第五章物流动态跟踪技术.

二、GPS的主要功能
• 军事上，GPS已成为自动化指挥系统、先进武器系统 及新的战役战术理论的一项关键性基本保障技术，它 被广泛应用于陆海空及战略导弹等各军兵种。 • 民用上，GPS能为地面车辆、人员、商船、渔船、游 艇、民航机导航定位，用于航道测量、河流及港口导 航、大地测量、海洋石油勘探、钻台井位的精确定位、 管道铺设、机场着陆、交通管制等。
• 2. 如何测定卫星至用户的距离
卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接 收机收到后经过计算求出接收机的三维位置、运动方向以 及速度和时间等数据。 （1）时间基准问题。（原子钟） （2）时间差与伪距离问题。 距离（L）=光速（c）×时间差(T1-T0) 注意：上述时间差由于接收机时钟误差、大气传播误差及 受其他干扰因素的影响，算出来的距离称为伪距离。 （3）误差及修正技术。（差分技术）
2. 地面监控系统
观测站（5个） 它的主要任务是接收卫星信号，监测卫星的工作状 态，并向主控站提供观测数据。 主控站（1个） 主控站为全系统提供时间基准，监视、控制卫星的 轨道，处理监测站送来的各种数据，编制各卫星星历， 计算和修正时钟误差及电离层对电波传播造成的偏差。 注入站（3个） 它的作用是将主控站计算出的卫星星历、卫星轨道 和卫星钟的改正数等注入到卫星中。此外，也能自动向 主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态。
2、GLONASS
u类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统
；
u其前身CICADA与子午系统同期，于1965年设计，有12
颗卫星；
u20世纪70年代中期开始启动GLONASS计划； u1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星； u1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全
• 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，使在地球 上任何地方GPS系统的用户，都能计算出他们所处的方位 。 • NAVSTAR卫星提供了P码（精码）和C/A码（粗码）两种定 位服务，P码为军方服务，定位精度达到3M；C/A码对社会 开放，定位精度为10M。 • 目前，美国正加紧部署研究GPSⅢ计划。为了满足到2030年 的军用、民用要求，GPSⅢ将选择全新的优化设计方案，放 弃现有的24颗中轨道卫星，采用全新的33颗高轨道加静止轨 道卫星组网。据介绍，与现有GPS相比，GPSⅢ的信号发射 功率可提高100倍，定位精度提高到0.2-0.5米，这样可以使 GPS制导武器的精度达到1米以内。届时，GPS的定位、导航 和授时能力将得到进一步提高。
第一节 GPS概述
一、GPS的定义
全球定位系统（Global Positioning System，简称 GPS），利用卫星星座（通信卫星）、地面控制部分和信 号接收机对地球表面上任何地方的用户都能进行全方位导 航和定位的系统，也称全球卫星定位系统。
这个系统通过24颗地球同步卫星全天候向地面发送授时 和定位信号，其中高精度的信号仅供美国军方和北约盟军 使用，普通用户只能够接收和解析低经度的民用信号。
为满足军事和民用对连续实时和三维导航的迫切要求， 1973年美国国防部开始组织陆海空三军，共同研究建立新一 代卫星导航系统的计划，这就是目前所称的“导航卫星授时测 距/全球定位系统”（Navigation Satellite Timing and ranging / Global Positioning System）简称全球定位系 统（GPS）。 GPS实施计划共分三个阶段： 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+3，21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星） GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。
4、北斗系统
• 我国开始建设拥有自主知识产权的全球卫星 导航系统――北斗卫星导航系统，这也是我国 自主建立的第一代卫星导航定位系统。 我国北斗卫星定位系统2002年投入使用 （2006年底已发射第四颗）。
北斗系统定位的目标
中国正在建设的北斗卫星导航系统空 间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静 止轨道卫星组成，提供两种服务方式 ，即开放服务和授权服务（属于第二 代系统）。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0．2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。 中国计划2012年左右，“北斗” 系统将覆盖亚太地区，2020年左右 覆盖全球。我国正在实施北斗卫星导 航系统建设，已成功发射六颗北斗导 航卫星。根据系统建设总体规划， 2012年左右，系统将首先具备覆盖亚 太地区的定位、导航和授时以及短报 文通信服务能力；2020年左右，建 成覆盖全球的北斗卫星导航系统。
3. 用户接收系统
GPS的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成。 GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分， 天线作用：捕获、跟踪卫星，接收放大GPS信号。 接收单元作用：对信号进行解调和滤波，求解信号相位 差 ，获得定位、测速、定时等数据。
GPS接收机天线
天线的基本作用是把来自于卫星信号的能量转化为相应的电 流，并经前置放大器进行频率变换，以便对信号进行跟踪、处 理和量测。
工作能力；
u截止2013年4月，GLONASS系统在轨卫星总数为29颗
，其中有23颗在轨运行，3颗备用卫星，2颗正在维护，1 颗正处于试飞阶段；
u今年6月15日凌晨成功发射一颗，目前有在轨数达30颗
GLONASS
3、Galileo
背景：GLONASS在轨卫星缺失，GPS独霸市场 GLONASS、GPS均由军方控制 欧盟：要建立国际民间控制的或欧盟自己的民用导航系统 特点：共享的独立于GPS的无增强条件下的适于海陆空的 系统。参股共建，收费。 阶段： （一）2000年前，可行性评估或定义 （二）2001—2005，开发和检测 （三）2006—2007，部署
第二节 GPS的工作原理
一、GPS的基本工作原理
• 首先假定卫星的位置为已知，而又能准确测定某地点A至 卫星之间的距离，那么A点一定是位于以卫星为中心，所 测得距离为半径的圆球面上。 • 进一步，又测得点A至另一卫星的距离，则A点一定处在 前后两个圆球面相交的圆环上。 • 另外，还可测得与第三个卫星的距离，通过3个定位球面 就可以确定A点在地球上的空间位置。如果要定位空中位 置（如飞机），还可通过第4颗卫星。
第三节 各国GPS技术及发展
u美国GPS uGLONASS
航卫星系统
全球导
uGalileo系统
u北斗系统：我国的
第一代卫星导航系统
P125 表5-1
1、美国GPS
美国的“全球定位系统”（GPS），是目前世 界上应用最广泛、也是技术最成熟的导航定位系统 。上述章节介绍的GPS都是指美国的GPS.。
•
如果有第三颗卫星，并 知道被观测物与它的距 离，那么被观测物一定 在圆周线与第三颗卫星 为中心的球面的交点上， 这时，球面与圆周线相 交于两点。
• 1. 怎样确知卫星所处的准确位置
要确知卫星所处的准确位置，首先优化设计卫星运行 轨道，而且要由监测站通过各种手段连续不断地监测卫星 的运行状态，适时发送控制指令，使卫星保持在正确的轨 道运行。将正确的运行轨迹编成星历，注入卫星，且经由 卫星发送给GPS接收机。正确接受每个卫星的星历，就可 以确知卫星的准确位置。
• • • • •
GPS用于救援 GPS用于森林防火 GPS用于地震预报 GPS用于大坝及地面沉降的监测 GPS用于通信
二、GPS信号
• 载波：L波段双频L1 1575.42MHz，L2 1227.60MHz • 卫星识别：码分多址（CDMA,Code-Division Multiple Access ） GSM--Global System Mobile communication(全球移动通信系统) • 测距码：C/A码（民用），P码（美国军方及特 殊授户） • 导航数据：卫星轨道坐标、卫星钟差方程式参 数、电离 层延迟修正
源自文库
百度地图
三、GPS系统的主要特点
• • • • • 定位精确度高 定位时间短（1s定位或测速） 执行操作简便（“傻瓜化”） 功能多、应用广（测量、导航、测速、测时） 全球、全天候作业
四、GPS系统的组成
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—用户接收系统。
（四）2008，商业运行
4、北斗系统
•北斗卫星导航系统是是中国自行研 制开发的区域性有源三维卫星定位 与通信系统（CNSS），是除美国的 全球定位系统（GPS）、俄罗斯的
GLONASS之后第三个成熟的卫星
导航系统。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，其建设与发展则
遵循开放性、自主性、兼容性、渐 进性这4项原则。
第五章 物流动态跟踪技术
第一节 GPS概述 第二节 GPS的工作原理 第三节 各国GPS技术及发展 第四节 GPS在物流等领域的应用 第五节 无限定位技术LBS
小知识
全球四大卫星导航定位系统 (1)美国的GPS (2)俄罗斯的格洛纳斯卫星导航系统 (3)欧洲的伽利略卫星导航系统 (4)我国的北斗卫星导航系统
天线基本类型
接收单元作用：对信号进行解调和滤波，求 解信号相位差 ，获得定位、测速、定时等数据。
GPS 接 收 机 单 元 构 成
导航型GPS机
手持式GPS产品
导航型GPS机
汽车导航产品
大地型GPS接收机
单频机
双频机
GPS数据处理软件
• GPS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。从而求得观测站的三维坐标，观测体的坐标、运 动速度、方向及精确时刻。
空间部分： 提供星历和时间信息 发射伪距和载波信号 提供其它辅助信息
用户部分： 接收并测卫星信号 记录处理数据 提供导航定位信息
地面控制部分： 中心控制系统 实现时间同步 跟踪卫星进行定轨
1.GPS空间卫星星座
GPS工作卫星及其星座由 高度约为2万km的21颗工作 卫星和3颗在轨备用卫星组 成，记作（21＋3）GPS星 座。 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，每颗卫星 都配备有精度极高的原子钟 （30万年的误差为1s）。 u卫星星座的分布设置要保 证地球上任何地点，任何时 刻至少可以同时观测到四颗 卫星。
一、GPS的基本工作原理
• 在太空中如果只有一颗卫 星，并知道某被观测物与 这颗卫星的距离，那么被 观测物肯定在以卫星为中 心，以被观测物与卫星距 离为半径的球面上（如 图），这虽然界定了一个 范围，但球面可以有无数 个点，无法确定它的准确 位置。
•
如果有第二颗卫星， 且知道被观测物与第二 颗卫星的距离，同理， 被观测物也在以第二颗 卫星为中心，以与第二 颗卫星的距离为半径的 球面上，若满足上述两 个条件的被观测物一定 在两个球面的交界线上， 即一个圆周线上。
卫星定位技术回顾
1957年世界上第一颗人造地球卫星发射成功，40年来，人 造地球卫星技术在通信、气象、资源勘察、导航、遥感、大地 测量、地球动力学、天文学和军事科学等众多领域，得到了极 广泛应用。 人造地球卫星的出现，首先引起了各国军事部门的高度重 视。1958年底，美国海军武器实验室，开始着手建立为美国 海军舰艇导航的卫星系统，即“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System——NNSS）。由于该系统卫 星都通过地极，也称“子午(Transit)卫星系统”。