第7章GPS技术

1、1第7章GPS技术n7.1 GPS技术与发展n7.2 GPS系统组成n7.3 GPS工作原理n7.4 GPS特点n7.5 各国GPS政策及发展n7.6 GPS的应用27.1 GPS技术与发展n7.1.1 GPS定义n全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从本世纪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。 37.1.2 发展历程 nGPS卫星定位系统在1991年的海湾战争中首次得到实战应用，并获得不菲的战绩。随后，又在科索沃战争、阿富汗战争和伊拉克

2、战争中大显身手。如美国B-2战略隐形轰炸机本身就采用了全球定位系统进行导航定位，而所携带的16枚制导炸弹由激光制导改为全球定位系统制导后，使该机具备了夜间和全天候精确打击能力。 41.早期的导航技术 n最早的导航仪是中国人发明的指南针，几个世纪以来它经过不断的改进而变得越来越精密，并一直为人类广泛应用着；最早的航海表是英国人John Harrison经过47年的艰苦工作于1761年发明的，在其随后的两个世纪，人类通过综合地利用指南针和航海表来进行导航和定位。 52.惯性导航技术 n二十世纪初开始海员们通过测量船体的速度增量并进行外推来确定自己的位置（Dead reckoning）；随后人们又发

3、明了惯性导航技术（Inertial Navigation），即通过对加速度计所记录的载体加速度进行积分来确定位置。 63.地基电子导航系统 n地基电子导航系统（Ground-based Radionavigation System）主要由在世界各地适当地点建立的无线电参考站组成，接收机通过接收这些参考站发射的无线电电波并由此计算接收机到发射站的距离来确定自己的位置。 74.空基电子导航系统 n空基电子导航系统统称为卫星电子导航系统，第一代卫星电子导航系统的代表是美国海军武器实验室委托霍普金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统（Navy Navigation Satellite Syste

4、m NNSS）。在该系统中卫星的轨道都通过地极，故也称“子午仪（Transit）卫星系统”。 85.全球定位系统（GPS） n1973年美国国防部批准其陆海空三军联合研制第二代卫星导航定位系统-授时与测距导航系统。从1973年到1993年，GPS系统的建立经历了近20年，耗资300亿美元，它是继阿波罗登月计划和航天飞机计划后的第三项庞大空间计划 。 97.2 GPS系统组成 nGPS定位技术是利用高空中的GPS卫星，向地面发射L波段的载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实时地连续接收，并计算出接收机天线所在的位置。 因此，GPS系统主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部

5、分。 10这三部分有各自这三部分有各自独立的功能和作独立的功能和作用，对于整个全用，对于整个全球定位系统来说球定位系统来说，它们都是不可，它们都是不可缺少的。缺少的。117.2.1 空间星座部分 n1.组成nGPS的空间星座部分中24颗卫星基本均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对赤道平面的倾角为55，各轨道平面之间的交角为60，每个轨道平面内的卫星相差90，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30。卫星轨道平均高度为20200km。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而不同，可为411颗 121314u铯原子钟铯原子钟u计算机计算机

6、u2 2块块7m7m2 2的太阳能翼板的太阳能翼板u无线电收发两用机无线电收发两用机u导航荷载（接收数据，导航荷载（接收数据，发射测距和导航数据）发射测距和导航数据）u姿态控制和太阳能板指姿态控制和太阳能板指向系统向系统2.GPS卫星结构15GPSGPS卫星结构卫星结构双叶对日定向太阳能双叶对日定向太阳能电池帆板，全长电池帆板，全长5.33m，接受日光面，接受日光面积积7.2m2。多波束定向天线，这是一种由多波束定向天线，这是一种由12个单元构成个单元构成的成形波束螺旋天线阵，能发射的成形波束螺旋天线阵，能发射L1和和L2波段波段的信号，其波束方向图能覆盖约半个地球。的信号，其波束方向图能覆盖

7、约半个地球。在星体两端面上在星体两端面上装有全向遥测遥装有全向遥测遥控天线，用于与控天线，用于与地面监控网通信。地面监控网通信。167.2.2 地面监控系统 n地面控制部分由分布在全球的一个主控站，5 个监测站和3 个地面控制站组成。 171.监测站n用GPS接收系统测量每颗卫星的伪距和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控点。5个监控站均为无人守值的数据采集中心。18n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，以确定卫星轨道。卫星。19监测站202.主控站 n主

8、控站接收各监测站的GPS卫星观测数据、卫星工作状态数据、各监测站和注入站自身的工作状态数据。根据上述各类数据，完成以下几项工作： 21主控站的任务n1）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。n2）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。n3）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行。n4）启用备用卫星代替失效工作卫星。223.注入站主要设备为1台直径3.6m的天线、1台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

9、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系统，并监测注入信息的正确性。23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波段波段GPS卫星卫星GPS卫星卫星地面监控系统流程图地面监控系统流程图247.2.3用户接收系统 n1. GPS接收机 nGPS卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。天线单元的主要作用是：当GPS卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大GPS信号。接收单元的主要作用是：记录GPS信号并对信号进行解调和滤波处理

10、，还原出GPS卫星发送的导航电文，解求信号在站星间的传播时间和载波相位差，实时地获得导航定位数据。 25GPS接收机接收机26GPS接收机接收机272.GPS数据处理软件 nGPS数据处理软件是GPS用户系统的重要部分，其主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行“粗加工”、“预处理”，并对处理结果进行平差计算、坐标转换及分析综合处理。解得测站的三维坐标，测体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。 287.3 GPS工作原理n空间中的任意三个点可以确定一个平面，而假如在这个平面上有一个点，它在什么位置是未知的，但是知道它与另外三个点的位置关系，就可以求出这个未知点的平面坐标；若在空间直角坐

11、标系中，则需知道它与四个点的位置关系才可确定，全球定位系统（Global Positioning System - GPS）就是依照这个数学原理于1973年11月在美国国防部诞生。29n由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成整个系统，6个轨道平面的每个平面上分布4颗卫星，这样的配置使同时出现在地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少为4颗，最多可达11颗。 307.4 GPS系统特点n全球地面连续覆盖。由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。n 功能多、精度高。GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维

12、位置、三维速度和时间信息。 31n实时定位速度快。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在一秒甚至更少的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。n抗干扰性能好、保密性强。由于GPS系统采用了伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。327.5 各国GPS发展及政策n7.5.1 美国n为了限制不同用户对GPS的应用，GPS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）。 33快速链接 PPSnPPS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

13、定位精度约为10m 。34快速链接 SPSnSPS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。 357.5.2 欧洲伽利略计划 n1.简介n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。 362.系统特点n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

14、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年完成。 37快速链接 中国参与伽利略计划n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对外科技合作项目，为此将投资2亿欧元，占5。383.意义n欧洲发展“伽利略”卫星定位系统可以减少欧洲对美国军事和技术的依赖。从商业角度讲，要利用美国的GPS全球定位系统，就要购买美国的信号接收设备，欧洲的航天

15、工业如空中客车公司必须完全依赖美国系统。有了欧洲自己的卫星定位系统后，欧洲航天业就可以发展自己的卫星定位用户，并出售设备。397.5.3 俄罗斯GLONASS n1.简介nGLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)的字头缩写，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。402.系统特点nGLONASS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

16、倾角64.8n2008年俄罗斯航天部门25日用一枚运载火箭发射了3颗全球卫星导航系统卫星(即“格洛纳斯”系统)，使得该系统的在轨卫星总数达到20颗 417.5.4 北斗卫星定位系统n2000年，北斗导航定位系统两颗卫星成功发射，2003年，我国在西昌卫星发射中心成功地将第三颗“北斗一号”导航定位卫星送入太空。这次发射的是导航定位系统的备份星。标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航定位系统，这对于满足我国国民经济、国防建设的需要，促进我国卫星导航定位事业的发展，具有重大的经济和社会意义。42n北斗卫星导航定位第二代系统的研制建设工作目前已进入攻坚阶段，2009年将有多颗卫星发射升空，2011年完成

17、系统组网，基本具备运行能力。同时，北斗全球系统建设也已展开立项论证工作，并列为国家科技发展重大专项，预计2020年完成系统建设任务。 437.6 GPS应用n7.6.1 GPS在物流行业的应用n1.货物跟踪管理n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

18、直观地掌握车辆的动态信息（位置、状态、行驶速度等 ）。 44452.离线报警出界入界报警n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。 463.轨迹记录、数据统计n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 。477.6.2 GPS系统在路线规划中的应用 n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

19、设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。线路规划完毕后，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。 48链接基于GPS技术的智能车辆导航仪 n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。 497.6.3 GPS

20、在出租车行业的应用n1.早期的GPS出租车卫星定位系统 nGPS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。 50具有的四种功能n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；n二是具有汽车防盗功能，可以有效的避免车辆丢失；n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；n四是IC卡数据采集功能，可以通过GP

21、S系统传递给各个相关单位。 512.五机合一的新型智能化GPS系统 n2009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。 52防抢劫 n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。 53出租车内安装的出租车内安装的GPS定位系统定位系统 54出租车内的摄像头出租车内的摄像头 5

22、5方便性n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，同时减少了司机携带的现金存量，相对保证了司机人身安全。 56降低空驶率n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。 577.6.4 在客运和公交车领域的应用 nGPS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。58链接电子站牌n电

23、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59案例:交运集团GPS应用 雨雪天气实时调度司机 n2008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验，没有发生旅客滞留现象和安全责任事故。 60n 郑州交运集

24、团具有的全国最先进的GPS安全信息监控系统，可通过1600多台发往全国的客车适时了解到全国20个省、市、自治区的天气和路况。n 1月27日下午，客运十公司驾驶员董卫国驾驶着豫A87366号班车，载着30多名乘客从林州返回郑州，由于桥面结冰，有两辆大货车在黄河公路大桥发生相撞事故，道路被堵。董卫国了解到由于事故重大，短时间内无法处理完的信息后，及时将事前准备好的方便面分发给乘客，并开足车内空调，确保乘客不受冻、不挨饿，受到广大乘客的赞扬。 617.6.5 GPS系统在混凝土行业中应用 随着混凝土行业的发展，对企业管理的水平提出了新要求，GPS车辆调度监控管理系统这是应这种新的要求而产生的。目前在

25、混凝土企业的调度管理一般存在着以下三个方面的难题，针对这些难题，GPS车辆调度系统很好地进行了解决。621.部分驾驶员不按照规定路线行驶，中途卖料倒料部分驾驶员不按照规定路线行驶，中途卖料倒料n随着国家全面禁止现场搅拌，和进一步的全面禁止砂料进入工地现场，部分的小型水泥件制造厂（比如小水泥桩，小电杆）在无法自己生产又不愿意从正规途径购买的情况下，遂和一些驾驶员相互勾结，通过在运送途中进行少量卸料的方式，盗卖公司的混凝土成品，造成了公司材料的损失和结算上的纠纷。63GPS解决方案n针对这些问题，GPS车辆调度监控管理系统通过指定行车路线，历史轨迹记录，卸料地点判定和报警，车载黑匣子等方式进行全面

26、的控制和管理，使得此类现象无从遁形，从而消除了隐患。642.车辆位置难以掌握，容易造成压车。车辆位置难以掌握，容易造成压车。n在传统的管理模式中，车辆驶出厂区后，调度人员就难以随时掌控其位置，因此当面临现场的询问时无法把握车辆何时能够到达工地。同时由于道路状况复杂，特别是在城市道路和长距离运输中，无法掌握好发车的间隔，容易造成车辆在工地或者厂区积压，严重影响了车辆的运送效率和公司的运能，增加了企业运行的成本。65GPS解决方案n针对这些问题，GPS车辆调度监控管理系统通过实时查询车辆位置，配合信息显示的文字信息交换，车辆运送任务完成进程，工地任务进程等方式进行全面的控制和管理，使得压车现象很大

27、程度上减少，节约了车辆成本，提高了企业的效益。3.车辆运行情况无法控制，部分驾驶员危险驾车或车辆运行情况无法控制，部分驾驶员危险驾车或偷盗燃油无法记录。偷盗燃油无法记录。 相对于城区道路路况难以预料而言，城市夜间和郊的道路因为车流较少，部分驾驶人员超速行驶，一旦遇到紧急情况，则容易发生严重的交通事故，各公司对此都制定了严格的处罚办法，但苦于没有证据而无法执行。同时，因为此类车辆耗油相对较高，即使部分驾驶人员私自抽取油箱内的燃油，也无法被发现。67 针对这些问题，GPS车辆调度监控管理系统通过实时查询车辆行驶数据，越界/超速报警，遥控断油/断电，车辆厢体门检测及报警，车载黑匣子等方式进行全面的控制和管理，使得此类现象能够很好的控制，避免了不必要的损失。68系统的核心界面实时监控界面说明：1 1）图上为车辆实时位置，数字为车辆编号；）图上为车辆实时位置，数字为车辆编号；2 2）图上红色表示车辆为重车，紫色表示车辆为空车，绿色表示车辆正在卸料；）图上红色表示车辆为重车，紫色表示车辆为空车，绿色表示车辆正在卸料；3 3）点击选择车辆，可以看到该车的车号，驾驶员，驶往何处工地，载有多少方）点击选择车辆，可以看到该车的车号，驾驶员，驶往何处工地，载有多少方量，方向以及时速。量，方向以及时速。4) 4) 地图一般可以显示该地区的全部三级公路以上的道路。地图一般可以显示该地区的全部