第2講—GPS技術(shù)及其在安全領(lǐng)域中應(yīng)用(2)

1、第二講第二講 一、GPS簡介 二、GPS基本原理 三、GPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 四、小結(jié) 五、思考題一、一、GPSGPS簡介簡介 3 GPS3 GPS系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成 GPSGPS是是NAVSTAR/ Global Positioning SystemNAVSTAR/ Global Positioning System的簡的簡稱，它是由美國軍方研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。稱，它是由美國軍方研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。簡單說，簡單說，GPSGPS系統(tǒng)就是一個(gè)無線電空間定位導(dǎo)航系統(tǒng)，系統(tǒng)就是一個(gè)無線電空間定位導(dǎo)航系統(tǒng)，它利用空間衛(wèi)星和相關(guān)地面設(shè)施為全球提供全天候高它利用空間衛(wèi)星和相關(guān)地面設(shè)施為全

2、球提供全天候高精度的三維坐標(biāo)（經(jīng)度、緯度、海拔）和時(shí)間信息，精度的三維坐標(biāo)（經(jīng)度、緯度、海拔）和時(shí)間信息，地球表面及其上方任何地點(diǎn)都可以以無源方式接收信地球表面及其上方任何地點(diǎn)都可以以無源方式接收信號并用于定位與導(dǎo)航。號并用于定位與導(dǎo)航。 1 1）GPSGPS概念概念 GPS系統(tǒng)的基本功能是：用戶通過接受設(shè)備接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的信號，并解算出測點(diǎn)的位置、速度和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)定位、導(dǎo)航和精確授時(shí)，如圖1和圖2所示。 2 2）GPSGPS基本功能基本功能 圖圖2 GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位衛(wèi)星導(dǎo)航定位 圖圖1 GPS系統(tǒng)的基本功能示意圖系統(tǒng)的基本功能示意圖 導(dǎo)航和定位問題，即指示目標(biāo)的方向和方導(dǎo)航和定位問題，

3、即指示目標(biāo)的方向和方位問題，一直是人們關(guān)心和研究的問題。指南位問題，一直是人們關(guān)心和研究的問題。指南針、磁羅盤及陀螺等定位裝置就是古老的導(dǎo)航針、磁羅盤及陀螺等定位裝置就是古老的導(dǎo)航定位手段。定位手段。 1921 1921年世界上第一個(gè)無線電導(dǎo)航測向系統(tǒng)年世界上第一個(gè)無線電導(dǎo)航測向系統(tǒng)問世，宣告了無線電導(dǎo)航時(shí)代的到來。問世，宣告了無線電導(dǎo)航時(shí)代的到來。 19571957年原蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，年原蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造地球衛(wèi)星，美國美國Johns HopkinsJohns Hopkins大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室在對衛(wèi)大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室在對衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤測軌中得到啟示，提出了用衛(wèi)星發(fā)射星進(jìn)行跟蹤測

4、軌中得到啟示，提出了用衛(wèi)星發(fā)射信號進(jìn)行定位和導(dǎo)航的設(shè)想。信號進(jìn)行定位和導(dǎo)航的設(shè)想。 1959 1959年美國海軍武裝實(shí)驗(yàn)室委托年美國海軍武裝實(shí)驗(yàn)室委托Johns Johns HopkinsHopkins大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室，研究為美國軍用艦大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室，研究為美國軍用艦艇導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)，即海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)艇導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)，即海軍衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Navy Navigation Satellite SystemNavy Navigation Satellite System，即，即NASSNASS），），并在并在19641964年研制成功，形成了世界上第一個(gè)實(shí)用衛(wèi)年研制成功，形成了世界上

5、第一個(gè)實(shí)用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。星導(dǎo)航系統(tǒng)。 19731973年美國國防部批準(zhǔn)其陸?？杖娐?lián)合研年美國國防部批準(zhǔn)其陸?？杖娐?lián)合研制第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)制第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)NAVSTAR/Global NAVSTAR/Global Position SystemPosition System，簡稱全球定位系統(tǒng)，簡稱全球定位系統(tǒng)GPSGPS。 1993 1993年，由分布在年，由分布在6 6個(gè)軌道平面內(nèi)的（個(gè)軌道平面內(nèi)的（21213 3）顆衛(wèi)星組成的顆衛(wèi)星組成的GPSGPS空間星座全部建成，之后只是更空間星座全部建成，之后只是更換失效的衛(wèi)星。換失效的衛(wèi)星。 從從19731973年到年到199319

6、93年，年，GPSGPS系統(tǒng)的建立經(jīng)歷系統(tǒng)的建立經(jīng)歷了近了近2020年，耗資約年，耗資約200200億美元，它是美國繼阿億美元，它是美國繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃后第三項(xiàng)龐大空波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃后第三項(xiàng)龐大空間計(jì)劃。間計(jì)劃。 GPS由三大部分構(gòu)成：即空間部分(Space segment)、地面控制部分(Control segment)和用戶部分(User segment)。圖圖3 GPS系統(tǒng)構(gòu)成系統(tǒng)構(gòu)成 GPSGPS簡介簡介 GPS空間部分是由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成的GPS衛(wèi)星星座。24顆衛(wèi)星均勻地分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道的平均高度約為20200km，軌道傾角為55

7、度，各個(gè)軌道平面之間相距60度。3顆備用衛(wèi)星分別位于第1、3、5號軌道面上。圖4為GPS星座和衛(wèi)星（BLOCKII）。圖4 GPS衛(wèi)星星座和衛(wèi)星 GPSGPS簡介簡介 迄今為止，美國先后發(fā)展了三代GPS衛(wèi)星：BLOCKI、BLOCKII（含BLOCKIIA）和BLOCKIIR。圖圖5 BlockII5 BlockII（左），（左），BlockIIABlockIIA（中）和（中）和BlockIIRBlockIIR（右）衛(wèi)星照片（右）衛(wèi)星照片 GPSGPS簡介簡介 BLOCKI是GPS建設(shè)初期發(fā)射的衛(wèi)星。BLOCKII和BLOCKIIA都是第二代GPS衛(wèi)星，但BLOCKIIA的功能大大增強(qiáng)。它不僅

8、增加了軍事功能，而且大大增強(qiáng)了數(shù)據(jù)存儲容量。 BLOCKIIR為第三代GPS衛(wèi)星，它進(jìn)一步提高了GPS衛(wèi)星的可靠性和在全球范圍內(nèi)連續(xù)可用。此類衛(wèi)星能對自己進(jìn)行自主導(dǎo)航。每顆衛(wèi)星將定期測量到其它衛(wèi)星的距離，然后將測量修正值通過交聯(lián)通信系統(tǒng)傳送到其它衛(wèi)星。而且，每顆衛(wèi)星將用星載處理器計(jì)算導(dǎo)航參數(shù)的修正值，從而改善導(dǎo)航精度，增強(qiáng)自主能力和生存能力。 GPS衛(wèi)星的地面控制系統(tǒng)包括一個(gè)主控站MCS（Master Control Station）、五個(gè)監(jiān)測站MS（Monitor Station）和三個(gè)注入站GA（Ground Antenna）。GPSGPS簡介簡介 GPSGPS簡介簡介 GPS主控站位于美

9、國科羅拉多斯平士(Colorado Springs)的聯(lián)合空間運(yùn)行中心CSCO（Consolidated Space Operations Center）；3個(gè)注入站分別設(shè)在大西洋的阿松森（Ascension）島、印度洋的狄哥伽西亞（Diego Garcia）和太平洋的卡瓦加蘭（Kwajalein）3個(gè)美軍基地上；5個(gè)監(jiān)測站除了位于主控站和3個(gè)注入站之外的四個(gè)站外，還在夏威夷設(shè)立一個(gè)監(jiān)測站。 跟蹤觀測GPS衛(wèi)星。各監(jiān)測站GPS接收機(jī)對衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，同時(shí)收集當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。GPSGPS簡介簡介 功能一：功能一： 收集數(shù)據(jù)。主控站收集各監(jiān)測站所測得的偽距、氣象要素、衛(wèi)星時(shí)鐘和工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，以

10、及監(jiān)測站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)和海軍水面兵器中心發(fā)來的參考星歷。功能二：功能二： 編算導(dǎo)航電文。主控站用所收集的數(shù)據(jù)，計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的星歷、時(shí)鐘改正、狀態(tài)數(shù)據(jù)和信號的電離層延遲改正參數(shù)，并按一定格式編制成導(dǎo)航電文，傳送到注入站。功能三：功能三： 診斷狀態(tài)。主控站還監(jiān)測整個(gè)地面控制系統(tǒng)是否正常工作，檢驗(yàn)注入給衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確，監(jiān)測衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶等。功能四：功能四： 注入導(dǎo)航電文。注入站在主控站的控制下，將衛(wèi)星星歷、衛(wèi)星時(shí)鐘鐘差等參數(shù)和其它控制指令注入給各GPS衛(wèi)星。功能五：功能五： 調(diào)度衛(wèi)星。主控站能夠?qū)PS衛(wèi)星軌道進(jìn)行改變和修正，并能進(jìn)行衛(wèi)星調(diào)度，讓備用衛(wèi)星去取代失效的衛(wèi)星。

11、 功能六：功能六： GPS接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶部分。用戶部分核心是GPS信號接收機(jī)，GPSGPS簡介簡介 GPS GPS接收機(jī)的任務(wù)是：捕獲待測衛(wèi)星信號，接收機(jī)的任務(wù)是：捕獲待測衛(wèi)星信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行；對所接收到的并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行；對所接收到的GPSGPS信號信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPSGPS信號從信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間；解譯出衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間；解譯出GPSGPS衛(wèi)星衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的三維位所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測站的三維位置，甚至三維速

12、度和時(shí)間。置，甚至三維速度和時(shí)間。 GPSGPS簡介簡介 圖圖7 Magellan(7 Magellan(左左) )和和Germin(Germin(右右) )手持式接收機(jī)手持式接收機(jī)GPSGPS簡介簡介 很多尖端科學(xué)技術(shù)的發(fā)展都同軍事需要密切相關(guān)。如果說無線電導(dǎo)航技術(shù)在第二次世界大戰(zhàn)中獲得了迅速的發(fā)展，并對戰(zhàn)爭起到了重要作用的話，那么GPS在海灣戰(zhàn)爭中便是充當(dāng)了一個(gè)非常重要角色。GPSGPS簡介簡介 （1 1）GPSGPS在軍事中的應(yīng)用在軍事中的應(yīng)用 在海灣戰(zhàn)爭中美軍配備了大量GPS接收機(jī)，在難以用地貌地形定位的茫茫大沙漠中，實(shí)現(xiàn)了全天候、高精度的定位。同時(shí)，利用GPS導(dǎo)航功能對轟炸機(jī)、巡航導(dǎo)

13、彈等導(dǎo)航，實(shí)施精確打擊。 （2 2）GPSGPS在農(nóng)林領(lǐng)域中應(yīng)用在農(nóng)林領(lǐng)域中應(yīng)用 森林資源調(diào)查中，利用GPS接收機(jī)可不迷失方向；森林防火中，護(hù)林員利用GPS系統(tǒng)，可及時(shí)向指揮部報(bào)告和顯示火災(zāi)準(zhǔn)確位置、高程及火情，以便迅速撲滅火災(zāi)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，根據(jù)土壤采樣數(shù)據(jù)，施肥設(shè)備和拖拉機(jī)中的GPS同步工作，可實(shí)施定位施肥，實(shí)現(xiàn)精細(xì)農(nóng)業(yè)。使用GPS提供的定位信息，農(nóng)民可在任何時(shí)候（白天或晚上）從事開墾、收割等農(nóng)業(yè)活動，并可準(zhǔn)確圈定受災(zāi)區(qū)域的面積。 GPSGPS簡介簡介 （3 3）GPSGPS在海上、空中和陸在海上、空中和陸上導(dǎo)航的應(yīng)用上導(dǎo)航的應(yīng)用 航空和航海導(dǎo)航恐怕是利用全球定位系統(tǒng)的兩種最明顯的應(yīng)用了。

14、由于沒有可視的導(dǎo)航參照和可能遮擋GPS信號的物體，使海上和空中成為GPS的理想應(yīng)用場合。GPS現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于民用飛機(jī)、輪船的導(dǎo)航，對海上和空中的交通發(fā)展起到了重要作用。GPSGPS簡介簡介 （4 4）GPSGPS在測量領(lǐng)域中的應(yīng)用在測量領(lǐng)域中的應(yīng)用 GPS在測量領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來越廣泛，并已形成了一門新的學(xué)科GPS全球大地測量學(xué)。它將進(jìn)一步服務(wù)于地球物理學(xué)，地球動力學(xué)，天體力學(xué)等空間學(xué)科 。GPSGPS簡介簡介 （5 5）GPSGPS在減災(zāi)中應(yīng)用在減災(zāi)中應(yīng)用 應(yīng)用GPS精確定位數(shù)據(jù)和相關(guān)環(huán)境信息，能夠準(zhǔn)確測定森林火災(zāi)、井噴等環(huán)境災(zāi)害的發(fā)生地及其區(qū)域范圍，掌握災(zāi)害的發(fā)展趨勢和速度，為指揮減災(zāi)行動

15、提供決策依據(jù)，此外，利用GPS監(jiān)測大型工程建筑（如大型水壩、橋梁等）的變形信息，可建立大型結(jié)構(gòu)工程變形觀測預(yù)警系統(tǒng)，控制災(zāi)害發(fā)生。 GPSGPS簡介簡介 （6 6）GPSGPS用于露天礦開采用于露天礦開采 采用GPS，可對露天礦山的采礦設(shè)備進(jìn)行動態(tài)跟蹤，實(shí)現(xiàn)采礦作業(yè)優(yōu)化調(diào)度，對設(shè)備運(yùn)行狀況、邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測,對鉆機(jī)穿孔實(shí)施精確導(dǎo)航和定位，從而大幅度地提高了采礦效率與經(jīng)濟(jì)效益。 GPSGPS簡介簡介 （7 7）精確定時(shí)）精確定時(shí) GPS是以精確時(shí)間基準(zhǔn)為基礎(chǔ)的這一事實(shí)，意味著可用其信號對時(shí)鐘和時(shí)標(biāo)進(jìn)行非常精確的同步。由于GPS衛(wèi)星采用的是原子鐘，其精度可達(dá)納秒級，因此，采用GPS可以在全球范圍

16、內(nèi)實(shí)施精確定時(shí)。這種精確定時(shí)能力的主要用途在于控制數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，使接收機(jī)和發(fā)射機(jī)同步。GPSGPS簡介簡介 此外，此外，GPSGPS還與還與GISGIS或或RSRS結(jié)結(jié)合，廣泛應(yīng)用于土地和資源調(diào)合，廣泛應(yīng)用于土地和資源調(diào)查、氣象監(jiān)測和天氣預(yù)報(bào)等查、氣象監(jiān)測和天氣預(yù)報(bào)等。以上只是列舉了GPS部分應(yīng)用領(lǐng)域。無疑，隨著GPS技術(shù)的進(jìn)一部發(fā)展和人們對它的認(rèn)識進(jìn)一步加深，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)絹碓綇V泛。 GPSGPS簡介簡介 二、GPS基本原理 1 GPS1 GPS定位基本原理定位基本原理1 GPS1 GPS定位基本原理定位基本原理 GPS定位原理是利用測距交會確定點(diǎn)位，即三角測量定位（Triangulati

17、on）。假定在地面上的某個(gè)觀測站，在某個(gè)時(shí)刻可以“看到”位于地球上空的四顆衛(wèi)星。而這些衛(wèi)星在該時(shí)刻的空間位置已知，只要能設(shè)法測到該時(shí)刻觀測站到衛(wèi)星的距離L1、L2、L3、L4，即可以求算出觀測點(diǎn)的三維空間位置，見右圖。 GPSGPS基本原理基本原理 一顆衛(wèi)星信號傳播到接收機(jī)的時(shí)間只能決定該衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，但并不能確定接收機(jī)相對于衛(wèi)星的方向，在三維空間中，GPS接收機(jī)的可能位置構(gòu)成一個(gè)球面；當(dāng)測到兩顆衛(wèi)星的距離時(shí)，接收機(jī)的可能位置被確定于兩個(gè)球面相交構(gòu)成的圓上；當(dāng)?shù)玫降谌w衛(wèi)星的距離后，球面與圓相交得到兩個(gè)可能的點(diǎn)；第四顆衛(wèi)星用于確定接收機(jī)的準(zhǔn)確位置。因此，如果接收機(jī)能夠得到4顆GPS衛(wèi)星的

18、信號，就可以進(jìn)行定位；當(dāng)接收到信號的衛(wèi)星數(shù)目多于四個(gè)時(shí)，可以優(yōu)選其中4顆衛(wèi)星進(jìn)行更精確地定位。 GPSGPS基本原理基本原理 每顆GPS衛(wèi)星上的原子鐘均產(chǎn)生一個(gè)頻率為1023的基礎(chǔ)信號，并以此為基礎(chǔ)形成兩個(gè)L波段頻率的載波無線電信號： L1: 1575.24MHz，波長：19.03cm L2: 1227.60MHz，波長：24.42cmGPSGPS基本原理基本原理 在L1載波上調(diào)制有P碼（精碼，Precise Code）和C/A碼（粗碼，Coarse code）。其中，C/A碼精度較低，主要供民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（Standard Positioning Service, SPS）；P碼精度較高

19、，僅供美國軍方和授權(quán)用戶的精確定位服務(wù)（Precise Positioning Service, PPS）。 在L2載波上，只調(diào)制了P碼。P碼是在加密后傳輸。P碼加密后成為Y碼。 在L1和L2載波上還分別調(diào)制了每秒50bit的數(shù)據(jù)導(dǎo)航電文，內(nèi)容包括：衛(wèi)星星歷、電離層模型系數(shù)、衛(wèi)星狀態(tài)信息、時(shí)間信息和星鐘偏差及漂移等信息。 GPSGPS信號調(diào)制圖信號調(diào)制圖 GPSGPS基本原理基本原理GPSGPS衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)衛(wèi)星信號結(jié)構(gòu)GPSGPS基本原理基本原理 GPS采用的C/A碼和P碼是一種復(fù)雜的數(shù)字碼，稱為偽隨機(jī)噪音碼（Pseudorandom Noise Code，簡稱PRN Code）。由于它的復(fù)雜

20、性，使其看起來似乎是一種隨機(jī)的電子噪音，故稱“偽隨機(jī)”。GPSGPS基本原理基本原理 每一顆GPS衛(wèi)星都具有其各自唯一的PRN碼，因此，所有GPS衛(wèi)星能夠使用同樣的頻率而不會相互阻塞，并且可以采取適當(dāng)技術(shù)放大信號，這樣GPS接收機(jī)就無需較大的衛(wèi)星天線來接收GPS信號，從而降低了使用成本。 每一顆GPS衛(wèi)星采用特定的PRN碼，并具有其唯一的SVN（Space Vehicle Number）編號，衛(wèi)星發(fā)射的信號中包含有這些信息在內(nèi)，這樣可以保證GPS接收機(jī)能夠準(zhǔn)確辨別不同衛(wèi)星發(fā)來的信號，可同時(shí)接收并解釋來自不同衛(wèi)星的信息。 導(dǎo)航電文的格式是主幀、子幀和、字碼和頁。一個(gè)字含30bit，一個(gè)子幀含10

21、個(gè)字，一個(gè)主幀含5個(gè)子幀，第4、5子幀各有25頁。每子幀長6秒，共含300bit。每一主幀的導(dǎo)航電文包括5個(gè)子幀，電文長度為1500bit，播送速度為50bit/s。導(dǎo)航電文僅僅在衛(wèi)星注入新的導(dǎo)航數(shù)據(jù)后才更新。GPSGPS基本原理基本原理WGS84WGS84坐標(biāo)系坐標(biāo)系 由于地球外形復(fù)雜，因此需要一種簡單、準(zhǔn)確而與地球外形接近的坐標(biāo)參照系統(tǒng)。GPS定位通常采用的是以地球經(jīng)度、緯度和高度（Longitude、Latitude & Altitude）來描述測點(diǎn)位置的橢圓體地心坐標(biāo)系大地坐標(biāo)系（Geodetic System）。 GPSGPS基本原理基本原理 GPS衛(wèi)星都安裝有4臺原子鐘，一

22、般是兩臺銣原子鐘和兩臺銫原子鐘。僅用一臺原子鐘作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，其余備用。GPSGPS基本原理基本原理 GPS時(shí)間受美國海軍天文臺（USNO）經(jīng)常性監(jiān)測，而可用來導(dǎo)出世界協(xié)調(diào)時(shí)（UTC）。GPS系統(tǒng)的地面主控站能夠以優(yōu)于ns的精度，使GPS時(shí)間和UTC（USNO）之差保持在s以內(nèi)（整秒有差）。目前用GPS時(shí)間推算出來的UTC可以達(dá)到100ns的精度。 協(xié)調(diào)世界時(shí)（英：Coordinated Universal Time ，法：Temps Universel Coordonn），又稱世界統(tǒng)一時(shí)間，世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，國際協(xié)調(diào)時(shí)間。英文（CUT）和法文（TUC）的縮寫不同，作為妥協(xié)，簡稱UTC。 此外，GP

23、S衛(wèi)星還向用戶播發(fā)衛(wèi)星鐘差、鐘速和鐘飄等3個(gè)時(shí)鐘參數(shù)，加之利用GPS信號可以測定站址的精確坐標(biāo)，因此GPS衛(wèi)星可以成為全球性的用戶時(shí)間信息源，用以進(jìn)行精確的時(shí)間測定。 從GPS衛(wèi)星到接收機(jī)天線距離是通過測量無線電信號傳輸?shù)臅r(shí)間來確定的。GPSGPS基本原理基本原理 一顆空間位置確定的GPS衛(wèi)星發(fā)送無線電信號到地面GPS接收機(jī)天線，地面接收機(jī)可測出信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播用時(shí)或延遲時(shí)間，以此乘以無線電信號的傳播速度（即光速），從而可解算出從衛(wèi)星的信號發(fā)射器到地面接收機(jī)的距離。 由于上述距離含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播等誤差，故稱為偽距（Pseudo Range），這種利用測距碼測距定位的

24、原理稱為偽距定位原理。 那么是如何獲得信號的傳播時(shí)間的呢？如下圖所示，GPS衛(wèi)星和接收機(jī)分別同時(shí)產(chǎn)生同樣的偽隨機(jī)噪音碼（Pseudorandom Noise Code, PRN Code），接收機(jī)收到衛(wèi)星發(fā)來的信號后，通過對比兩個(gè)PRN碼的差異，即可以確定衛(wèi)星信號的傳輸時(shí)間或信號延遲時(shí)間。GPSGPS基本原理基本原理 載波相位測距定位是測定GPS信號在傳播路徑上的相位變化值，以確定信號傳播的距離。GPSGPS基本原理基本原理 衛(wèi)星S發(fā)出一個(gè)載波信號，在任意時(shí)刻t其在S處的相位為s，而此時(shí)經(jīng)距離傳播到接收機(jī)K處的信號，其相位為k，則由S至K的相位變化為（s-k）。如果測定（s-k），則衛(wèi)星S至接

25、收機(jī)K的距離 即為： = （s-k）= （N0 + ） 式中：N0載波相位（s-k）的（t時(shí)刻）整周數(shù)部分； 不足一周的小數(shù)部分； 載波波長，為已知值。 這種利用載波相位測距定位原理稱為載波相位定位原理。這種利用載波相位測距定位原理稱為載波相位定位原理。GPSGPS基本原理基本原理誤差源：衛(wèi)星時(shí)鐘誤差星歷誤差大氣層誤差多路徑誤差接收器誤差選擇可用性誤差1）衛(wèi)星時(shí)鐘誤差）衛(wèi)星時(shí)鐘誤差（Satellite clock errors） 盡管衛(wèi)星上采用的原子鐘（銫鐘和銣鐘），但是這些鐘和GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間之間會有偏差和漂移，并且隨著時(shí)間的推移，這些偏差和漂移還會發(fā)生變化。而GPS定位所需要的觀測量都是以精

26、密測時(shí)為依據(jù)。因此，衛(wèi)星鐘的誤差會對偽碼測距和載波相位測量產(chǎn)生誤差。 GPSGPS基本原理基本原理2 2）星歷誤差）星歷誤差（Ephemeris errors） 所謂星歷，簡單說就是預(yù)測天體在特定時(shí)間的位置的“日歷”。為了定位，GPS接收機(jī)希望得到在給定的時(shí)間點(diǎn)上衛(wèi)星的位置。衛(wèi)星在傳送給接收機(jī)的信號中包含了這個(gè)信息。星歷包含了衛(wèi)星軌道的精確信息，每顆衛(wèi)星都有自己的星歷。因此，如果星歷不準(zhǔn)確，勢必導(dǎo)致定位誤差。GPSGPS基本原理基本原理 衛(wèi)星星歷是GPS衛(wèi)星定位中的重要數(shù)據(jù)，它是由地面監(jiān)控站跟蹤監(jiān)測GPS衛(wèi)星求定的。由于地面監(jiān)測站測試的誤差，以及衛(wèi)星在空中運(yùn)行受到多種攝動力的影響，地面監(jiān)測站難

27、以充分可靠地測定這些作用力的影響，使得測定的衛(wèi)星軌道會有誤差；另外，由地面注入站給衛(wèi)星的廣播星歷和由衛(wèi)星向地面發(fā)送的廣播星歷，都是由地面監(jiān)測的衛(wèi)星軌道推算出來的，與衛(wèi)星的實(shí)際位置有差距。3 3）大氣層誤差）大氣層誤差（Atmosphere errors） GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播過程中，很長一段是在完全真空的太空中進(jìn)行，因此傳播速度不會受到影響。當(dāng)信號到達(dá)地球大氣層，在穿越電離層和對流層的時(shí)候，其傳播速度將會被延遲，從而導(dǎo)致定位誤差。GPSGPS基本原理基本原理 大氣層誤差（Atmosphere errors）包括電離層誤差（Ionosphere errorsupper atmosp

28、here errors）和對流層誤差（Troposphere errorslower atmosphere errors）。 從地面70km向上直到大氣層頂部都為電離層。由于太陽的作用，大氣中的分子發(fā)生電離，電磁波在其間傳播時(shí)會產(chǎn)生延遲。GPSGPS基本原理基本原理 電磁波在電離層中產(chǎn)生的延遲與電磁波傳播路徑上的電子總量有關(guān)。電離層中的電子密度是變化的，它與太陽黑子活動狀況、地球上地理位置的不同、季節(jié)變化和不同時(shí)間有關(guān)。據(jù)有關(guān)資料分析，電離層電子密度白天約為夜間的5倍；冬季為夏季的4倍；太陽黑子活動最劇烈時(shí)可為最小時(shí)的4倍。另外，電磁波傳播延遲還與電磁波傳到GPS天線的方位有關(guān)，垂直方向與水平

29、方向延遲最大可達(dá)3倍，即垂直方向延遲可達(dá)50m，水平方向可達(dá)150m。 從地面向上70km為對流層，大氣層的質(zhì)量99%都集中在此層。該層也是氣象現(xiàn)象主要出現(xiàn)的區(qū)域。電磁波在其間傳播時(shí)同樣會受到延遲影響，影響程度取決于大氣的壓力、溫度和濕度。GPSGPS基本原理基本原理 電離層誤差與信號頻率相關(guān)（速度延遲與頻率成反比，即頻率越高，速度延遲約少），采用雙頻接收機(jī)接收衛(wèi)星信號時(shí)，可以同時(shí)接收到L1和L2頻率的信號，并可測算出兩個(gè)頻率信號傳播時(shí)間的差異，由此進(jìn)行誤差糾正，可以較好地消除電離層誤差。而對流層誤差與信號頻率無關(guān)，不能用雙頻接收機(jī)進(jìn)行糾正。 4 4）多路徑誤差）多路徑誤差 GPS衛(wèi)星信號從高

30、空向地面發(fā)射時(shí)，若接收機(jī)天線周圍附近有高大建筑物、平坦光滑地面、濃密的樹林、水面等，它們對電磁波具有強(qiáng)反射作用。因此，GPS接收機(jī)天線接收的信號不但有從衛(wèi)星直接發(fā)射的信號，還有從這些電磁波強(qiáng)反射體反射過來的信號，這種信號疊加作為接收機(jī)的觀測量，使定位產(chǎn)生誤差，該誤差稱為多路徑誤差。GPSGPS基本原理基本原理 為減少多路徑誤差對定位的影響，在安裝接收機(jī)天線時(shí)，應(yīng)盡量避開上述的強(qiáng)反射物。另外，減弱多路徑誤差影響，還可選用防多路徑效應(yīng)的接收機(jī)天線。目前，測地型的接收機(jī)都配有帶抑制板天線。5 5）接收器誤差）接收器誤差（Receiver errors） 如果地面接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘同步誤差為1s（1 x

31、 10-6s），引起等效距離誤差為300，因此，這個(gè)誤差很大。此外，接收機(jī)中的計(jì)算機(jī)的計(jì)算誤差（如對于分?jǐn)?shù)計(jì)算是很難做到百分之一百精確）也很難完全避免，從而導(dǎo)致定位誤差。GPSGPS基本原理基本原理6 6）選擇可用性誤差）選擇可用性誤差（Selective Availability errors） 過去，造成GPS定位最為嚴(yán)重的誤差則是由于美國軍方人為降低信號質(zhì)量造成的所謂選擇可用性誤差（Selective Availability errors），人為地將誤差引入衛(wèi)星時(shí)鐘和衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)中，故意降低GPS的定位精度，引入SA后，可使GPS定位水平誤差達(dá)100米，垂直誤差達(dá)300米。 美國政府于

32、美國政府于20002000年年5 5月月1 1日關(guān)閉了日關(guān)閉了SASA。 GPSGPS基本原理基本原理 影響GPS定位精度的，除了前述幾種誤差源外，還有兩個(gè)不可忽視的重要因素，那就是定位時(shí)可見衛(wèi)星數(shù)和它們在空中的幾何分布（Satellite Alignment or Satellite geometry）。 GPSGPS基本原理基本原理 可見衛(wèi)星為4顆時(shí)可以進(jìn)行三維準(zhǔn)確定位，當(dāng)接收到信號的衛(wèi)星數(shù)目多于四個(gè)時(shí)，可以優(yōu)選其中四顆衛(wèi)星來計(jì)算位置。因此，一般說來，可見衛(wèi)星數(shù)越多，越有利于定位精度的提高。 為了描述衛(wèi)星空間幾何分布對定位精度的影響，引入了精度衰減因子DOP（Dilution of pre

33、cision）的概念。DOP就是一個(gè)定量描述參與定位的衛(wèi)星空間幾何分布對定位精度的影響的無量綱值，DOP值越大，表明用于定位的GPS衛(wèi)星空間幾何分布對定位精度越不利。 從下圖可以簡單地看出衛(wèi)星空間幾何位置對定位精度的影響。當(dāng)定位衛(wèi)星相對集中時(shí)，包含測點(diǎn)位置在內(nèi)的由測距確定的重疊區(qū)域面積較大，即定位精度較低；而當(dāng)定位衛(wèi)星相對分散時(shí)，其測距確定的重疊的區(qū)域面積較小，即定位精度較高。 GPSGPS基本原理基本原理 4顆衛(wèi)星定位時(shí)，最佳的衛(wèi)星空間幾何分布或GDOP值最小的條件是定位測點(diǎn)正上方有一顆衛(wèi)星，其余3顆衛(wèi)星處于最小的高度角（衛(wèi)星與水平面的夾角，一般為5度），衛(wèi)星彼此間夾角最大（120。），即均

34、勻地分布在測點(diǎn)周圍。下圖所示不同衛(wèi)星分布時(shí)GDOP對比。 GPSGPS基本原理基本原理 差分GPS基本原理是在某一已知位置，安置一臺接收機(jī)作為基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星信號，然后在其它位置用另一臺接收機(jī)（用戶站）接收信號，由前者可以確定衛(wèi)星信號中包含的干擾信號，即獲得差分糾正（Differential correction），并通過數(shù)據(jù)鏈傳輸給用戶站，用戶站接收到的信號中減去這些干擾，即可大大降低定位誤差，如右圖所示。GPSGPS基本原理基本原理 GPS誤差的差分糾正就是通過兩個(gè)或者更多的GPS接收機(jī)完成的?；鶞?zhǔn)站的差分糾正值實(shí)時(shí)傳輸給用戶站處理稱為實(shí)時(shí)差分GPS系統(tǒng)（Real-time Differen

35、tial GPS，RDGPS），參見圖1-34。如果差分糾正值先存儲起來，事后傳輸給用戶站處理則稱為事后處理差分GPS（Post-processing DGPS）。 GPSGPS基本原理基本原理1）位置差分）位置差分 這是一種最簡單的差分方法。安裝在基準(zhǔn)站上的GPS接收機(jī)觀測4顆衛(wèi)星后便可進(jìn)行三維定位，解算出基準(zhǔn)站的坐標(biāo)。由于存在著大氣影響、多徑效應(yīng)以及其他誤差，解算出的坐標(biāo)與基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)不一樣，即存在誤差?；鶞?zhǔn)站利用數(shù)據(jù)鏈將位置坐標(biāo)改正數(shù)發(fā)送出去，由用戶站接收，并且對其解算的用戶站坐標(biāo)進(jìn)行改正。GPSGPS基本原理基本原理2 2）偽距差分）偽距差分 偽距差分是目前用途最廣的一種技術(shù)。在已

36、知位置的基準(zhǔn)站上的接收機(jī)計(jì)算出它至可見衛(wèi)星的精確距離，并將此計(jì)算出的距離與含有誤差的測量值加以比較。利用一個(gè)-濾波器將此差值濾波并求出其偏差。然后將所有衛(wèi)星的測距誤差傳輸給用戶，用戶用此測距誤差來改正測量的偽距并解出本身的位置，消去公共誤差，提高定位精度。GPSGPS基本原理基本原理3 3）載波相位差分）載波相位差分GPSGPS 載波相位差分技術(shù)又稱為RTK技術(shù)（Real time kinematic），是一種建立在實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測站的載波相位基礎(chǔ)上的技術(shù)，能實(shí)時(shí)給出厘米級的定位精度。GPSGPS基本原理基本原理 實(shí)現(xiàn)載波相位差分GPS的方法分為兩類：修正法和差分法。前者與偽距差分相同，基準(zhǔn)站將

37、載波相位修正量發(fā)送給用戶站，以改正其載波相位，然后求解坐標(biāo)。后者將基準(zhǔn)站采集的載波相位發(fā)送給用戶站進(jìn)行求差解算坐標(biāo)。前者為準(zhǔn)RTK技術(shù)，后者為真正的RTK技術(shù)。 差分GPS（Differential GPSDGPS）技術(shù)從其工作范圍又可分為局域差分GPS系統(tǒng)和廣域差分GPS系統(tǒng)。GPSGPS基本原理基本原理 局域差分GPS系統(tǒng)由中心站（主站）和移動站（用戶站）組成，并通過數(shù)據(jù)傳輸鏈構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。如果主站與移動站的觀測量是偽距，數(shù)據(jù)鏈傳送的是偽距改正數(shù)，實(shí)時(shí)定位精度可達(dá)到米級或亞米級。如果主站和用戶站的觀測量是載波相位，通過數(shù)據(jù)鏈建立二者之間的實(shí)時(shí)載波相位差分（RTK），實(shí)時(shí)定位精度可達(dá)到厘米級

38、。 局域差分GPS的主要缺點(diǎn)是定位工作范圍有限，為此發(fā)展了廣域差分GPS系統(tǒng)（WADGPS）。GPSGPS基本原理基本原理 廣域差分廣域差分概念是由美國斯坦福大學(xué)的Parkmson等人最早提出的。它的基本思想是對GPS觀測量的誤差源加以分離，對每一誤差源分別加以“模型化”，然后將計(jì)算出來的每一誤差源的數(shù)值通過某一種通訊方式實(shí)時(shí)傳送給用戶，供用戶對GPS觀測量的誤差加以改正。 WADGPS系統(tǒng)由1個(gè)計(jì)算中心，4個(gè)以上跟蹤站及相應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)和用戶站組成，具有作用距離遠(yuǎn)（從100km-1500km），定位精度均勻，可靠性和安全性好等特點(diǎn)，但WADGPS數(shù)據(jù)通訊較為復(fù)雜和困難，其通訊的成本往往比GPS

39、接收機(jī)本身的成本還要高。 廣域差分GPS實(shí)時(shí)定位技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展是與其它衛(wèi)星系統(tǒng)（定位、通信）相結(jié)合，形成兼有通信定位能力的組合系統(tǒng)。GPSGPS基本原理基本原理 美國聯(lián)邦航空局的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）除直接利用GPS衛(wèi)星定位外，還利用地球同步軌道衛(wèi)星播發(fā)GPS差分信息并發(fā)射C/A碼測距信號來增加測距衛(wèi)星源，使得該系統(tǒng)具有導(dǎo)航定位和移動通信的雙重功能。三、GPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 據(jù)美國勞動職業(yè)安全與健康管理部門的一份調(diào)查報(bào)告表明，從1992年至1999年，全美平均每年發(fā)生23起嚴(yán)重的露天礦卡車交通運(yùn)輸事故。事故發(fā)生的主要原因是因?yàn)榭ㄜ囁緳C(jī)不能及時(shí)地觀察到卡車后面或側(cè)面盲點(diǎn)區(qū)域的危險(xiǎn)存在，致使

40、卡車倒車時(shí)翻越公路或卸礦場邊緣發(fā)生傾覆事故或與其他車輛相撞所致。GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 為解決上述問題，美國的科羅拉多大學(xué)的研究人員利用GPS技術(shù)，無線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)研究開發(fā)出了露天礦卡車傾覆碰撞規(guī)避系統(tǒng)。露天礦卡車傾覆碰撞規(guī)避系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了如下功能：露天礦卡車傾覆碰撞規(guī)避系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了如下功能：GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用（1）系統(tǒng)能夠自動實(shí)時(shí)地對露天礦卡車進(jìn)行跟蹤定位，在卡車接近公路邊緣或卸礦場邊緣時(shí)，以及卡車間相互靠近到危險(xiǎn)距離時(shí)，能及時(shí)地發(fā)出預(yù)警信號。 （2）直觀的計(jì)算機(jī)圖形顯示，使卡車駕駛員能夠非常容易地理解和判斷； （3）每輛卡車上安裝

41、的監(jiān)視器都可以顯示由控制中心計(jì)算機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)傳輸來的卡車及其周圍環(huán)境情況的實(shí)時(shí)圖像； （4）系統(tǒng)達(dá)到亞米級的定位精度，滿足了應(yīng)用要求； （5）系統(tǒng)能以三維圖形方式顯示卡車在采礦場中的精確位置； （6）所有在采礦場運(yùn)行的卡車均可通過系統(tǒng)了解自己和其它卡車的實(shí)時(shí)位置。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)下圖所示。 GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 系統(tǒng)工作的基本流程：安裝在每臺卡車上的GPS接收機(jī)收到GPS信號后，利用從GPS基站通過無線電天線發(fā)送來的差分信號，精確計(jì)算出卡車的坐標(biāo)。然后，系統(tǒng)計(jì)算出卡車在礦山數(shù)字表面模型（Digital Terrain M

42、odel, DTM）上的位置，產(chǎn)生或更新安裝在卡車上計(jì)算機(jī)顯示屏幕上的DTM，并將位置信息通過無線電發(fā)送給其它卡車和基站?？刂浦行暮推渌ㄜ嚱邮誜YZ坐標(biāo)信息，利用該坐標(biāo)信息就可以實(shí)時(shí)地計(jì)算出發(fā)來信號的卡車在礦山DTM上的位置，并在該車的機(jī)載顯示器上實(shí)時(shí)地顯示。 2 2）GPSGPS及計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng) 系統(tǒng)采用RTK-GPS接收機(jī)。接收機(jī)掛接到無線電設(shè)備上。 一臺個(gè)人計(jì)算機(jī)機(jī)和一臺顯示器作為車載計(jì)算機(jī)圖形顯示系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)采用Windows操作系統(tǒng)，且擁有PC卡插槽可以安裝無線電通訊網(wǎng)卡。由圖為安裝在卡車車廂內(nèi)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 安裝在卡車車廂內(nèi)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安裝在卡車車廂內(nèi)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

43、 GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用3 3）無線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)）無線通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 無線通訊網(wǎng)采用TCP/IP兼容系統(tǒng)。通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是為卡車間傳輸定位坐標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)卡車對彼此位置的實(shí)時(shí)跟蹤。這些坐標(biāo)也用于系統(tǒng)形成三維的數(shù)字地面模型（DTM）。 GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用4 4）軟件系統(tǒng)）軟件系統(tǒng) 系統(tǒng)采用Visual Basic語言開發(fā)了可視化圖形界面的軟件系統(tǒng)Virtual Mine Software，具有如下功能： 1）能通過計(jì)算機(jī)串行接口讀取GPS單元傳輸來的信號； 2）將原始的經(jīng)度、緯度地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為UTM坐標(biāo)； 3）可將DXF格式的礦山地圖轉(zhuǎn)換為三維的VRM

44、L格式地圖； 4）三維礦山地圖的可視力化； 5）實(shí)現(xiàn)卡車的實(shí)時(shí)定位跟蹤； 6）需要時(shí)可形成三維礦山地圖； 7）采用TCP/IP無線通訊協(xié)議傳輸和接收遠(yuǎn)程卡車的定位數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)。GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 軟件系統(tǒng)產(chǎn)生的卡車三維模型，可根據(jù)GPS系統(tǒng)確定的定位坐標(biāo)顯示在生成的地圖上，從而動態(tài)實(shí)時(shí)地監(jiān)視卡車的位置，如下圖所示。GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 該軟件系統(tǒng)可產(chǎn)生一個(gè)三維的球形泡，以顯示卡車周圍的安全范圍，如下圖所示。GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 VirtualMine軟件系統(tǒng)可以監(jiān)視卡車所在的位置與危險(xiǎn)邊緣的距離。危險(xiǎn)邊緣用一個(gè)面表示，

45、如下圖所示。危險(xiǎn)邊緣是事先確定了的公路邊緣或排土場危險(xiǎn)邊緣，而該危險(xiǎn)邊緣的位置是根據(jù)卡車的運(yùn)行特點(diǎn)和路面土壤情況確定的。一旦卡車安全范圍靠近或越過該平面，系統(tǒng)將向卡車駕駛員發(fā)出警告,卡車上計(jì)算機(jī)界面上的紅色燈將會閃爍并發(fā)出警報(bào)聲。GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 當(dāng)兩輛卡車相隔較近，一輛卡車進(jìn)入另一輛卡車的安全警戒區(qū)域是，也就是說兩輛卡車上計(jì)算機(jī)界面上表示卡車的安全區(qū)域的球形泡出現(xiàn)重疊時(shí)，系統(tǒng)立即就會同時(shí)向這兩輛卡車的駕駛員發(fā)出即將發(fā)生碰撞危險(xiǎn)的警告，如下圖所示。 GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 VirtualMine系統(tǒng)還具有根據(jù)卡車確切位置坐標(biāo)，實(shí)時(shí)刷新顯示礦山一

46、個(gè)給定部分的高程圖。它是采取保存通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)傳送來的所有其它卡車的XYZ坐標(biāo)，并用這些信息產(chǎn)生一個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)格文件，自動地在車載計(jì)算機(jī)形成圖并顯示在屏幕上。如下圖。GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 Virtual系統(tǒng)已在美國西南部的亞利桑那州的Morenci（Morenci open pit copper mine in Arizona）露天銅礦進(jìn)行成功應(yīng)用。GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用（1）卡車實(shí)時(shí)跟蹤及成圖功能：下圖分別為Morenci礦的露天坑實(shí)景和機(jī)載計(jì)算機(jī)平面上顯示的三維等高線圖，可以看到，卡車在兩幅圖中的位置對應(yīng)情況非常好。 2）卡車碰撞規(guī)避功能 卡

47、車碰撞規(guī)避功能測試效果良好。如下圖所示，車載計(jì)算機(jī)屏幕顯示前面的客車已經(jīng)接觸到了表示該卡車的安全預(yù)警范圍的球形泡，系統(tǒng)向卡車駕駛員及時(shí)地發(fā)出了預(yù)警，達(dá)到了預(yù)期功能要求。GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用3）排土場邊緣接近安全預(yù)警功能 該功能可實(shí)現(xiàn)卡車在廢石場邊緣傾倒廢石時(shí)的安全預(yù)警。右圖分別為卡車在廢石場邊緣傾倒廢石的實(shí)況，以及車載計(jì)算機(jī)屏幕顯示其實(shí)際位置?？梢钥闯鲈撥嚾匀辉诎踩珔^(qū)域。GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 在露天礦開采中，卡車在廢石場邊緣傾覆或卡車碰撞事故時(shí)有發(fā)生，開發(fā)和應(yīng)用卡車傾覆和碰撞規(guī)避系統(tǒng)（VirtualMine System）能有效地提高露天礦運(yùn)行的

48、安全性，減少此類事故的發(fā)生。 GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 現(xiàn)代GPS技術(shù)能夠提供毫米級實(shí)時(shí)定位精度，目前已被成功地用于對高層建筑、大壩、橋梁等大型工程結(jié)構(gòu)的變形或位移的監(jiān)測。比如，加拿大的卡爾加里高塔（Calgary Tower）、美國Diamond Valley Lake大壩、美國舊金山海灣大橋（Bay Bridge）以及英國的Humber大橋等，都采用了GPS技術(shù)進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)對這些大型工程結(jié)構(gòu)的安全性動態(tài)評估和安全預(yù)警。 長期以來，高陡邊坡的穩(wěn)定性一直是露天礦開采中倍受關(guān)注的重要安全問題之一。通常，高陡邊坡在發(fā)生跨踏

49、破壞前，會有一個(gè)緩慢的位移過程發(fā)生。因此，通過對高陡邊坡微小位移信息的監(jiān)測和處理可以實(shí)現(xiàn)對其發(fā)生災(zāi)難性跨塌的預(yù)測。 對露天高陡邊坡的監(jiān)測，傳統(tǒng)上采用經(jīng)緯儀、全站儀和大地測量等技術(shù)。然而，這些傳統(tǒng)的監(jiān)測方法往往只能以人工的方式進(jìn)行間斷式監(jiān)測，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且往往受氣候和地形地貌等條件的限制，很難達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警的目的。 采用GPS技術(shù)進(jìn)行高陡邊坡的監(jiān)測，不僅可以克服氣候的限制，全天候工作，而且可以測出三維方向上的位移。采用載波相位差分GPS技術(shù)可以達(dá)到毫米級精度，完全可以滿足位移監(jiān)測的需要。更為重要的是，由于GPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是自動的，因此有條件形成高陡邊坡的自動監(jiān)測系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)、動態(tài)

50、、實(shí)時(shí)地監(jiān)測，大大提高了監(jiān)測的實(shí)際效果。無疑，GPS技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用為露天礦高陡邊坡的實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測和安全預(yù)警技術(shù)的研究開辟了一條新的有效途徑。 目前，國外礦業(yè)發(fā)達(dá)國家的多個(gè)研究機(jī)構(gòu)均在積極開展基于GPS技術(shù)的露天礦邊坡監(jiān)測技術(shù)的研究，并取得了階段性成果。 加拿大的大地工程中心（Canadian Centre for Geodetic Engineering）和新布倫茲維克大學(xué)（University of New Brunswick）聯(lián)合研制的基于GPS技術(shù)的自動實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)Alert，已經(jīng)在加拿大的Highland Valley露天銅礦開始試用。 澳大利亞Curtin大學(xué)空間科學(xué)系的研究人

51、員研究開發(fā)出的高陡邊坡GPS切換天線陣列監(jiān)測系統(tǒng)，已經(jīng)開始在西澳大利亞的Mount Keith露天鎳礦進(jìn)行測試； 美國的Colorado University、澳大利亞的University of New South Wales等也正在開展相關(guān)研究工作。我國也開展了相關(guān)研究?？梢灶A(yù)計(jì)，在不久的將來，基于GPS技術(shù)的露天礦高陡邊坡監(jiān)測技術(shù)將會得到迅速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。 （1）監(jiān)測系統(tǒng) 采用GPS技術(shù)監(jiān)測露天礦高陡邊坡，其基本監(jiān)測系統(tǒng)主要是由GPS基站（參照站）、GPS遠(yuǎn)程監(jiān)測站、通訊系統(tǒng)和監(jiān)測中心組成（見下圖）。 GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用（2）監(jiān)測方法 GPS參照站為參照GP

52、S接收機(jī)系統(tǒng)，包括GPS接收機(jī)、接收機(jī)天線、電源及通訊裝置等。它安裝在已精確定位且安全穩(wěn)定的地點(diǎn)，跟蹤所有可見衛(wèi)星，并為遠(yuǎn)程監(jiān)測站提供差分糾正。GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域中應(yīng)用 遠(yuǎn)程監(jiān)測站包括GPS接收機(jī)、接收機(jī)天線、電源及通訊裝置等，安裝在合理的監(jiān)測點(diǎn)位置上。它同時(shí)接收幾個(gè)衛(wèi)星發(fā)來的定位信號。 通訊系統(tǒng)可以是有線或無線系統(tǒng)，為基站、遠(yuǎn)程監(jiān)測站和監(jiān)測控制中心提供信息通訊網(wǎng)絡(luò)鏈接。GPS基站（參照站）將坐標(biāo)差分糾正通過有線或無線通訊系統(tǒng)實(shí)時(shí)地傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)測站。遠(yuǎn)程監(jiān)測站接收衛(wèi)星定位信號和基站發(fā)來的差分糾正信號，并運(yùn)行其GPS軟件計(jì)算出其三維坐標(biāo)，然后將計(jì)算出的坐標(biāo)信息傳輸給監(jiān)測控制中心。 監(jiān)測控制中心對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通常包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、位移分析等，給出各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)在特定方向上的位移信息，并做出安全評估和預(yù)警。 建立長期連續(xù)運(yùn)行的GPS監(jiān)測網(wǎng)對高陡邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性監(jiān)測，往往需要建立多個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)測站點(diǎn)，而每一個(gè)這樣的遠(yuǎn)程監(jiān)測站點(diǎn)都需要一個(gè)GPS接收機(jī)、一個(gè)GPS接收機(jī)天線、用于存儲并向監(jiān)測控制中心發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)的通訊設(shè)備，以及某種類型的電源（自主電源或太陽能電源）等，因此，建立監(jiān)測系統(tǒng)的投資往往很大。 GPSGPS在安全領(lǐng)域中應(yīng)用在安全領(lǐng)域