第三章物流信息系統(tǒng)的支撐技術(shù)5_全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)

1、第五節(jié)第五節(jié) 全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)（GPS）GPSGPS定義定義 功能及功能及 特點特點GPSGPS的的 組成組成 GPS GPS工工 作原理作原理GPS GPS 的應(yīng)用的應(yīng)用1 1、GPSGPS的定義的定義 全球定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)GPSGPS，其全稱為定時和測距的導(dǎo)航衛(wèi)星，其全稱為定時和測距的導(dǎo)航衛(wèi)星（Navigation Satellite Timing and Ranging-NavstarNavigation Satellite Timing and Ranging-Navstar）, ,國國際上將這一全球定位系統(tǒng)簡稱為際上將這一全球定位系統(tǒng)簡稱為GPSGPS（Global P

2、ositioning Global Positioning SystemSystem），是），是利用空間衛(wèi)星星座（通信衛(wèi)星）、地面控制部分利用空間衛(wèi)星星座（通信衛(wèi)星）、地面控制部分及信號接收機(jī)對地球上任何地方的用戶都能進(jìn)行全方位導(dǎo)航和及信號接收機(jī)對地球上任何地方的用戶都能進(jìn)行全方位導(dǎo)航和定位的系統(tǒng)。定位的系統(tǒng)。 無論是陸地、海洋還是空中用戶都可以通過GPS全天候、24小時、全球任何位置精確定位他們的三維坐標(biāo)、速度和時間。 全球定位系統(tǒng)也稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。全球定位系統(tǒng)也稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。 GPSGPS是美國國防部于是美國國防部于19731973年年1111月授權(quán)海陸空三軍共同研制的美國月授權(quán)

3、海陸空三軍共同研制的美國第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼阿波羅登月飛船和航天飛機(jī)之后第第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼阿波羅登月飛船和航天飛機(jī)之后第三大航天工程。三大航天工程。一、一、GPSGPS概述概述2 2、 GPSGPS的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程GPS實施計劃共分三個階段： 方案論證和初步設(shè)計階段。方案論證和初步設(shè)計階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星，研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)。 全面研制和試驗階段全面研制和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，同時研制了各種用途接收機(jī)。 實用組網(wǎng)階段實用組網(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程

4、建設(shè)階段。1993年底使用的GPS網(wǎng)即(21+3) GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。 美國的全球定位系統(tǒng)GPS和俄羅斯的全球軌道導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)GLONASS（Global Navigation Satellite System）共同構(gòu)成了全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)。 GLONASS于1982年10月開始由前蘇聯(lián)政府組織研制，歷經(jīng)14年建成。與美國的GPS相類似， GLONASS也由24顆衛(wèi)星組成，但增加了一顆備用衛(wèi)星。其衛(wèi)星軌道距離地面19100km，比GPS的衛(wèi)星軌道低1000多千米，構(gòu)成部分與GPS相似，也是由空間衛(wèi)星星座、地面控制和用戶設(shè)備三大系統(tǒng)組成，但定位精度比GPS稍差一些。

5、 2007年2月3日零時28分，中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號甲”運載火箭，成功將第四顆北斗導(dǎo)航試驗衛(wèi)星送入太空。 2007年4月14日，我國成功發(fā)射了第1顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。 2009年4月15日15日零時16分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號丙”運載火箭，成功將第2顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。 2010年1月17日，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長三丙”運載火箭成功將第三顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功送入預(yù)定軌道 中國航天科技集團(tuán)公司宇航部部長趙小津介紹說，在今年（2009年）和明年兩年我們要發(fā)射10顆左右的導(dǎo)航衛(wèi)星，計劃2015年建成一個由三十幾顆衛(wèi)星組成的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)。目前我國的各種導(dǎo)航定位設(shè)

6、備都要靠美國的GPS系統(tǒng)提供服務(wù)，“北斗”系統(tǒng)建成后，將使我國在衛(wèi)星應(yīng)用方面擺脫對國外衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的依賴。 首先，北斗一號衛(wèi)星是區(qū)域性而不是全球性的，它只是在亞太地區(qū)。美國和俄羅斯的導(dǎo)航衛(wèi)星則是全球性的。其次，北斗一號衛(wèi)星是在地球同步軌道上運行，也就是說在離地球三萬六千公里的高度上運行。而美國和俄羅斯的導(dǎo)航衛(wèi)星則是在幾百公里到上千公里的低軌道運行。此外，北斗一號衛(wèi)星在導(dǎo)航方式上也與美俄的衛(wèi)星有一定的差距?！氨倍芬惶枌儆谥鲃邮降摹＞褪钦f，如果地面的一架飛機(jī)想知道自己的確切位置，它首先要向北斗一號發(fā)射一個信號，然后北斗一號再告訴它在什么地方。而俄羅斯和美國的導(dǎo)航衛(wèi)星都是屬于被動式的，它不需要先發(fā)射

7、一個信號。那架飛機(jī)打開它的接受器就能立即知道自己的所在點。所以，中國的北斗一號的功能還是有限的，它的地域有限，不是全球的。另外，它的速度較慢，因為需要導(dǎo)航的車輛或飛機(jī)首先必須發(fā)出一個信號才能接收到自己位置的信號。還有，在軍事上，北斗一號衛(wèi)星比較危險，因為一個軍事單位或是一件武器要想確切知道自己的位置，首先要向北斗衛(wèi)星發(fā)信號。而一發(fā)信號，就容易被對方判斷出自己的位置，因而暴露了自己。系統(tǒng)的持點：高精度、全天候、高效率、操作簡便、多功能、應(yīng)用廣泛等。1）定位精度高單機(jī)定位精度優(yōu)于l0m，采用差分定位，精度可達(dá)毫米級。2）實時導(dǎo)航目前GPS接收機(jī)的一次定位和測速工作在1秒甚至更短的時間內(nèi)便可完成，這

8、對高動態(tài)用戶來講尤其重要。 3）執(zhí)行操作簡便GPS接收機(jī)自動化越來越高，有的已達(dá)“傻瓜化”程度。 4）全球、全天候作業(yè)目前GPS觀測可在一天（24小時）內(nèi)的任何時間、任何地點進(jìn)行，不受惡劣氣候（陰天、黑夜、起霧、刮風(fēng)下雨）的影響。 5）功能多、應(yīng)用廣。 GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導(dǎo)航，還可用于測速、測時。測速的精度可達(dá)0.1m/s，測時的精度可達(dá)幾十毫微秒。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，不僅用于導(dǎo)航、收集情報等軍事目的，在民用方面也展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景，如車輛調(diào)度、貨物跟蹤等3 3、GPSGPS系統(tǒng)的主要特點系統(tǒng)的主要特點二、二、GPSGPS系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成( (三大部分三大部分) ) 由高度2

9、萬公里的24顆衛(wèi)星均勻分布在6個近圓形的軌道平面內(nèi)，每顆衛(wèi)星都配有精度極高的原子鐘（30萬年的誤差僅為1秒），各軌道平面赤道夾角為55度，軌道平面間距60度，在每一軌道平面內(nèi)，各衛(wèi)星的間隔為90度。 2、地面監(jiān)控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的地面監(jiān)控系統(tǒng)由均勻分布在美國本土和三大洋的美軍基地上的1個主控站、個主控站、5個監(jiān)測站和個監(jiān)測站和3個數(shù)據(jù)注入站構(gòu)成。個數(shù)據(jù)注入站構(gòu)成?？臻g衛(wèi)星的這種分布，提供了全球范圍從地面到2萬公里高空之間任一載體高精度的三維位置、三維速度和系統(tǒng)時間信息。1 1、空間衛(wèi)星星座、空間衛(wèi)星星座主控站功能主控站功能: :整個整

10、個GPSGPS系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)的核心。為全系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)，監(jiān)視控制衛(wèi)星的軌道，為全系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)，監(jiān)視控制衛(wèi)星的軌道，處理監(jiān)測站送來的各種數(shù)據(jù)，編制各衛(wèi)星星歷，計算和修正時鐘誤差及電離層對處理監(jiān)測站送來的各種數(shù)據(jù)，編制各衛(wèi)星星歷，計算和修正時鐘誤差及電離層對電波傳播造成的偏差；當(dāng)運行衛(wèi)星失效時及時調(diào)用備用衛(wèi)星等。具體來說就是根電波傳播造成的偏差；當(dāng)運行衛(wèi)星失效時及時調(diào)用備用衛(wèi)星等。具體來說就是根據(jù)各監(jiān)控站對據(jù)各監(jiān)控站對GPSGPS的觀測數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將的觀測數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的星歷和衛(wèi)星鐘的改正參數(shù)等，并將這些數(shù)據(jù)通過注入站注入到衛(wèi)星中去這些數(shù)據(jù)通過注入站注入

11、到衛(wèi)星中去；同時，它還對衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布同時，它還對衛(wèi)星進(jìn)行控制，向衛(wèi)星發(fā)布指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時，調(diào)度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作指令，當(dāng)工作衛(wèi)星出現(xiàn)故障時，調(diào)度備用衛(wèi)星，替代失效的工作衛(wèi)星工作。監(jiān)測站任務(wù)監(jiān)測站任務(wù): :接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星工作狀態(tài)，并向主控站提供觀測數(shù)據(jù)。接收衛(wèi)星信號，監(jiān)測衛(wèi)星工作狀態(tài)，并向主控站提供觀測數(shù)據(jù)。 注入站作用注入站作用: :將主控站計算出的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到將主控站計算出的衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘的改正數(shù)等注入到衛(wèi)星中衛(wèi)星中 3、用戶接收機(jī)、用戶接收機(jī) GPS的用戶設(shè)備主要由接收機(jī)硬件和處理軟件組成。 GPS接收機(jī)

12、的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分， 天線作用：天線作用：捕獲、跟蹤衛(wèi)星，接收放大GPS信號。 接收單元作用：接收單元作用：對信號進(jìn)行解調(diào)和濾波，求解信號相位 差 ，獲得定位、測速、定時等數(shù)據(jù)。三、三、GPSGPS工作原理工作原理要實現(xiàn)精確定位，要解決兩個問題：要實現(xiàn)精確定位，要解決兩個問題：1）確定衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置2）準(zhǔn)確測定衛(wèi)星至地球上我們所在地點的距離四、四、GPSGPS在物流領(lǐng)域中的應(yīng)用在物流領(lǐng)域中的應(yīng)用 GPS定位技術(shù)給車輛、輪船、火車等交通工具的導(dǎo)航與跟蹤提供定位技術(shù)給車輛、輪船、火車等交通工具的導(dǎo)航與跟蹤提供了準(zhǔn)確、實時的定位能力。了準(zhǔn)確、實時的定位能力。2、系統(tǒng)功能、系統(tǒng)功能

13、(1) 出行路線規(guī)劃。GPS可提供自動線路規(guī)劃和人工線路設(shè)計。自動線路規(guī)劃是由駕駛者確定起點和目的地，由計算機(jī)軟件按要求自動設(shè)計最佳行駛路線，包括最快的路線、最簡單的路線、通過高速公路路段次數(shù)最少的路線等的計算。人工線路設(shè)計是由駕駛者根據(jù)自己的目的地設(shè)計起點、終點和途經(jīng)點等，自動建立線路庫。線路規(guī)劃完畢后，顯示器能夠在電子地圖上顯示設(shè)計線路，并同時顯示汽車路徑和運行方法。 (2) 車輛導(dǎo)航與跟蹤。通過車載GPS，駕駛員通過顯示屏及時查看車輛的有關(guān)信息，如經(jīng)度、緯度、速度、航向等，同時車載電臺將定位信息發(fā)送給車輛監(jiān)控中心。若車輛出現(xiàn)緊急情況，司機(jī)啟動報警裝置，在監(jiān)控中心即可顯示出車輛情況、出事地

14、點、車輛人員等信息。（一）物流配送監(jiān)控管理系統(tǒng)（一）物流配送監(jiān)控管理系統(tǒng) 1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)物流配送監(jiān)控管理系統(tǒng)由智能車載單元、GSM數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成。 (3)交通指揮。交通指揮。裝備了GPS的公共交通工具，其監(jiān)控中心將車輛信息在電子地圖上顯示出來用以分析，對車輛進(jìn)行調(diào)度指揮，實現(xiàn)交通的實時監(jiān)控和進(jìn)行高效率的交通指揮、調(diào)度。 (4)緊急援助與反劫防盜。緊急援助與反劫防盜。通過GPS定位和監(jiān)控管理系統(tǒng)，對遇有險情或發(fā)生事故的車輛進(jìn)行緊急援助。公安、消防、醫(yī)療急救通過GPS迅速確定各個警車、消防車、救護(hù)車的位置，在第一時間到達(dá)目的地。當(dāng)車輛遇到搶劫、被盜時，車輛報警系統(tǒng)感應(yīng)器被激活，

15、并向監(jiān)控中心報警。監(jiān)控中心接到報警后，可以根據(jù)警情遙控熄火或鎖門等，從而控制車輛的運行狀態(tài)，并立刻與公安110、急救120網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接。 (二二)GPS接收機(jī)的分類接收機(jī)的分類 （1）全球衛(wèi)星定位：）全球衛(wèi)星定位：24小時全天候?qū)囕v定位，跟蹤汽車行駛線路、速度、方向，并反映在電子地圖上。 （2）被劫報警：）被劫報警：一旦車主遇到搶劫，馬上按動隱藏式緊急報警按鈕即可報警、監(jiān)控中心即可知道車主危況及位置，并立即通知警方追蹤被劫車輛，幫車主脫險。 （3）防盜報警：）防盜報警：系統(tǒng)設(shè)防后，一旦有人非法開啟車門或啟動車輛時，車載終端會自動向監(jiān)控中心報警。 （4）遙控報警：）遙控報警：用戶在被脅迫離車情況下

16、，可在遙控器有效范圍內(nèi)，向監(jiān)控中心報警求助。 （5）遙控鎖車：）遙控鎖車：一旦車輛發(fā)生警情，監(jiān)控中心可以對車輛進(jìn)行遙控鎖車（斷油、斷電）及遙控監(jiān)聽（此功能只有報警時才可啟用，充分保障車主的隱私）。 （6）車載電話：）車載電話：GPS具備中文車載電話功能，可實現(xiàn)來電顯示、接聽撥打電話、收發(fā)固定短信等功能。 （7）斷油斷電：）斷油斷電：當(dāng)車輛被盜后，在確認(rèn)警情無誤后，監(jiān)控中心發(fā)出斷油斷電指令攔劫匪徒，協(xié)助警方圍捕。 （8）疲勞駕駛警示系統(tǒng)：）疲勞駕駛警示系統(tǒng)：監(jiān)控中心可設(shè)定車輛的連續(xù)行駛時間，超時將會觸發(fā)車內(nèi)警示系統(tǒng)，同時監(jiān)控中心也會收到疲勞駕駛報警。 （9）車輛調(diào)度系統(tǒng)：）車輛調(diào)度系統(tǒng)：監(jiān)控中心

17、系統(tǒng)可以對車輛、人員進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)度，隨時下達(dá)會議通知、貨物運輸信息等功能，隨時調(diào)配其作業(yè)流程，做到有的放矢。 （10）超速報警：）超速報警：當(dāng)行駛速度超過每小時80公里時，車輛超速報警被激活。 （11）授權(quán)監(jiān)聽：）授權(quán)監(jiān)聽：監(jiān)控中心開啟監(jiān)聽功能，可聽到車內(nèi)一切聲音。 （三）網(wǎng)絡(luò)（三）網(wǎng)絡(luò)GPS 網(wǎng)絡(luò)GPS是指在互聯(lián)網(wǎng)上建立起來的，同時融合了衛(wèi)星定位技術(shù)、GSM數(shù)字移動通信技術(shù)以及國際互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等多種目前世界上先進(jìn)科技成果的一個公共GPS監(jiān)控平臺。 網(wǎng)絡(luò)GPS移動跟蹤與通信服務(wù)平臺，由專門提供公共GPS定位服務(wù)的公司運營，向運輸企業(yè)或貨主提供車輛、貨物監(jiān)控服務(wù)。 運輸企業(yè)或貨主以會員身份申請服務(wù)，以唯一的身份ID號來區(qū)分各自的權(quán)限，由監(jiān)控平臺接受所有前端設(shè)備發(fā)回的定位信息，提交給有相應(yīng)權(quán)限的會員使用，并嚴(yán)格限制無權(quán)限用戶的訪問。 會員可以在世界上任何地方使用瀏覽器，通過Internet訪問運營這個平臺的網(wǎng)站，即可實