换时间。首先考虑2)接入方式:①网络方式②单机方式3)碰撞处理:①常规电台②集群和公网这三种无线链路在各方面的比较如表11-1所示。表11-1无线链路比较表

公

网集

群常

规覆盖范围最

广取决于基站数量取决于基站数量建设成本无成本成本高成本较高系统容量大较

大小实时性差较

快最

快功能性——群呼不支持支

持支

持3.监控中心监控中心的设备组成包括：数据库、监控终端/GIS终端、业务处理终端、前端接入设备。工作人员可通过监控系统监控所有入网移动目标的运动。主要功能：(1)车辆调度功能(2)监控报警功能(3)信息查询功能4.车调系统的应用(1)公交车监控和调度系统。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。(2)出租车监控和调度系统。(3)运钞车监控系统。(4)长途运输车监控系统。11.4.2GPS在物流运输中应用的优势1.GPS技术应用流程货主交付货物后,物流公司将提货单和密码交给货主,同时将货单输入到因特GPS物流平台中;当货物装到运输车辆后,将代表该车辆的SIM卡号与货单联系起来。这样,货主和物流公司都可以随时随地通过因特网按货单号和密码查询货物当前的运输地理位置。2.物流企业的主要任务(1)提供物流车辆,并提供每辆车的SIM卡。(2)录入货单,将货单号与承担运输车辆的SIM卡号联系起来。(3)提供货主每张单据的密码。(4)货物交付后,转移单据保存,撤销密码。(5)收取货主运输费用。(6)支付网络服务商服务费用。(7)向GSM网运营商支付短消息费用及SIM卡费用。3.货主货主的权责包括交付货物,并支付运输款,利用密码和单据号码,随时上因特网查询货物实际地点,向相关部门支付信息费用。4.网络GPS功能(1)实时监控功能1)能够在任意时刻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)运输工具及商品状态信息及时反馈,可提高反应速度,降低投诉率。3)车辆出车后就可立即掌握其行踪。4)客户及客户的客户也可登录网络查询货物运送状况,实时了解货物的动态信息,真正做到让客户安心、放心。5)网络GPS监控系统建立在互联网这一开放式公共平台上的,可以提前在线预告车辆的实时信息及精确的抵达时间,其他用户则根据具体情况合理安排回程配货,为运输车辆排解了后顾之忧。(2)双向通信功能1)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。2)驾驶员通过按下相应的服务、动作键,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,以便了解并控制整个运输作业的准确性。(3)动态调度功能1)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。2)可快速解决客户问题,满足客户日益增长的服务需要。3)可实时掌握车辆的动态。4)可进行运输工具待命计划管理。5)运能管理。将运输工具的运能信息、维修记录信息、司机人员信息、运输工具的在途信息等多种信息提供给调度部门决策。(4)数据存储、分析功能1)路线规划。2)路线优化。3)可靠性分析。4)服务质量跟踪。5)依据资料库储存的信息,可随时调阅每台运输工具的以前工作资料,并可根据各管理部门的不同要求制作各种不同形式的报表,使各管理部门能更快速、更准确地作出判断及提出新的指示。5.产品中采用的新技术(1)存储器采用预存定位信息的方式,可以减少GSM网盲区问题,降低短消息费用,对车辆的工作路径进行有效管理。(2)有效利用话音信道回传大数据量时,可减少传输数据费用；发送报警信号时,可防止由于短消息延迟造成的阻塞。11.4.3基于GPS/GIS/GSM的物流配送监控系统

地理信息系统(GIS)是一个能够获取、存储、管理、查询、模拟和分析地理信息的计算机系统。

全球数字移动系统(GlobalSystemsforMobileCommunications,GSM)是目前国内覆盖面最广、系统可靠性最高的数字移动蜂窝通信系统。GSM以统一的方式向各地用户提供具有所有电信业务的国内和国际漫游,具有通信范围广、系统运行可靠、经济实用、投资少、易普及、各地监控中心易于联网等特点。随着GPS/GIS/GSM技术的发展、成熟,使得物流配送可以依托3G的强大地理信息处理功能以及定位、通信能力对整个配送过程进行空间网络分析与配送跟踪。1.系统模型3G物流配送系统一般由多个车载台和1个监控中心(可包括几个监控分中心)两大部分组成,其系统工作原理如图11-6所示。（1）车载台由GPS接收机、GPS控制系统、GSM通信系统组成。（2）物流配送监控中心是整个系统的核心,由GSM通信系统、监控中心计算机、GIS数据库等部分组成。图11-6物流配送监控系统工作原理2.系统功能