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第10章全球卫星定位导航系统2020/4/142学习目标：了解GPS产生的历史背景、接收机的分类方法、GIS系统的构成和功能；熟悉4个导航系统的功能对比、GPS在交通物流管理中的应用；掌握GPS定位原理与“北斗一号”定位原理。通过学习案例——GPS在长庆油田物流信息管理系统中的应用，加深了解GPS对物流管理的作用。2020/4/143框架结构概述GPS产生：星历、指南针、NNSS、GPS四大卫星定位系统：GPS、GLONASS、GALILEO、北斗北斗系统：“北斗一号”、“北斗二号”四大导航系统对比北斗导航定位系统“北斗一号”：原理、开通、工作过程、特点“北斗二号”：北斗卫星导航定位系统“北斗一号”在汶川地震中的应用：通讯、指挥GPS系统系统构成：空间卫星、地面站、接收机定位原理：4球交汇定位方法分类：观测值、模式、时间、状态接收机分类：用途、频率、通道全球卫星定位导航系统GIS系统简介构成：硬件、软件、数据、人员和方法功能：数据获取、编辑、处理、存储、管理、空间查询与分析、可视化表达与输出应用：仓库规划、铁路运输交通运输管理：车辆定位、铁路运输、船队导航、空中交通、军事物流基于GPS/GIS/GSM的物流配送监控系统：模型、功能GPS的应用2020/4/14410.1概述10.2GPS系统10.3北斗导航定位系统10.4地理信息系统简介10.5GPS在物流管理中的应用2020/4/14510.1概述10.1.1GPS的产生最古老、最简单的导航方法是星历导航，人类通过观察星座的位置变化来确定自己的方位；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。进入二十世纪以后，随着科学技术水平的不断提高人类逐渐发明了许多新的定位方法，如惯性导航技术（InertialNavigation）等。其中，地基电子导航系统（Ground-basedRadionavigationSystem）的诞生标志着人类从此进入了电子导航时代。1957年10月，世界上第一颗人造地球卫星的成功发射宣告空间科学的发展跨入了一个崭新的时代，也使电子导航技术的发展进入了一个新的阶段。1973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/全球定位系统（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositionSystem-NAVSTAR，GPS），简称全球定位系统。2020/4/14610.1.1GPS的产生GPS计划的实施分为三个阶段：第一阶段为方案论证和初步设计阶段（1973年～1978年），发射了4颗卫星，建立了地面跟踪网并研制了地面接收机；第二阶段为全面研制和实验阶段（1979年～1984年），发射了7颗BlockI实验卫星，研制了各种用途的接收机，包括导航型和测地型接收机；第三阶段为实用组网阶段（1985年～1993年），发射了BlockII和BlockIIA工作卫星（BlockIIA卫星增强了军事应用功能并扩大了数据存储容量）。截止到1993年，由分布在6个轨道平面内的24颗卫星组成的GPS空间星座已经建成。从1973年到1993年，GPS系统的建立经历了近20年，耗资300亿美元，它是美国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。2020/4/14710.1.2全球四大卫星定位系统1.GPS2020/4/14810.1.2全球四大卫星定位系统2.GLONASS（格洛纳斯）2020/4/14910.1.2全球四大卫星定位系统3.GALILEO（伽利略）2020/4/141010.1.2全球四大卫星定位系统4.北斗系统2020/4/141110.1.2全球四大卫星定位系统5.全球四大卫星导航系统比较2020/4/141210.2GPS系统10.2.1GPS系统构成1.GPS系统包括三大部分(1)空间部分—GPS卫星星座。(3)用户设备部分—GPS信号接收机。(2)地面控制部分—地面监控系统。2020/4/141310.2.1GPS系统构成2.定位信号卫星配有4台频率相当稳定（量时精度为10-13秒）的原子钟（2台铯钟，2台铷钟），由此产生一个频率为10.23MHz的基准钟频信号。该信号经过倍频器降低10倍的频率后，成为频率为1.023MHz测距粗码（C/A码）的信号频率；基准钟频信号的频率10.23MHz，直接成为测距精码（P码）的信号频率；基准钟频信号经过倍频器降低204600倍的频率后，成为频率为50MHz数据码（卫星星历、导航电文的编码）的信号频率；基准钟频信号再经过倍频器倍频150倍和120倍频后，分别形成频率为1575.42MHz（L1）与1227.60MHz（L2）载波信号。通过测量这些卫星信号到达的时间用户可以用4颗卫星确定4个导航参数：纬度、经度、高度和时间。2020/4/141410.2.2GPS定位原理GPS系统的定位原理是：每颗在太空运行的卫星，任一时刻都有一个坐标值来代表其位置所在（已知值），接收机所在的位置坐标为未知值，而太空卫星的信息在传送过程中，所需耗费的时间，可经由比对卫星时钟与接收机内的时钟计算出来，将此时间差值乘以电波传送速度（一般定为光速），就可计算出太空卫星与使用者接收机间的距离，如此就可依三角向量关系来列出一个相关的方程式。每接收到一颗卫星就可列出一个相关的方程式，因此在至少收到三颗卫星信息后，即可计算出平面坐标（经纬度）值，收到四颗卫星信息则加上高程值，五颗以上卫星信息更可提高准确度（如图10.6所示）。2020/4/141510.2.2GPS定位原理2020/4/141610.2.2GPS定位原理设太空中的4颗卫星分别为：卫星1（x1,y1,z1）、卫星2（x2,y2,z2）、卫星3（x3,y3,z3）、卫星4（x4,y4,z4），如图10.7所示，则可列出4个方程（方程10.1～方程10.4）。2020/4/141710.2.2GPS定位原理其中，x、y、z：待测点坐标（未知参数）xi、yi、zi：卫星i在t时刻的空间直角坐标di(i=1、2、3、4)：为卫星i到接收机之间的距离Vto：接收机的钟差（未知参数）Vti：卫星i的钟差c：光速解上述方程组即可求得待测点的坐标。2020/4/141810.2.3GPS定位方法分类1.根据定位所采用的观测值(1)伪距定位(2)载波相位定位2.根据定位的模式(1)绝对定位(2)相对定位3.根据获取定位结果的时间(1)实时定位(2)非实时定位4.根据定位时接收机的运动状态(1)动态定位(2)静态定位2020/4/141910.2.4信号接收机1.接收机的用途分类(1)导航型接收机。(2)测地型接收机。(3)授时型接收机。2.按接收机的载波频率分类(1)单频接收机。(2)双频接收机3.按接收机通道数分类。2020/4/142010.3北斗导航定位系统10.3.1“北斗一号”导航定位系统1.“双星定位”原理的提出2.开通运行3.“北斗一号”的工作过程4.北斗一号的特点(1)覆盖范围只是初步具备了我国周边地区的定位能力，与GPS的全球定位相差甚远。(2)定位精度低，定位精度最高10米。(3)由于采用卫星无线电测定体制（RDSS），用户终端机工作时要发送无线电信号，会被敌方无线电侦测设备发现，不适合军用。(4)无法在高速移动平台上使用，这限制了它在航空和陆地运输上的应用。2020/4/142110.3.2北斗卫星导航定位系统随着我国综合国力的提升和卫星导航定位系统全面渗透普通人的生活，还有科索沃战争和第二次海湾战争美国GPS制导高精度打击武器的吸引，构建一个类似GPS的全球卫星导航定位系统开始提上日程，开始被称为“北斗二号”导航定位系统。2007年2月3日，“北斗一号”第四颗卫星发射成功，不过此时，“北斗一号”已经改名为“北斗导航试验系统”，原来的“北斗二号”则称为“北斗卫星导航定位系统”，英文名为CompassNavigationSatelliteSystem。第四颗北斗导航试验卫星不仅作为早期三颗卫星的备份，同时还将进行北斗卫星导航定位系统的相关试验。以北斗导航试验系统为基础，我国开始逐步实施北斗卫星导航系统的建设，首先满足中国及其周边地区的导航定位需求，并进行系统的组网和测试，逐步扩展为全球卫星导航定位系统。2020/4/142210.3.2北斗卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统将有5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，采用东方红3号卫星平台。30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道（MEO）卫星和3颗倾斜同步（IGSO）卫星组成，27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上，轨道高度21500公里，如图10.10所示。2020/4/142310.3.2北斗卫星导航定位系统北斗卫星导航系统致力于向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务，包括开放服务和授权服务两种方式。开放服务是向全球免费提供定位、测速和授时服务，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户，提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。北京时间2010年8月1日5时30分，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第五颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道，这是一颗倾斜地球同步轨道卫星，是我国2010年连续发射的第3颗北斗导航系统组网卫星。我国自主研制的北斗卫星导航系统系列卫星自2009年起进入组网高峰期，预计在2020年形成覆盖全球的卫星导航定位系统。2020/4/142410.3.3“北斗一号”在汶川地震救灾中的应用2008年5月12日四川大地震发生，一支携带了“北斗一号”终端机的部队于13日进入灾区，北京武警指挥中心和四川武警部队也运用“北斗”进行了上百次交流（图10.11为“北斗一号”终端机）。汶川地震发生的第三天上午，成都军区应急通信小分队搭乘直升机抵达震中汶川县城。这支应急通信小分队只有十人，但是他们携带卫星电话、电台，立即开设通信中心，恢复了汶川县城中断多时的通信。这就是“北斗”系统，在通信中断的情况下，显示了国产导航系统的威力。2020/4/142510.3.3“北斗一号”在汶川地震救灾中的应用地震后，汶川地区当地通讯设施全部被毁，加上通往灾区的道路被泥石流冲毁，不能及时运送维修设备，北斗定位系统在救灾初期担负了绝大部分通讯任务。由于汶川灾区地处山区地势复杂，部队配发的普通军用电台无法远距离通讯，而便携式卫星通讯系统装备的数量比较稀少，一时也来不及调运，在这次参与抗灾的部队里使用得并不太多。这次救灾的主力是部队，出于保密的原因，部队极少使用外国卫星电话，而“北斗一号”是我的国自己研制生产的系统，因此不存在这些问题。同时，“北斗一号”还具有报告自身位置的优点。GPS定位系统属于被动接受系统，使用者只能知道自己的所在位置，而无法通知指挥部门。“北斗一号”由于采用卫星和地面控制中心复合定位的技术，用户在知道自己的地理坐标的同时，控制中心也知道了终端的地理位置。这样方便了指挥中心对终端使用者的调度。“北斗一号”定位终端不但能够随时向基地报告自己的位置，而且还具有双向通信的功能，民用终端一次向卫星传送98个字节的短信息，可随时报告总部灾区的情况，申请救援物资。如，救援部队在开进途中，有新发现的被围困群众，可以通知指挥中心增派人员。自2003年以来，武警森林指挥部为全国所属的7个总队配发了数百套北斗设备，其中四川总队配发了几十套，灾后第一天驻扎在汶川地区的四川森警总队汶川大队有数套“北斗一号”终端投入了抗震救灾工作，并第一时间发回了灾情报告，第二天森警总部司令部要求参加救灾的部队打开所有的北斗设备，并及时汇报行进情况及灾情信息，第三天总参测绘局中国卫星导航应用管理中心及卫星地面总站紧急为部队调配了大量该类型设备。2020/4/1