现代物流设施与规划 第2版 教学课件作者 方庆琯 等主编 全球卫星定位导航系统

1、第11章 全球卫星定位导航系统11.1 概述11.2 GPS定位 11.3 北斗卫星导航系统11.4 GPS的在物流系统中应用第11章 全球卫星定位导航系统 概述1 GPS简介全球定位系统（Global Positioning System - 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。GPS成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。 全球定位系统

2、(Global Positioning System,缩写GPS)是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，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。1112 GPS系统的特点GPS导航定位以其高精度、全天候、高效率、多功能、操作简便、应用广泛等特点著称。1定位精度高。2观测时间短。3 测站间无须通视。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。11.1.3 GPS系统的构成GPS系统包括三大部分：空间部分GPS卫星星座；地面控制部分地面监控系统；用户设备部分GPS信号接收机。 1卫

3、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550，各个轨道平面之间相距600，即轨道的升交点赤经各相差60度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差900，一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度0。在两万公里高空的GPS卫星，当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周， 即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS 卫星。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗， 最多可见到11颗。在

4、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。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种 时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时性。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。2监控系统对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。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。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。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，都要由地面设备进行监测

5、和控制。地面监控系统 另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准GPS时间系统。这就需要地面站监测 各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 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。3.信号接收机GPS 信号接收机的任务是：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，以便测量出GPS信号从卫星 到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过

6、程中固定不变，接收机高精度地测量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。而动态定位则是用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（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。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（瞬间三维位置和三维速度）。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。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成 两个独立的部件，观测时将

7、天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近的适当地方， 用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其 安置在测站点上。 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。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。 关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于 精密相对定位时，其双频接收机精度可达，单频接收机在一定距离内精度可达 。用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。 目前，各种类型的GPS接收机体积越来越

8、小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLONASS 兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。 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。(1)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 一般采用C/A码伪距测量，单点实时定位精度较低，一般为25mm，有SA影响时为100mm。 这类接收机价格便宜，应用广泛。根据应用领域的不同，此类接收机还可以进

9、一步分为： 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。由于飞机运行速度快，因此，在航空上用的接收机 要求能适应高速运动。 星载型用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7km/s以上，因此对接收机的要求更高。2)测地型接收机。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讯中时间同步。(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，测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除 电离层延迟影响，单频接

10、收机只适用于短基线（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GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号，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。11.1.4 伽利略卫星导航系统简介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，

11、同时它实现完全非军方控制、管理。伽利略系统能够与美国的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，伽利略系统可以分发实时的米级定位精度信息，这是现有的卫星导航系统所没有的。同时伽利略系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失效也能够在几秒钟内通知用户，对安全性有特殊要求的情况如：运行的火车、导航汽车、飞机着路等，伽利略系统的应用就特别适合。(1）伽利略系统的组成 伽利略系统由空间段、地面段、用户三部分组成。1）空间段由分布在三个轨道上的30颗中等高度轨道卫星（MEO）构成，每个轨道面上有1

12、0颗卫星，9颗正常工作，1颗运行备用；轨道面倾角560。 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，伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。 (2）“伽利略”定位系统的优势 “伽利略”系统是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。“伽利略”系统还能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，任何用户将

13、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。“伽利略”系统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，同时“伽利略”系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能在几秒钟内通知客户。与美国的GPS相比，“伽利略”系统更先进，也更可靠。美国GPS向別国提供的卫星信号，只能发现地面大约10米长的物体，而“伽利略”的卫星则能发现1米长的目标。一位军事专家形象地比喻说，GPS系统，只能找到街道，而“伽利略”则可找到家门。 (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

14、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；因而引发美国媒体发出美国可能击毁“伽利略”卫星的报道。可见，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。11.1.5 我国的“北斗”系统我国先后在2000年10月31日、2000年12月21日和2003年5月5日发射了3颗“北斗”静止轨道试验导航卫星，2007年02月03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（注：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

15、的定位、授时、报文和GPS广域差分功能。运行至今工作稳定、状态良好。在北斗区域导航试验系统基础上，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）北斗卫星导航系统(Compass Navigation Satellite System为英文名称，Beidou为中文音译名称)。“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。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，测速精度米/秒。授权服务是向授权用户提供更安全的定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。北斗卫星导航系

16、统可以在服务区域内任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度和海拔高度，并提供双向通信服务。系统可为远洋船只及时提供导航定位信息，使其沿有利海流航行频繁的航线提供实时的海上交通指挥，引导船只安全地进出港口，并用于船舶机动性能的测定；公路交通和铁路运输可通过移动车辆的实时定位信息的提供，进行铁路和公路运输中的车辆监控，以提高运力，确保安全，实现公路和铁路等陆上交通运输系统的有效管理。11.1.6 GPS系统的应用前景当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航，收集情报等军事目的。但是，后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的，而且用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行厘米级甚至毫米

17、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和毫微秒级精度的时间测量。GPS主要应用是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。例如：船舶远洋导航和进港引水;飞机航路引导和进场降落;汽车自主导航;地面车辆跟踪和城市智能交通管理;紧急救生;个人旅游及野外探险;个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体）。 11.2 GPS定位11.2.1 GPS定位的一般原理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。如图11-1所示，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

18、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：图 11-1 GPS定位基本原理图(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)21/2+c(Vt1-Vt0)=d1(x2-x)2+(y2-y)2+(z2-z)21/2+c(Vt2-Vt0)=d2(x3-x)2+(y3-y)2+(z3-z)21/2+c(Vt3-Vt0)=d3(x4-x)2+(y4-y)2+(z4-z)21/2+c(Vt4-Vt0)=d4上述四个方程式中待测点坐标x、y、z 和Vt0为未知参数，其中di=cti(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

19、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，c为GPS信号的传播速度（即光速）。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接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来

20、几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米（各个卫星不同，随时变化）；以及GPS系统信息，如卫星状况等。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。GPS接收机对收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻

21、量测，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。11.2.2 GPS定位方式GPS定位是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量来实现的，同时还必须知道用户钟差。因此，要获得地面点的三维坐标，必须对4颗卫星进行测量。在这一定位过程中，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，例如，卫星钟

22、误差、星历误差、电离层误差、对流层误差等；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，例如内部噪声、通道延迟、多径效应等。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，其主要取决于基准接收机和用户接收机的距离，第三部分误差则无法消除。按定位方式，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，可用于车船等的概略导航定位。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，大

23、地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。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，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行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，如用于车船等概略导航定位的精度为30一100米的伪距单点定位，或用于城市车辆导航定位的米级精度的伪距差分定位，或用于测量放样等的厘米级的相位差分定位（RTK），实时差分定位

24、需要数据链将两个或多个站的观测数据实时传输到一起计算。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，它能最太限度地发挥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。目前，GPS已经能够达到地壳形变观测的精度要求。 3 差分定位差分技术很早就被人们所应用。它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。其目的在于消除公共项，包括公共误差和公共参数。在以前的无线电定位系统中已被广泛地应用。GPS是一种高精度卫星定位导航系统。

25、在实验期间，它能给出高精度的定位结果。这时尽管有人提出利用差分技术来进一步提高定位精度，但由于用户要求还不迫切，所以这一技术发展较慢。随着 GPS技术的发展和完善，应用领域的进一步开拓，人们越来越重视利用差分GPS技术来改善定位性能。它使用一台 GPS基准接收机和一台用户接收机，利用实时或事后处理技术，就可以使用户测量时消去公共的误差源电离层和对流层效应。特别提出的是，当GPS工作卫星升空时，美国政府实行了SA政策。使卫星的轨道参数增加了很大的误差，致使一些对定位精度要求稍高的用户得不到满足。因此，现在发展差分GPS技术就显得越来越重要。除此以外，美国政府实施了SA政策，其结果使卫星钟差和星历

26、误差显著增加，使原来的实时定位精度从15m降至100m。在这种情况下，利用差分技术能消除这一部分误差，更显示出差分GPS的优越性。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。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。1位置差分原理这是一种最简单的差分方法，任何一种GPS接收机均可改装和组成这种差分系统。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。由于存在着轨道误差、时钟误

27、差、SA影响、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是不一样的， 存在误差。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，例如卫星轨道误差、 SA影响、大气影响等，提高了定位精度。以上先决条件是基准站和用户站观测同一组卫星的情况。 位置差分法适用于用户与基准站间距离在100km以内的情况。2.伪距差分原理伪距差分是目前用途最广的一种技术。几乎所有的商用差分GPS接收机均采用这种技术。国际海事 无线电委员会推荐的RTCM SC-104也采用了这种技术。在基准站上的接收机要求得

28、它至可见卫星的距离，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.载波相位差分原理差分GPS的出现，能实时给定载体的位置，精度为米级，满足了导航、水下测量等工程的要求。位置差分、伪距差分、 伪距差分相位平滑等技术已成功地用于各

29、种作业中。随之而来的是更加精密的测量技术 载波相位差分技术。载波相位差分技术又称为RTK技术（Real Time Kinematics），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，并组成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

30、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 “北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成（如图11-2）。空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，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11-2 北斗1代卫星导航系统组成图“北斗一号”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。系统的主要功能归纳为：图11-2

31、 北斗1代卫星导航系统组成图定时：快速确定用户所在地的地理位置，向用户及主管部门提供导航信息。通讯：用户与用户、用户与中心控制系统间均可实现双向简短数字报文通信。授时：中心控制系统定时播发授时信息，为定时用户提供时延修正值。1“北斗一号”系统工作原理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，经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。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达

32、用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，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中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，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。另外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，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。“北斗一号”

33、的覆盖范围是北纬5一55，东经70一140之间的心脏地区，上打下小，最宽处在北纬35左右。其定位精度为水平精度100米(1)，设立标校站之后为20米(类似差分状态)。工作频率：。系统能容纳的用户数为每小时540000户。2“北斗一号”卫星导航系统与GPS系统比较(1)覆盖范围。北斗导航系统是覆盖我国本土的区域导航系统。覆盖范围东经约70140，北纬5一55。GPS是覆盖全球的全天候导航系统。能够确保地球上任何地点、任何时间能同时观测到6-9颗卫星(实际上最多能观测到11颗)。(2)卫星数量和轨道特性。北斗导航系统是在地球赤道平面上设置2颗地球同步卫星颗卫星的赤道角距约60。GPS是在6个轨道平

34、面上设置24颗卫星，轨道赤道倾角55，轨道面赤道角距60。航卫星为准同步轨道，绕地球一周11小时58分。(3)定位原理。北斗导航系统是主动式双向测距二维导航。地面中心控制系统解算，供用户三维定位数据。GPS是被动式伪码单向测距三维导航。由用户设备独立解算自己三维定位数据。“北斗一号”的这种工作原理带来两个方面的问题，一是用户定位的同时失去了无线电隐蔽性，这在军事上相当不利，另一方面由于设备必须包含发射机，因此在体积、重量上、价格和功耗方面处于不利的地位。(4)定位精度。北斗导航系统三维定位精度约几十米，授时精度约100ns。GPS三维定位精度P码目前己由16m提高到6m，C/A码目前己由25-

35、100m提高到12m，授时精度日前约20ns。(5)用户容量。北斗导航系统由于是主动双向测距的询问应答系统，用户设备与地球同步卫星之间不仅要接收地面中心控制系统的询问信号，还要求用户设备向同步卫星发射应答信号，这样，系统的用户容量取决于用户允许的信道阻塞率、询问信号速率和用户的响应频率。因此，北斗导航系统的用户设备容量是有限的。GPS是单向测距系统，用户设备只要接收导航卫星发出的导航电文即可进行测距定位，因此GPS的用户设备容量是无限的。(6)生存能力。和所有导航定位卫星系统一样，“北斗一号”基于中心控制系统和卫星的工作，但是“北斗一号”对中心控制系统的依赖性明显要大很多，因为定位解算在那里而

36、不是由用户设备完成的。为了弥补这种系统易损性，GPS正在发展星际横向数据链技术，使万一主控站被毁后GPS卫星可以独立运行。而“北斗一号”系统从原理上排除了这种可能性，一旦中心控制系统受损，系统就不能继续工作了。(7)实时性。“北斗一号”用户的定位申请要送回中心控制系统，中心控制系统解算出用户的三维位置数据之后再发回用户，其间要经过地球静止卫星走一个来回，再加上卫星转发，中心控制系统的处理，时间延迟就更长了，因此对于高速运动体，就加大了定位的误差。此外，“北斗一号”卫星导航系统也有一些自身的特点，其具备的短信通讯功能就是GPS所不具备的。综上所述，北斗导航系统具有卫星数量少、投资小、用户设备简单

37、价廉、能实现一定区域的导航定位、通讯等多用途，可满足当前我国陆、海、空运输导航定位的需求。缺点是不能覆盖两极地区，赤道附近定位精度差，只能二维主动式定位，且需提供用户高程数据，不能满足高动态和保密的军事用户要求，用户数量受一定限制。但最重要的是，“北斗一号”导航系统是我国独立自主建立的卫星导航系统，它的研制成功标志着我国打破了美、俄在此领域的垄断地位，解决了我国自主卫星导航系统的有无问题。它是一个成功的、实用的、投资很少的初步起步系统。此外，该系统并不排斥国内民用市场对GPS的广泛使用。相反，在此基础上还将建立我国的GPS广域差分系统。可以使受SA干扰的GPS民用码接收机的定位精度由百米级修正

38、到数米级，可以更好的促进GPS在民间的利用。当然，我们也需要认识到，随着我军高技术武器的不断发展，对导航定位的信息支持要求越来越高。北斗导航系统仅是我国近期满足四化建设需要的自主简易导航系统，我们必须在发展“北斗一号”的基础上，借鉴国外GPS、GLONASS的成功经验，开发我国二代卫星导航系统.11.4 GPS在物流系统中的应用11.4.1 GPS车辆监控调度系统 如今GPS已经广泛地应用到了各行各业，其中，在车辆监控调度系统中的应用最为人们所熟知。这里，我们将介绍系统结构组成以及在各行业的典型应用。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。其系统组成框图（如下

39、图11-3所示） 图11-3 GPS车辆监控调度系统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，以及开发相应业务软件满足用户的要求。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。当然，GSM也有缺点，随后我们将比较它和集群通信、常规电台的优缺点。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）。常用的车载终端如下图11-4所示。主

40、要功能为：图11-4 常用的车载终端 a) b) c) d)a)物流用车载终端调 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)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，显示单元上可以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。几种通信方式一般都要求数话兼容，可以根据指挥中心的指令来控制，以达到数话转换的功能。比如，如果

41、采用集群通信，在车辆报警后，监控中心将批出信道来监听车内的情况。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。当然，一些车调系统中可以无通信系统，如长途货运公司等不需要实时监控和调度的应用，这主要根据系统的应用目的所决定。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。和系统容量有直接关系，是选择数据链时首先考虑的方面。一些高档数

42、传电台的收发转换时间仅1020ms；而常规话音电台的收发转换时间一般较长，需要100200ms。2）接入方式：网络方式。调度中心通过专线接入无线通信网，系统容量大，但是运营和建设成本高，在建立大型的监控网络时是唯一选择。 单机方式。调度中心通过无线收发信机接入通信网，系统容量小，但扩容方便，增加无线收发信机就可以增加系统容量，在系统容量不大时应用较多，建设和运营成本都比较低。3）碰撞处理：常规电台。终端的信息发送要做到时分复用，充分利用频率资源。集群和公网。通信系统针对终端的信息发送请求调配频率资源。对于要求广播式通信的调度系统采用常规或集群电台是比较理想的，可以实时达到一点对多点。对于要求覆

43、盖范围广的，比如防盗和邮政运输、长途客/货运车辆，一般选择公网，可以有效的降低建设费用。集群通信频道多，刷新率高，能够实现群呼、组呼和个呼，但建设成本高，在机场、港口码头等已有集群专网的场合应用比较好。总体来说，这三种通信方式各有优缺点，最重要的是要选择适合应用需求的，最适合的就是最好的。下表11-1是这三种无线链路在各方面的比较。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

44、员可通过监控系统监控所有入网移动目标的运动。其关键是相应业务内容的数据库建设、电子地图、以及和业务内容密切相关的应用软件-MIS，以实现主要功能：(1)车辆调度功能。监控中心可在电子地图上选定区域，发出广播指令，凡行驶在该区域内的车辆将自动回传信息给监控中心，工作人员即可通过GSM ，根据需要调度车辆。(2)监控报警功能。在车辆遇到抢劫情况下，司机可以悄悄按下隐蔽处的报警按钮，监控中心可以查询出事车辆的位置，并实时监听车内的动静。(3)信息查询功能。可通过数据库查询任何入网拥护的资料，例如：地理信息数据库：地名、街道、门牌号等；移动目标数据库：车辆型号和档案照片、司机姓名等； 4车调系统的应用

45、GPS车辆监控调度系统的应用不仅仅是车辆，而包括各种飞机、船等一切需要调度的可运动载体，下面我们简单介绍几个典型的实际应用。（1）公交车监控和调度系统。可以针对公交线路安排，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。电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。它的时间可是精确到毫秒级的GPS时间。 （2） 出租车监控和调度系统。GPS车调系统

46、在出租车中的应用因叫车服务而最被看好市场前景，尽管目前不尽人意。所谓叫车服务就是当需要出租车时，您可以足不出户就有出租车来接您，所需要做的只是拨打调度中心的叫车 。调度中心将自动寻找最近的空车，在您的 还没挂断之前，调度中心就可以告诉您车牌号为XXX的车将在X分钟之内到达。车调系统还可给出租车提供路况信息，进行电子安全保护，防止车辆的丢失，并具有报警防劫功能，被戏称为三居室的、把前后座位以及驾驶座和助手座隔开的三角防护网，似乎也可以拆除了。（3） 运钞车监控系统。运钞车是按固定线路行进的，所以GSM短消息是最适合它的通信链路，定时将本车的位置发送给监控中心。当运钞车在路上遭遇抢劫时，押运员触发

47、报警装置，监控中心的电子地图上会自动显示报警车辆的位置、车速、行驶路线等信息，同时系统自动将信息传到公安局指挥中心的电子地图上，警方迅速调动警力进行围堵。（4）长途运输车监控系统。在前面讲无数据传输设备时就提到了长途货运，因为它无需实时监控和调度。只需在每辆长途运输车辆上安装GPS和数据存储器，时刻记录位置数据。然后，定期（比如每次长途接送货物之后）将数据下载到控制中心，可以查看车辆是否按预定轨迹接送货物，中间有无停车，在哪里停的车，停了多少次等，防止中间拉私货或怠工。选择数据存储器时，要考虑到记录数据的时间长短和频率，以及数据类型决定来决定存储空间。11.4.2 GPS在物流运输中应用的优势

48、随着经济的高速发展，物流已经成为当今社会一项十分重要的行业。物流管理体系的完善和进步将直接影响到工业、商贸、建筑业等各个领域的管理效率，同时也有越来越多的用户对物流行业提出了高效、智能化的服务要求。例如网上查看货运车辆、 查询动态信息等。如今，GPS全球卫星定位系统，作为一种高效、准确的移动目标管理手段，可以帮助物流公司实现实时动态的现代化管理体系，从而改变原来 呼叫货运司机才可了解车辆行驶情况的被动管理模式。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

49、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）

50、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。若有不正常的偏离、停滞与超速等异常现象发生时，网络GPS工作站显示屏能立即显示并发出警告信号，并可迅速查询纠正，避免危及人、车、货安全的情况发生，减少公司的损失。 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）长途运输由于信息闭塞，渠道狭窄，回程配货成了各运输企业最大的困扰。而网络GPS监控系统正是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

51、理安排回程配货，为运输车辆排解了后顾之忧。 （2）双向通讯功能 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）驾驶员通过接下相应的服务、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（发车时间、到货时间、卸货时间、返回时间等等）。 (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。因为网络GPS能够实时监控到自有车辆的位置及状态，所以能做到真正意义上的就近调度、动态调度、提前调度。

52、2）可快速解决客户问题，满足客户日益增长的服务需要。公司操作人员在接到客户来电或接到其它查询指示后，能立即通过查询数据库显示客户关心 的资料及相关信息，能够做到就近调派运力，提高运能，并能在最短的时间内为客户提供服务。 3）可实时掌握车辆的动态。若在临时任务发生时，可依照各车辆位置及运输作业状态，进行临时性工作调派，以达到争取时间、争取客户、节约运输成本的目的。 4）可进行运输工具待命计划管理。操作人员通过在途信息的反馈，运输工具未返回车队前即做好待命计划，可提前下达运输任务，减少等待时间，加快运输工具周转速度。 5）运能管理。将运输工具的运能信息、维修记录信息、车辆运行状况登记处、司机人员信

53、息、运输工具的在途信息等到多种信息提供调度部门决策。调度部门能更合理、更准确、更科学地进行调度，提高重车率，尽量减少空车时间和空车距离，充分利用运输工具的运能。 (4)数据存储、分析功能1）路线规划。可事先规划车辆的运行路线、运行区域，何时应该到达什么地方等，并将该信息记录在数据库中，以备以后查询、分析使用。 2）路线优化。实时了解车辆的状态，在控制点的具体位置与预计到达地点的差距，确认运输任务的完成情况，收集、积累、分析数据，以便进一步优化路线。依据地理信息GIS（Geography Information System）制定更为合理的行车路线及整个运输过程中的燃料、维修、过路（桥）费等费用

54、以确定更为精确的成本费用，制定更加合理的运费，提高公司的竞争力度。 3）可靠性分析。汇报运输工具的运行状态（汇报运行状况要求，使用费用要低，汇报信息种类丰富，可扩展，可改变。具体运行状况由客户提出）。了解运输工具是否需要较大的修理，预先做好修理计划，计算运输工具平均天差错时间，动态衡量该型号车辆的性能价格比。 4）服务质量跟踪。在中心设立服务器，并将车辆的有关信息（运行状况，在途信息，运能信息，位置信息等用户关心的信息）让有该权限的用户能异地方便地获取自己需要的信息，让客户放心，让客户满意，提高服务的准确率。还可对客户索取的信息中的位置信息用相对应的地图传送过去，并将运输工具的历史轨迹印在上面

55、，使该信息更加形象化。 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。1143 基于GPSGISGSM的物流配送监控系统 随着我国物流业的发展壮大，物流的配送量目益增多，对配送过程中车辆和货物的监控管理和合理调度就成为物流业货物运输管理系

56、统中的一个重要问题。 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(Global Systems for Mobile Communications，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。通过物流配送监控系统，物流公司可实时掌握货物在途信息，根据变化及时调整运输计划，有效地利用公司的车辆资源，最大限度地缩小不良影响，降低营运成本。下面将介绍基于3G技术的物流配送监控系统的构建及功能。 (1)系