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2020/1/131GPS技术及应用2020/1/132学习目标•掌握GPS的概念、特点、系统组成•理解GPS的定位和工作原理•掌握GPS在物流中的应用2020/1/133当你外出旅游或者野外探险的时候，为了不迷失方向，请问你通常用哪些方法来辨别方向或确定你所在的位置？引入问题：2020/1/134余存顺的悲剧与GPS：余纯顺在罗布泊探险遇难时离最近的补给站仅几百米。风沙淹埋了前人走过的足迹，在茫茫荒漠中又渴又饿的他终于倒下了。如果当时他有一台GPS接收机，惨剧又何以发生？在地广人稀没有任何参照物可用以辨别方向的情况下，危险无时无刻不在,手持GPS接收机沿着机中记录的安全轨迹小心行进，可安全返航。目前，许多休闲俱乐部围绕GPS功能相继推出“穿越”、“寻宝”、“野外拓展”等都市游戏，丰富了人们周末生活，提高了人们生活品位，深得户外运动爱好者的欢迎。2020/1/135一、全球定位系统（GPS）概述•1、概念–利用卫星星座（通信卫星）、地面控制部分和信号接收机对对象进行动态定位的系统。–GPS能对静态、动态对象进行动态空间信息的获取，快速、精度均匀、不受天气和时间的限制反馈空间信息。•2、发展历史(220-223)–卫星三角测量；多谱勒卫星定位系统；NNSS（子午卫星导航系统）；GPS系统2020/1/1363、美国GPS建设的三个阶段•第一阶段为方案论证和初步设计阶段。–从1973年到1979年，共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。•第二阶段为全面研制和试验阶段。–从1979年到1984年，又陆续发射了7颗试验卫星，研制了各种用途接收机。实验表明，GPS定位精度远远超过设计标准。•第三阶段为实用组网阶段。–1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。2020/1/1374、典型GPS系统（详见书）•美国防部（DOD）的GPS系统(globalpositioningsystem)•俄罗斯的GLONASS系统（globalnavigationsatellitesystem）•国际海事卫星组织的–INMARSAT(internationalmarinesatellite)•国际民航组织GNSS(globalnavigationsystem)•我国的：北斗卫星导航系统•欧洲的：欧洲正在实施“伽利略”计划，部署新一代定位卫星，我国是伽利略计划的参与者之一。2020/1/138二、全球定位系统的主要特点用户提供连续、实时的三维位置、三维速度和精密时间，不受天气的影响。机定位精度优于10m，采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。1．全球、全天候工作2．定位精度高3、功能多，应用广•。除测量、导航、测速、测时等方面得到更广泛的应用，还如：汽车自定位、跟踪调度、陆地救援、内河及远洋船最佳航程和安全航线的实时调度，还有大地测量、工程测量、航空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等领域不断扩大2020/1/139五、美国防部（DOD）的GPS系统•由三个部分组成–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2020/1/1310五、GPS系统组成具体介绍1空间部分由21颗工作卫星和3颗备用卫星。分列于6个轨道平面上，每个4颗；•空间卫星系统由均匀分布在6个轨道平面上的24颗高轨道工作卫星构成，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为55Ο，轨道平面间距60Ο。•在每一轨道平面内，各卫星升交角距差90Ο，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前30Ο。2020/1/1311GPS空间卫星系统分布图2020/1/1312三、GPS系统组成2地面支撑系统有1个主控站，3个注入站和5个监测站；3用户设备部分可以接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。2020/1/1313中国北斗定位导航系统示意图2020/1/1314GPS卫星的作用（1）用L波段的两个无线载波（19cm和24cm）向广大用户连续不断地发送导航定位信号。•（2）在卫星飞越注入站上空时，接收由地面注入站用S波段（10cm波段）发送到卫星的导航电文和其他有关信息，并通过GPS信号电路，适时发送给广大用户。•（3）接收地面主控站通过注入站发送到卫星的高度命令，适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。2020/1/1315中国“北斗”卫星定位示意图2020/1/13162、地面监控系统•由均匀分布在美国本土和三大洋的美国基地上的5个观测站、一个主控站和三个注入构成。对空间卫星系统进行监测、控制，并向每颗卫星注入更新的导航电文。•（1）观测站•（2）主控站•（3）注入站2020/1/1317美国GPS地面监控系统分布主控站监测站注入站大西洋太平洋印度洋2020/1/1318主控站一个监测站五个注入站三个2020/1/1319主控站的任务•根据各监控站对GPS的观测数据，计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据通过注入站注入到卫星中去。主控站还对卫星进行控制，向卫星发布指令，纠正卫星的轨道偏离，当工作卫星出现故障时，调度备用卫星，替代失效的工作卫星工作。•另外，主控站还负责监测整个地面监测系统的工作，检验注入给卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给用户。2020/1/1320注入站的任务•注入站的任务是将主控站计算出的卫星星历和卫星钟的改正数等注入到卫星中去，每天注入三次，每次注入14天的星历。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。2020/1/1321监测站的主要任务•是对每颗卫星进行观测，精确测定卫星在空间的位置，向主控站提供观测数据；•每个监测站还配有GPS接收机，对每颗卫星连续不断地进行观测，每6min进行一次伪距测量和积分多普勒观测，并采集与气象有关的数据。2020/1/13223、用户接收系统•（1）GPS接收机•GPS接收机是一种特制的无线电接收机，用来接收导航卫星发射的信号，并以此计算出定位数据。•基本组成：天线单元；接受单元•完整的GPS用户设备包括：–接收机硬件–机内软件–GPS数据的后处理软件包，2020/1/1323分类标准分类接收机的用途导航型接收机：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。测地型接收机：主要用于精密大地测量和精密工程测量授时型接收机：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接收机的载波频率单频接收机：只能接收L1载波信号双频接收机：可以同时按收L1，L2载波信号接收机通道数多能道接收机；序贯通道接收机；多路多用通道接收机接收机工作原理码相关型接收机：平方型接收机：混合型接收机：干涉型接收机：（2）接收机的分类2020/1/1324•（a）车载卫星定位接收机(b)智能车载GPS导航仪(c)手持GPS接收机•图3-31常见的信号接收机2020/1/1325导航用手持型GPS机车载型GPS机2020/1/1326测地用（大地测量）双频机2020/1/1327带电子地图的GPS汽车导航仪2020/1/1328一、GPS常用术语第二节GPS的工作原理二、GPS的基本工作原理三、GPS定位方式四、GPS接收机的组成及工作原理第六章GPS与GIS技术2020/1/1329一、GPS常用术语1．坐标（Coordinate）GPS坐标有二维、三维两种表示方式。2．路标（LandmarkOrWaypoint）路标是GPS数据核心，它是构成“路线”的基础3．路线（Route）路线是GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中间点的坐标，每两个坐标点之间的线段叫一条“腿”（1eg）。第二节GPS的工作原理第六章GPS与GIS技术2020/1/13304．前进方向（Heading）不同GPS关于前进方向的算法是不同的，基本上是最近若干秒的前进方向，所以除非已经走了一段并仍然在走直线，否则前进方向是不准确的。5．导向（Bearing）导向功能在以下条件下起作用：（1）已设定“走向”（GOTO）目标。（2）目前有活跃路线（Activityroute）。第二节GPS的工作原理一、GPS常用术语第六章GPS与GIS技术2020/1/13316．日出日落时间（Sunset／raisetime）这个时间是GPS根据当地经度和日期计算得到的，是指平原地区的日出、日落时间。7．足迹线（Plottrail）GPS每秒更新一次坐标信息，所以可以记载自己的运动轨迹。一般GPS能记录1024个以上足迹点，在一个专用页面上，以可调比例尺显示移动轨迹。第二节GPS的工作原理一、GPS常用术语第六章GPS与GIS技术2020/1/1332二、GPS的基本工作原理1．怎样确知卫星的准确位置2．如何测定卫星至用户的距离3．时间基准问题4．测定卫星信号传输时间5．GPS技术的误差一部分是每一个用户接收机所共有的，例如卫星钟误差、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。6．差分GPS技术消除公共误差原理第二节GPS的工作原理第六章GPS与GIS技术2020/1/1333三、GPS定位方式（一）根据定位的模式1．绝对定位绝对定位也叫单点定位，通常是指在协议地球坐标系中，直接确定观测站相对于坐标系原点（地球质心）绝对坐、标的一种定位方法。2．相对定位在两个或若干个测量站上，设置GPS接收机，同步跟踪观测相同的GPS卫星，测定它们之间的相对位置，称为相对定位。相对定位是高精度定位的基本方法，广泛应用于高精度大地控制网、精密工程测量、地球动力学、地震监测网和导弹火箭等外弹道测量等方面。第二节GPS的工作原理第六章GPS与GIS技术2020/1/1334四、GPS接收机的组成及工作原理GPS接收机主要由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源三部分组成。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成。第二节GPS的工作原理三、GPS定位方式（二）根据定位时接收机的运动状态1．静态定位2．动态定位第六章GPS与GIS技术2020/1/1335GPS接收机主要由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元和电源三部分组成。接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器及显示器组成。（1）天线与前置放大器应密封一体，以保障其正常工作，减少信号损失。（2）能够接收来自任何方向的卫星信号，不产生死角。（3）有防护与屏蔽多路径效应的措施。（4）天线的相位中心保持高度的稳定，并与其几何中心尽量一致。（一）GPS接收机天线第二节GPS的工作原理四、GPS接收机的组成及工作原理第六章GPS与GIS技术2020/1/1336（二）接收机主机主机单元包括信号通道、存储、计算与显示控制及电源等部件（1）变频器及中频放大器（2）信号通道（3）存储器（4）微处理器第二节GPS的工作原理四、GPS接收机的组成及工作原理第六章GPS与GIS技术2020/1/1337（三）电源GPS接收机电源有两种：一种为内电源，一般采用锂电池，主要用于RAM存储器供电，以防止数据丢失。另一种为外接电源，这种电源常用可充电的12V直流镉镍电池组，或采用汽车电瓶。当用交流电时，要经过稳压电源交换器。第二节GPS的工作原理四、GPS接收机的组成及工作原理第六章GPS与GIS技术2020/1/1338GPS概述GPS的工作原理GPS在货物运输中的应用网络GPS在物流业中的应用GIS技术概述GIS在物流系统中的应用于第六章GPS与GIS技术2020/1/1339一、GPS的主要使用方法第三节GPS在货物运输系统中的应用二、GPS在货物运输系统中的应用（一）有地图使用（二）无图使用（1）使用路点定点（2）使用路线导向（3）回溯第六章