第2讲—GPS技术及其在安全领域中应用(2)

1、第二讲第二讲 一、GPS简介 二、GPS基本原理 三、GPS在安全领域中应用 四、小结 五、思考题一、一、GPSGPS简介简介 3 GPS3 GPS系统构成系统构成 GPSGPS是是NAVSTAR/ Global Positioning SystemNAVSTAR/ Global Positioning System的简的简称，它是由美国军方研制的新一代卫星导航定位系统。称，它是由美国军方研制的新一代卫星导航定位系统。简单说，简单说，GPSGPS系统就是一个无线电空间定位导航系统，系统就是一个无线电空间定位导航系统，它利用空间卫星和相关地面设施为全球提供全天候高它利用空间卫星和相关地面设施为全

2、球提供全天候高精度的三维坐标（经度、纬度、海拔）和时间信息，精度的三维坐标（经度、纬度、海拔）和时间信息，地球表面及其上方任何地点都可以以无源方式接收信地球表面及其上方任何地点都可以以无源方式接收信号并用于定位与导航。号并用于定位与导航。 1 1）GPSGPS概念概念 GPS系统的基本功能是：用户通过接受设备接收GPS卫星发射的信号，并解算出测点的位置、速度和时间，实现定位、导航和精确授时，如图1和图2所示。 2 2）GPSGPS基本功能基本功能 图图2 GPS卫星导航定位卫星导航定位 图图1 GPS系统的基本功能示意图系统的基本功能示意图 导航和定位问题，即指示目标的方向和方导航和定位问题，

3、即指示目标的方向和方位问题，一直是人们关心和研究的问题。指南位问题，一直是人们关心和研究的问题。指南针、磁罗盘及陀螺等定位装置就是古老的导航针、磁罗盘及陀螺等定位装置就是古老的导航定位手段。定位手段。 1921 1921年世界上第一个无线电导航测向系统年世界上第一个无线电导航测向系统问世，宣告了无线电导航时代的到来。问世，宣告了无线电导航时代的到来。 19571957年原苏联发射了第一颗人造地球卫星，年原苏联发射了第一颗人造地球卫星，美国美国Johns HopkinsJohns Hopkins大学应用物理实验室在对卫大学应用物理实验室在对卫星进行跟踪测轨中得到启示，提出了用卫星发射星进行跟踪测

4、轨中得到启示，提出了用卫星发射信号进行定位和导航的设想。信号进行定位和导航的设想。 1959 1959年美国海军武装实验室委托年美国海军武装实验室委托Johns Johns HopkinsHopkins大学应用物理实验室，研究为美国军用舰大学应用物理实验室，研究为美国军用舰艇导航服务的卫星系统，即海军卫星导航系统艇导航服务的卫星系统，即海军卫星导航系统（Navy Navigation Satellite SystemNavy Navigation Satellite System，即，即NASSNASS），），并在并在19641964年研制成功，形成了世界上第一个实用卫年研制成功，形成了世界上

5、第一个实用卫星导航系统。星导航系统。 19731973年美国国防部批准其陆海空三军联合研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制第二代卫星导航定位系统NAVSTAR/Global NAVSTAR/Global Position SystemPosition System，简称全球定位系统，简称全球定位系统GPSGPS。 1993 1993年，由分布在年，由分布在6 6个轨道平面内的（个轨道平面内的（21213 3）颗卫星组成的颗卫星组成的GPSGPS空间星座全部建成，之后只是更空间星座全部建成，之后只是更换失效的卫星。换失效的卫星。 从从19731973年到年到199319

6、93年，年，GPSGPS系统的建立经历系统的建立经历了近了近2020年，耗资约年，耗资约200200亿美元，它是美国继阿亿美元，它是美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划后第三项庞大空波罗登月计划和航天飞机计划后第三项庞大空间计划。间计划。 GPS由三大部分构成：即空间部分(Space segment)、地面控制部分(Control segment)和用户部分(User segment)。图图3 GPS系统构成系统构成 GPSGPS简介简介 GPS空间部分是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成的GPS卫星星座。24颗卫星均匀地分布在6个轨道平面内，轨道的平均高度约为20200km，轨道倾角为55

7、度，各个轨道平面之间相距60度。3颗备用卫星分别位于第1、3、5号轨道面上。图4为GPS星座和卫星（BLOCKII）。图4 GPS卫星星座和卫星 GPSGPS简介简介 迄今为止，美国先后发展了三代GPS卫星：BLOCKI、BLOCKII（含BLOCKIIA）和BLOCKIIR。图图5 BlockII5 BlockII（左），（左），BlockIIABlockIIA（中）和（中）和BlockIIRBlockIIR（右）卫星照片（右）卫星照片 GPSGPS简介简介 BLOCKI是GPS建设初期发射的卫星。BLOCKII和BLOCKIIA都是第二代GPS卫星，但BLOCKIIA的功能大大增强。它不仅

8、增加了军事功能，而且大大增强了数据存储容量。 BLOCKIIR为第三代GPS卫星，它进一步提高了GPS卫星的可靠性和在全球范围内连续可用。此类卫星能对自己进行自主导航。每颗卫星将定期测量到其它卫星的距离，然后将测量修正值通过交联通信系统传送到其它卫星。而且，每颗卫星将用星载处理器计算导航参数的修正值，从而改善导航精度，增强自主能力和生存能力。 GPS卫星的地面控制系统包括一个主控站MCS（Master Control Station）、五个监测站MS（Monitor Station）和三个注入站GA（Ground Antenna）。GPSGPS简介简介 GPSGPS简介简介 GPS主控站位于美

9、国科罗拉多斯平士(Colorado Springs)的联合空间运行中心CSCO（Consolidated Space Operations Center）；3个注入站分别设在大西洋的阿松森（Ascension）岛、印度洋的狄哥伽西亚（Diego Garcia）和太平洋的卡瓦加兰（Kwajalein）3个美军基地上；5个监测站除了位于主控站和3个注入站之外的四个站外，还在夏威夷设立一个监测站。 跟踪观测GPS卫星。各监测站GPS接收机对卫星进行连续观测，同时收集当地的气象数据。GPSGPS简介简介 功能一：功能一： 收集数据。主控站收集各监测站所测得的伪距、气象要素、卫星时钟和工作状态等数据，以

10、及监测站自身的状态数据和海军水面兵器中心发来的参考星历。功能二：功能二： 编算导航电文。主控站用所收集的数据，计算每颗GPS卫星的星历、时钟改正、状态数据和信号的电离层延迟改正参数，并按一定格式编制成导航电文，传送到注入站。功能三：功能三： 诊断状态。主控站还监测整个地面控制系统是否正常工作，检验注入给卫星的导航电文是否正确，监测卫星是否将导航电文发送给用户等。功能四：功能四： 注入导航电文。注入站在主控站的控制下，将卫星星历、卫星时钟钟差等参数和其它控制指令注入给各GPS卫星。功能五：功能五： 调度卫星。主控站能够对GPS卫星轨道进行改变和修正，并能进行卫星调度，让备用卫星去取代失效的卫星。

11、 功能六：功能六： GPS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用户部分。用户部分核心是GPS信号接收机，GPSGPS简介简介 GPS GPS接收机的任务是：捕获待测卫星信号，接收机的任务是：捕获待测卫星信号，并跟踪这些卫星的运行；对所接收到的并跟踪这些卫星的运行；对所接收到的GPSGPS信号信号进行变换、放大和处理，以便测量出进行变换、放大和处理，以便测量出GPSGPS信号从信号从卫星到接收机天线的传播时间；解译出卫星到接收机天线的传播时间；解译出GPSGPS卫星卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速

12、度和时间。置，甚至三维速度和时间。 GPSGPS简介简介 图图7 Magellan(7 Magellan(左左) )和和Germin(Germin(右右) )手持式接收机手持式接收机GPSGPS简介简介 很多尖端科学技术的发展都同军事需要密切相关。如果说无线电导航技术在第二次世界大战中获得了迅速的发展，并对战争起到了重要作用的话，那么GPS在海湾战争中便是充当了一个非常重要角色。GPSGPS简介简介 （1 1）GPSGPS在军事中的应用在军事中的应用 在海湾战争中美军配备了大量GPS接收机，在难以用地貌地形定位的茫茫大沙漠中，实现了全天候、高精度的定位。同时，利用GPS导航功能对轰炸机、巡航导

13、弹等导航，实施精确打击。 （2 2）GPSGPS在农林领域中应用在农林领域中应用 森林资源调查中，利用GPS接收机可不迷失方向；森林防火中，护林员利用GPS系统，可及时向指挥部报告和显示火灾准确位置、高程及火情，以便迅速扑灭火灾。在农业生产中，根据土壤采样数据，施肥设备和拖拉机中的GPS同步工作，可实施定位施肥，实现精细农业。使用GPS提供的定位信息，农民可在任何时候（白天或晚上）从事开垦、收割等农业活动，并可准确圈定受灾区域的面积。 GPSGPS简介简介 （3 3）GPSGPS在海上、空中和陆在海上、空中和陆上导航的应用上导航的应用 航空和航海导航恐怕是利用全球定位系统的两种最明显的应用了。

14、由于没有可视的导航参照和可能遮挡GPS信号的物体，使海上和空中成为GPS的理想应用场合。GPS现已广泛应用于民用飞机、轮船的导航，对海上和空中的交通发展起到了重要作用。GPSGPS简介简介 （4 4）GPSGPS在测量领域中的应用在测量领域中的应用 GPS在测量领域中的应用也越来越广泛，并已形成了一门新的学科GPS全球大地测量学。它将进一步服务于地球物理学，地球动力学，天体力学等空间学科 。GPSGPS简介简介 （5 5）GPSGPS在减灾中应用在减灾中应用 应用GPS精确定位数据和相关环境信息，能够准确测定森林火灾、井喷等环境灾害的发生地及其区域范围，掌握灾害的发展趋势和速度，为指挥减灾行动

15、提供决策依据，此外，利用GPS监测大型工程建筑（如大型水坝、桥梁等）的变形信息，可建立大型结构工程变形观测预警系统，控制灾害发生。 GPSGPS简介简介 （6 6）GPSGPS用于露天矿开采用于露天矿开采 采用GPS，可对露天矿山的采矿设备进行动态跟踪，实现采矿作业优化调度，对设备运行状况、边坡稳定性进行监测,对钻机穿孔实施精确导航和定位，从而大幅度地提高了采矿效率与经济效益。 GPSGPS简介简介 （7 7）精确定时）精确定时 GPS是以精确时间基准为基础的这一事实，意味着可用其信号对时钟和时标进行非常精确的同步。由于GPS卫星采用的是原子钟，其精度可达纳秒级，因此，采用GPS可以在全球范围

16、内实施精确定时。这种精确定时能力的主要用途在于控制数据通信网络，使接收机和发射机同步。GPSGPS简介简介 此外，此外，GPSGPS还与还与GISGIS或或RSRS结结合，广泛应用于土地和资源调合，广泛应用于土地和资源调查、气象监测和天气预报等查、气象监测和天气预报等。以上只是列举了GPS部分应用领域。无疑，随着GPS技术的进一部发展和人们对它的认识进一步加深，其应用领域将会越来越广泛。 GPSGPS简介简介 二、GPS基本原理 1 GPS1 GPS定位基本原理定位基本原理1 GPS1 GPS定位基本原理定位基本原理 GPS定位原理是利用测距交会确定点位，即三角测量定位（Triangulati

17、on）。假定在地面上的某个观测站，在某个时刻可以“看到”位于地球上空的四颗卫星。而这些卫星在该时刻的空间位置已知，只要能设法测到该时刻观测站到卫星的距离L1、L2、L3、L4，即可以求算出观测点的三维空间位置，见右图。 GPSGPS基本原理基本原理 一颗卫星信号传播到接收机的时间只能决定该卫星到接收机的距离，但并不能确定接收机相对于卫星的方向，在三维空间中，GPS接收机的可能位置构成一个球面；当测到两颗卫星的距离时，接收机的可能位置被确定于两个球面相交构成的圆上；当得到第三颗卫星的距离后，球面与圆相交得到两个可能的点；第四颗卫星用于确定接收机的准确位置。因此，如果接收机能够得到4颗GPS卫星的

18、信号，就可以进行定位；当接收到信号的卫星数目多于四个时，可以优选其中4颗卫星进行更精确地定位。 GPSGPS基本原理基本原理 每颗GPS卫星上的原子钟均产生一个频率为1023的基础信号，并以此为基础形成两个L波段频率的载波无线电信号： L1: 1575.24MHz，波长：19.03cm L2: 1227.60MHz，波长：24.42cmGPSGPS基本原理基本原理 在L1载波上调制有P码（精码，Precise Code）和C/A码（粗码，Coarse code）。其中，C/A码精度较低，主要供民用的标准定位服务（Standard Positioning Service, SPS）；P码精度较高

19、，仅供美国军方和授权用户的精确定位服务（Precise Positioning Service, PPS）。 在L2载波上，只调制了P码。P码是在加密后传输。P码加密后成为Y码。 在L1和L2载波上还分别调制了每秒50bit的数据导航电文，内容包括：卫星星历、电离层模型系数、卫星状态信息、时间信息和星钟偏差及漂移等信息。 GPSGPS信号调制图信号调制图 GPSGPS基本原理基本原理GPSGPS卫星信号结构卫星信号结构GPSGPS基本原理基本原理 GPS采用的C/A码和P码是一种复杂的数字码，称为伪随机噪音码（Pseudorandom Noise Code，简称PRN Code）。由于它的复杂

20、性，使其看起来似乎是一种随机的电子噪音，故称“伪随机”。GPSGPS基本原理基本原理 每一颗GPS卫星都具有其各自唯一的PRN码，因此，所有GPS卫星能够使用同样的频率而不会相互阻塞，并且可以采取适当技术放大信号，这样GPS接收机就无需较大的卫星天线来接收GPS信号，从而降低了使用成本。 每一颗GPS卫星采用特定的PRN码，并具有其唯一的SVN（Space Vehicle Number）编号，卫星发射的信号中包含有这些信息在内，这样可以保证GPS接收机能够准确辨别不同卫星发来的信号，可同时接收并解释来自不同卫星的信息。 导航电文的格式是主帧、子帧和、字码和页。一个字含30bit，一个子帧含10

21、个字，一个主帧含5个子帧，第4、5子帧各有25页。每子帧长6秒，共含300bit。每一主帧的导航电文包括5个子帧，电文长度为1500bit，播送速度为50bit/s。导航电文仅仅在卫星注入新的导航数据后才更新。GPSGPS基本原理基本原理WGS84WGS84坐标系坐标系 由于地球外形复杂，因此需要一种简单、准确而与地球外形接近的坐标参照系统。GPS定位通常采用的是以地球经度、纬度和高度（Longitude、Latitude & Altitude）来描述测点位置的椭圆体地心坐标系大地坐标系（Geodetic System）。 GPSGPS基本原理基本原理 GPS卫星都安装有4台原子钟，一

22、般是两台铷原子钟和两台铯原子钟。仅用一台原子钟作为时间标准，其余备用。GPSGPS基本原理基本原理 GPS时间受美国海军天文台（USNO）经常性监测，而可用来导出世界协调时（UTC）。GPS系统的地面主控站能够以优于ns的精度，使GPS时间和UTC（USNO）之差保持在s以内（整秒有差）。目前用GPS时间推算出来的UTC可以达到100ns的精度。 协调世界时（英：Coordinated Universal Time ，法：Temps Universel Coordonn），又称世界统一时间，世界标准时间，国际协调时间。英文（CUT）和法文（TUC）的缩写不同，作为妥协，简称UTC。 此外，GP

23、S卫星还向用户播发卫星钟差、钟速和钟飘等3个时钟参数，加之利用GPS信号可以测定站址的精确坐标，因此GPS卫星可以成为全球性的用户时间信息源，用以进行精确的时间测定。 从GPS卫星到接收机天线距离是通过测量无线电信号传输的时间来确定的。GPSGPS基本原理基本原理 一颗空间位置确定的GPS卫星发送无线电信号到地面GPS接收机天线，地面接收机可测出信号从卫星到接收机天线的传播用时或延迟时间，以此乘以无线电信号的传播速度（即光速），从而可解算出从卫星的信号发射器到地面接收机的距离。 由于上述距离含有接收机卫星钟的误差及大气传播等误差，故称为伪距（Pseudo Range），这种利用测距码测距定位的

24、原理称为伪距定位原理。 那么是如何获得信号的传播时间的呢？如下图所示，GPS卫星和接收机分别同时产生同样的伪随机噪音码（Pseudorandom Noise Code, PRN Code），接收机收到卫星发来的信号后，通过对比两个PRN码的差异，即可以确定卫星信号的传输时间或信号延迟时间。GPSGPS基本原理基本原理 载波相位测距定位是测定GPS信号在传播路径上的相位变化值，以确定信号传播的距离。GPSGPS基本原理基本原理 卫星S发出一个载波信号，在任意时刻t其在S处的相位为s，而此时经距离传播到接收机K处的信号，其相位为k，则由S至K的相位变化为（s-k）。如果测定（s-k），则卫星S至接

25、收机K的距离 即为： = （s-k）= （N0 + ） 式中：N0载波相位（s-k）的（t时刻）整周数部分； 不足一周的小数部分； 载波波长，为已知值。 这种利用载波相位测距定位原理称为载波相位定位原理。这种利用载波相位测距定位原理称为载波相位定位原理。GPSGPS基本原理基本原理误差源：卫星时钟误差星历误差大气层误差多路径误差接收器误差选择可用性误差1）卫星时钟误差）卫星时钟误差（Satellite clock errors） 尽管卫星上采用的原子钟（铯钟和铷钟），但是这些钟和GPS标准时间之间会有偏差和漂移，并且随着时间的推移，这些偏差和漂移还会发生变化。而GPS定位所需要的观测量都是以精

26、密测时为依据。因此，卫星钟的误差会对伪码测距和载波相位测量产生误差。 GPSGPS基本原理基本原理2 2）星历误差）星历误差（Ephemeris errors） 所谓星历，简单说就是预测天体在特定时间的位置的“日历”。为了定位，GPS接收机希望得到在给定的时间点上卫星的位置。卫星在传送给接收机的信号中包含了这个信息。星历包含了卫星轨道的精确信息，每颗卫星都有自己的星历。因此，如果星历不准确，势必导致定位误差。GPSGPS基本原理基本原理 卫星星历是GPS卫星定位中的重要数据，它是由地面监控站跟踪监测GPS卫星求定的。由于地面监测站测试的误差，以及卫星在空中运行受到多种摄动力的影响，地面监测站难

27、以充分可靠地测定这些作用力的影响，使得测定的卫星轨道会有误差；另外，由地面注入站给卫星的广播星历和由卫星向地面发送的广播星历，都是由地面监测的卫星轨道推算出来的，与卫星的实际位置有差距。3 3）大气层误差）大气层误差（Atmosphere errors） GPS信号从卫星到接收机天线的传播过程中，很长一段是在完全真空的太空中进行，因此传播速度不会受到影响。当信号到达地球大气层，在穿越电离层和对流层的时候，其传播速度将会被延迟，从而导致定位误差。GPSGPS基本原理基本原理 大气层误差（Atmosphere errors）包括电离层误差（Ionosphere errorsupper atmosp

28、here errors）和对流层误差（Troposphere errorslower atmosphere errors）。 从地面70km向上直到大气层顶部都为电离层。由于太阳的作用，大气中的分子发生电离，电磁波在其间传播时会产生延迟。GPSGPS基本原理基本原理 电磁波在电离层中产生的延迟与电磁波传播路径上的电子总量有关。电离层中的电子密度是变化的，它与太阳黑子活动状况、地球上地理位置的不同、季节变化和不同时间有关。据有关资料分析，电离层电子密度白天约为夜间的5倍；冬季为夏季的4倍；太阳黑子活动最剧烈时可为最小时的4倍。另外，电磁波传播延迟还与电磁波传到GPS天线的方位有关，垂直方向与水平

29、方向延迟最大可达3倍，即垂直方向延迟可达50m，水平方向可达150m。 从地面向上70km为对流层，大气层的质量99%都集中在此层。该层也是气象现象主要出现的区域。电磁波在其间传播时同样会受到延迟影响，影响程度取决于大气的压力、温度和湿度。GPSGPS基本原理基本原理 电离层误差与信号频率相关（速度延迟与频率成反比，即频率越高，速度延迟约少），采用双频接收机接收卫星信号时，可以同时接收到L1和L2频率的信号，并可测算出两个频率信号传播时间的差异，由此进行误差纠正，可以较好地消除电离层误差。而对流层误差与信号频率无关，不能用双频接收机进行纠正。 4 4）多路径误差）多路径误差 GPS卫星信号从高

30、空向地面发射时，若接收机天线周围附近有高大建筑物、平坦光滑地面、浓密的树林、水面等，它们对电磁波具有强反射作用。因此，GPS接收机天线接收的信号不但有从卫星直接发射的信号，还有从这些电磁波强反射体反射过来的信号，这种信号叠加作为接收机的观测量，使定位产生误差，该误差称为多路径误差。GPSGPS基本原理基本原理 为减少多路径误差对定位的影响，在安装接收机天线时，应尽量避开上述的强反射物。另外，减弱多路径误差影响，还可选用防多路径效应的接收机天线。目前，测地型的接收机都配有带抑制板天线。5 5）接收器误差）接收器误差（Receiver errors） 如果地面接收机钟与卫星钟同步误差为1s（1 x

31、 10-6s），引起等效距离误差为300，因此，这个误差很大。此外，接收机中的计算机的计算误差（如对于分数计算是很难做到百分之一百精确）也很难完全避免，从而导致定位误差。GPSGPS基本原理基本原理6 6）选择可用性误差）选择可用性误差（Selective Availability errors） 过去，造成GPS定位最为严重的误差则是由于美国军方人为降低信号质量造成的所谓选择可用性误差（Selective Availability errors），人为地将误差引入卫星时钟和卫星星历数据中，故意降低GPS的定位精度，引入SA后，可使GPS定位水平误差达100米，垂直误差达300米。 美国政府于

32、美国政府于20002000年年5 5月月1 1日关闭了日关闭了SASA。 GPSGPS基本原理基本原理 影响GPS定位精度的，除了前述几种误差源外，还有两个不可忽视的重要因素，那就是定位时可见卫星数和它们在空中的几何分布（Satellite Alignment or Satellite geometry）。 GPSGPS基本原理基本原理 可见卫星为4颗时可以进行三维准确定位，当接收到信号的卫星数目多于四个时，可以优选其中四颗卫星来计算位置。因此，一般说来，可见卫星数越多，越有利于定位精度的提高。 为了描述卫星空间几何分布对定位精度的影响，引入了精度衰减因子DOP（Dilution of pre

33、cision）的概念。DOP就是一个定量描述参与定位的卫星空间几何分布对定位精度的影响的无量纲值，DOP值越大，表明用于定位的GPS卫星空间几何分布对定位精度越不利。 从下图可以简单地看出卫星空间几何位置对定位精度的影响。当定位卫星相对集中时，包含测点位置在内的由测距确定的重叠区域面积较大，即定位精度较低；而当定位卫星相对分散时，其测距确定的重叠的区域面积较小，即定位精度较高。 GPSGPS基本原理基本原理 4颗卫星定位时，最佳的卫星空间几何分布或GDOP值最小的条件是定位测点正上方有一颗卫星，其余3颗卫星处于最小的高度角（卫星与水平面的夹角，一般为5度），卫星彼此间夹角最大（120。），即均

34、匀地分布在测点周围。下图所示不同卫星分布时GDOP对比。 GPSGPS基本原理基本原理 差分GPS基本原理是在某一已知位置，安置一台接收机作为基准站接收卫星信号，然后在其它位置用另一台接收机（用户站）接收信号，由前者可以确定卫星信号中包含的干扰信号，即获得差分纠正（Differential correction），并通过数据链传输给用户站，用户站接收到的信号中减去这些干扰，即可大大降低定位误差，如右图所示。GPSGPS基本原理基本原理 GPS误差的差分纠正就是通过两个或者更多的GPS接收机完成的。基准站的差分纠正值实时传输给用户站处理称为实时差分GPS系统（Real-time Differen

35、tial GPS，RDGPS），参见图1-34。如果差分纠正值先存储起来，事后传输给用户站处理则称为事后处理差分GPS（Post-processing DGPS）。 GPSGPS基本原理基本原理1）位置差分）位置差分 这是一种最简单的差分方法。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。由于存在着大气影响、多径效应以及其他误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标不一样，即存在误差。基准站利用数据链将位置坐标改正数发送出去，由用户站接收，并且对其解算的用户站坐标进行改正。GPSGPS基本原理基本原理2 2）伪距差分）伪距差分 伪距差分是目前用途最广的一种技术。在已

36、知位置的基准站上的接收机计算出它至可见卫星的精确距离，并将此计算出的距离与含有误差的测量值加以比较。利用一个-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，用户用此测距误差来改正测量的伪距并解出本身的位置，消去公共误差，提高定位精度。GPSGPS基本原理基本原理3 3）载波相位差分）载波相位差分GPSGPS 载波相位差分技术又称为RTK技术（Real time kinematic），是一种建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的技术，能实时给出厘米级的定位精度。GPSGPS基本原理基本原理 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

37、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站进行求差解算坐标。前者为准RTK技术，后者为真正的RTK技术。 差分GPS（Differential GPSDGPS）技术从其工作范围又可分为局域差分GPS系统和广域差分GPS系统。GPSGPS基本原理基本原理 局域差分GPS系统由中心站（主站）和移动站（用户站）组成，并通过数据传输链构成网络系统。如果主站与移动站的观测量是伪距，数据链传送的是伪距改正数，实时定位精度可达到米级或亚米级。如果主站和用户站的观测量是载波相位，通过数据链建立二者之间的实时载波相位差分（RTK），实时定位精度可达到厘米级

38、。 局域差分GPS的主要缺点是定位工作范围有限，为此发展了广域差分GPS系统（WADGPS）。GPSGPS基本原理基本原理 广域差分广域差分概念是由美国斯坦福大学的Parkmson等人最早提出的。它的基本思想是对GPS观测量的误差源加以分离，对每一误差源分别加以“模型化”，然后将计算出来的每一误差源的数值通过某一种通讯方式实时传送给用户，供用户对GPS观测量的误差加以改正。 WADGPS系统由1个计算中心，4个以上跟踪站及相应的通信网络和用户站组成，具有作用距离远（从100km-1500km），定位精度均匀，可靠性和安全性好等特点，但WADGPS数据通讯较为复杂和困难，其通讯的成本往往比GPS

39、接收机本身的成本还要高。 广域差分GPS实时定位技术的进一步发展是与其它卫星系统（定位、通信）相结合，形成兼有通信定位能力的组合系统。GPSGPS基本原理基本原理 美国联邦航空局的广域增强系统（WAAS）除直接利用GPS卫星定位外，还利用地球同步轨道卫星播发GPS差分信息并发射C/A码测距信号来增加测距卫星源，使得该系统具有导航定位和移动通信的双重功能。三、GPS在安全领域中应用 据美国劳动职业安全与健康管理部门的一份调查报告表明，从1992年至1999年，全美平均每年发生23起严重的露天矿卡车交通运输事故。事故发生的主要原因是因为卡车司机不能及时地观察到卡车后面或侧面盲点区域的危险存在，致使

40、卡车倒车时翻越公路或卸矿场边缘发生倾覆事故或与其他车辆相撞所致。GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用 为解决上述问题，美国的科罗拉多大学的研究人员利用GPS技术，无线电网络技术和计算机三维图形技术研究开发出了露天矿卡车倾覆碰撞规避系统。露天矿卡车倾覆碰撞规避系统实现了如下功能：露天矿卡车倾覆碰撞规避系统实现了如下功能：GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用（1）系统能够自动实时地对露天矿卡车进行跟踪定位，在卡车接近公路边缘或卸矿场边缘时，以及卡车间相互靠近到危险距离时，能及时地发出预警信号。 （2）直观的计算机图形显示，使卡车驾驶员能够非常容易地理解和判断； （3）每辆卡车上安装

41、的监视器都可以显示由控制中心计算机通过无线网络通讯系统传输来的卡车及其周围环境情况的实时图像； （4）系统达到亚米级的定位精度，满足了应用要求； （5）系统能以三维图形方式显示卡车在采矿场中的精确位置； （6）所有在采矿场运行的卡车均可通过系统了解自己和其它卡车的实时位置。系统总体结构下图所示。 GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用 系统工作的基本流程：安装在每台卡车上的GPS接收机收到GPS信号后，利用从GPS基站通过无线电天线发送来的差分信号，精确计算出卡车的坐标。然后，系统计算出卡车在矿山数字表面模型（Digital Terrain M

42、odel, DTM）上的位置，产生或更新安装在卡车上计算机显示屏幕上的DTM，并将位置信息通过无线电发送给其它卡车和基站。控制中心和其它卡车接收XYZ坐标信息，利用该坐标信息就可以实时地计算出发来信号的卡车在矿山DTM上的位置，并在该车的机载显示器上实时地显示。 2 2）GPSGPS及计算机硬件系统及计算机硬件系统 系统采用RTK-GPS接收机。接收机挂接到无线电设备上。 一台个人计算机机和一台显示器作为车载计算机图形显示系统。计算机采用Windows操作系统，且拥有PC卡插槽可以安装无线电通讯网卡。由图为安装在卡车车厢内的计算机系统。 安装在卡车车厢内的计算机系统安装在卡车车厢内的计算机系统

43、 GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用3 3）无线通讯网络系统）无线通讯网络系统 无线通讯网采用TCP/IP兼容系统。通讯网络系统主要是为卡车间传输定位坐标，以实现卡车对彼此位置的实时跟踪。这些坐标也用于系统形成三维的数字地面模型（DTM）。 GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用4 4）软件系统）软件系统 系统采用Visual Basic语言开发了可视化图形界面的软件系统Virtual Mine Software，具有如下功能： 1）能通过计算机串行接口读取GPS单元传输来的信号； 2）将原始的经度、纬度地理坐标转换为UTM坐标； 3）可将DXF格式的矿山地图转换为三维的VRM

44、L格式地图； 4）三维矿山地图的可视力化； 5）实现卡车的实时定位跟踪； 6）需要时可形成三维矿山地图； 7）采用TCP/IP无线通讯协议传输和接收远程卡车的定位数据和地形数据。GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用 软件系统产生的卡车三维模型，可根据GPS系统确定的定位坐标显示在生成的地图上，从而动态实时地监视卡车的位置，如下图所示。GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用 该软件系统可产生一个三维的球形泡，以显示卡车周围的安全范围，如下图所示。GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用 VirtualMine软件系统可以监视卡车所在的位置与危险边缘的距离。危险边缘用一个面表示，

45、如下图所示。危险边缘是事先确定了的公路边缘或排土场危险边缘，而该危险边缘的位置是根据卡车的运行特点和路面土壤情况确定的。一旦卡车安全范围靠近或越过该平面，系统将向卡车驾驶员发出警告,卡车上计算机界面上的红色灯将会闪烁并发出警报声。GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用 当两辆卡车相隔较近，一辆卡车进入另一辆卡车的安全警戒区域是，也就是说两辆卡车上计算机界面上表示卡车的安全区域的球形泡出现重叠时，系统立即就会同时向这两辆卡车的驾驶员发出即将发生碰撞危险的警告，如下图所示。 GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用 VirtualMine系统还具有根据卡车确切位置坐标，实时刷新显示矿山一

46、个给定部分的高程图。它是采取保存通过无线网络通讯系统传送来的所有其它卡车的XYZ坐标，并用这些信息产生一个拓扑网格文件，自动地在车载计算机形成图并显示在屏幕上。如下图。GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用 Virtual系统已在美国西南部的亚利桑那州的Morenci（Morenci open pit copper mine in Arizona）露天铜矿进行成功应用。GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用（1）卡车实时跟踪及成图功能：下图分别为Morenci矿的露天坑实景和机载计算机平面上显示的三维等高线图，可以看到，卡车在两幅图中的位置对应情况非常好。 2）卡车碰撞规避功能 卡

47、车碰撞规避功能测试效果良好。如下图所示，车载计算机屏幕显示前面的客车已经接触到了表示该卡车的安全预警范围的球形泡，系统向卡车驾驶员及时地发出了预警，达到了预期功能要求。GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用3）排土场边缘接近安全预警功能 该功能可实现卡车在废石场边缘倾倒废石时的安全预警。右图分别为卡车在废石场边缘倾倒废石的实况，以及车载计算机屏幕显示其实际位置。可以看出该车仍然在安全区域。GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用 在露天矿开采中，卡车在废石场边缘倾覆或卡车碰撞事故时有发生，开发和应用卡车倾覆和碰撞规避系统（VirtualMine System）能有效地提高露天矿运行的

48、安全性，减少此类事故的发生。 GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用 现代GPS技术能够提供毫米级实时定位精度，目前已被成功地用于对高层建筑、大坝、桥梁等大型工程结构的变形或位移的监测。比如，加拿大的卡尔加里高塔（Calgary Tower）、美国Diamond Valley Lake大坝、美国旧金山海湾大桥（Bay Bridge）以及英国的Humber大桥等，都采用了GPS技术进行长期连续监测，并实现对这些大型工程结构的安全性动态评估和安全预警。 长期以来，高陡边坡的稳定性一直是露天矿开采中倍受关注的重要安全问题之一。通常，高陡边坡在发生跨踏

49、破坏前，会有一个缓慢的位移过程发生。因此，通过对高陡边坡微小位移信息的监测和处理可以实现对其发生灾难性跨塌的预测。 对露天高陡边坡的监测，传统上采用经纬仪、全站仪和大地测量等技术。然而，这些传统的监测方法往往只能以人工的方式进行间断式监测，不仅费时费力，而且往往受气候和地形地貌等条件的限制，很难达到实时监测预警的目的。 采用GPS技术进行高陡边坡的监测，不仅可以克服气候的限制，全天候工作，而且可以测出三维方向上的位移。采用载波相位差分GPS技术可以达到毫米级精度，完全可以满足位移监测的需要。更为重要的是，由于GPS系统的数据采集是自动的，因此有条件形成高陡边坡的自动监测系统，从而实现连续、动态

50、、实时地监测，大大提高了监测的实际效果。无疑，GPS技术的发展和广泛应用为露天矿高陡边坡的实时动态监测和安全预警技术的研究开辟了一条新的有效途径。 目前，国外矿业发达国家的多个研究机构均在积极开展基于GPS技术的露天矿边坡监测技术的研究，并取得了阶段性成果。 加拿大的大地工程中心（Canadian Centre for Geodetic Engineering）和新布伦兹维克大学（University of New Brunswick）联合研制的基于GPS技术的自动实时监测系统Alert，已经在加拿大的Highland Valley露天铜矿开始试用。 澳大利亚Curtin大学空间科学系的研究人

51、员研究开发出的高陡边坡GPS切换天线阵列监测系统，已经开始在西澳大利亚的Mount Keith露天镍矿进行测试； 美国的Colorado University、澳大利亚的University of New South Wales等也正在开展相关研究工作。我国也开展了相关研究。可以预计，在不久的将来，基于GPS技术的露天矿高陡边坡监测技术将会得到迅速发展和广泛的应用。 （1）监测系统 采用GPS技术监测露天矿高陡边坡，其基本监测系统主要是由GPS基站（参照站）、GPS远程监测站、通讯系统和监测中心组成（见下图）。 GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用（2）监测方法 GPS参照站为参照GP

52、S接收机系统，包括GPS接收机、接收机天线、电源及通讯装置等。它安装在已精确定位且安全稳定的地点，跟踪所有可见卫星，并为远程监测站提供差分纠正。GPSGPS在安全领域中应用在安全领域中应用 远程监测站包括GPS接收机、接收机天线、电源及通讯装置等，安装在合理的监测点位置上。它同时接收几个卫星发来的定位信号。 通讯系统可以是有线或无线系统，为基站、远程监测站和监测控制中心提供信息通讯网络链接。GPS基站（参照站）将坐标差分纠正通过有线或无线通讯系统实时地传输给远程监测站。远程监测站接收卫星定位信号和基站发来的差分纠正信号，并运行其GPS软件计算出其三维坐标，然后将计算出的坐标信息传输给监测控制中心。 监测控制中心对收到的数据进行处理，通常包括坐标转换、位移分析等，给出各个监测点在特定方向上的位移信息，并做出安全评估和预警。 建立长期连续运行的GPS监测网对高陡边坡进行稳定性监测，往往需要建立多个远程监测站点，而每一个这样的远程监测站点都需要一个GPS接收机、一个GPS接收机天线、用于存储并向监测控制中心发送监测数据的通讯设备，以及某种类型的电源（自主电源或太阳能电源）等，因此，建立监测系统的投资往往很大。 GPSGPS在安全领域中应用在安全领域