第10章 全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)

第10章全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)2023/2/32學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解GPS產(chǎn)生的歷史背景、接收機(jī)的分類方法、GIS系統(tǒng)的構(gòu)成和功能；熟悉4個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)的功能對(duì)比、GPS在交通物流管理中的應(yīng)用；掌握GPS定位原理與“北斗一號(hào)”定位原理。通過學(xué)習(xí)案例——GPS在長慶油田物流信息管理系統(tǒng)中的應(yīng)用，加深了解GPS對(duì)物流管理的作用。2023/2/33框架結(jié)構(gòu)概述GPS產(chǎn)生：星歷、指南針、NNSS、GPS四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)：GPS、GLONASS、GALILEO、北斗北斗系統(tǒng)：“北斗一號(hào)”、“北斗二號(hào)”四大導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)比北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)“北斗一號(hào)”：原理、開通、工作過程、特點(diǎn)“北斗二號(hào)”：北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)“北斗一號(hào)”在汶川地震中的應(yīng)用：通訊、指揮GPS系統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)成：空間衛(wèi)星、地面站、接收機(jī)定位原理：4球交匯定位方法分類：觀測(cè)值、模式、時(shí)間、狀態(tài)接收機(jī)分類：用途、頻率、通道全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)GIS系統(tǒng)簡介構(gòu)成：硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和方法功能：數(shù)據(jù)獲取、編輯、處理、存儲(chǔ)、管理、空間查詢與分析、可視化表達(dá)與輸出應(yīng)用：倉庫規(guī)劃、鐵路運(yùn)輸交通運(yùn)輸管理：車輛定位、鐵路運(yùn)輸、船隊(duì)導(dǎo)航、空中交通、軍事物流基于GPS/GIS/GSM的物流配送監(jiān)控系統(tǒng)：模型、功能GPS的應(yīng)用2023/2/3410.1概述10.2GPS系統(tǒng)10.3北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)10.4地理信息系統(tǒng)簡介10.5GPS在物流管理中的應(yīng)用2023/2/3510.1概述10.1.1GPS的產(chǎn)生最古老、最簡單的導(dǎo)航方法是星歷導(dǎo)航，人類通過觀察星座的位置變化來確定自己的方位；最早的導(dǎo)航儀是中國人發(fā)明的指南針，幾個(gè)世紀(jì)以來它經(jīng)過不斷的改進(jìn)而變得越來越精密，并一直為人類廣泛應(yīng)用著。進(jìn)入二十世紀(jì)以后，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高人類逐漸發(fā)明了許多新的定位方法，如慣性導(dǎo)航技術(shù)（InertialNavigation）等。其中，地基電子導(dǎo)航系統(tǒng)（Ground-basedRadionavigationSystem）的誕生標(biāo)志著人類從此進(jìn)入了電子導(dǎo)航時(shí)代。1957年10月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射宣告空間科學(xué)的發(fā)展跨入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，也使電子導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段。

1973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)—授時(shí)與測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositionSystem-NAVSTAR，GPS），簡稱全球定位系統(tǒng)。2023/2/3610.1.1GPS的產(chǎn)生GPS計(jì)劃的實(shí)施分為三個(gè)階段：第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段（1973年～1978年），發(fā)射了4顆衛(wèi)星，建立了地面跟蹤網(wǎng)并研制了地面接收機(jī)；第二階段為全面研制和實(shí)驗(yàn)階段（1979年～1984年），發(fā)射了7顆BlockI實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機(jī)，包括導(dǎo)航型和測(cè)地型接收機(jī)；第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段（1985年～1993年），發(fā)射了BlockII和BlockIIA工作衛(wèi)星（BlockIIA衛(wèi)星增強(qiáng)了軍事應(yīng)用功能并擴(kuò)大了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量）。截止到1993年，由分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)的24顆衛(wèi)星組成的GPS空間星座已經(jīng)建成。從1973年到1993年，GPS系統(tǒng)的建立經(jīng)歷了近20年，耗資300億美元，它是美國繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃后的第三項(xiàng)龐大空間計(jì)劃。2023/2/3710.1.2全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)1.GPS2023/2/3810.1.2全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)2.GLONASS（格洛納斯）2023/2/3910.1.2全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)3.GALILEO（伽利略）2023/2/31010.1.2全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)4.北斗系統(tǒng)2023/2/31110.1.2全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)5.全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)比較2023/2/31210.2GPS系統(tǒng)10.2.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成1.GPS系統(tǒng)包括三大部分(1)空間部分—GPS衛(wèi)星星座。(3)用戶設(shè)備部分—GPS信號(hào)接收機(jī)。(2)地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)。2023/2/31310.2.1GPS系統(tǒng)構(gòu)成2.定位信號(hào)衛(wèi)星配有4臺(tái)頻率相當(dāng)穩(wěn)定（量時(shí)精度為10-13秒）的原子鐘（2臺(tái)銫鐘，2臺(tái)銣鐘），由此產(chǎn)生一個(gè)頻率為10.23MHz的基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過倍頻器降低10倍的頻率后，成為頻率為1.023MHz測(cè)距粗碼（C/A碼）的信號(hào)頻率；基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)的頻率10.23MHz，直接成為測(cè)距精碼（P碼）的信號(hào)頻率；基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)經(jīng)過倍頻器降低204600倍的頻率后，成為頻率為50MHz數(shù)據(jù)碼（衛(wèi)星星歷、導(dǎo)航電文的編碼）的信號(hào)頻率；基準(zhǔn)鐘頻信號(hào)再經(jīng)過倍頻器倍頻150倍和120倍頻后，分別形成頻率為1575.42MHz（L1）與1227.60MHz（L2）載波信號(hào)。通過測(cè)量這些衛(wèi)星信號(hào)到達(dá)的時(shí)間用戶可以用4顆衛(wèi)星確定4個(gè)導(dǎo)航參數(shù)：緯度、經(jīng)度、高度和時(shí)間。2023/2/31410.2.2GPS定位原理GPS系統(tǒng)的定位原理是：每顆在太空運(yùn)行的衛(wèi)星，任一時(shí)刻都有一個(gè)坐標(biāo)值來代表其位置所在（已知值），接收機(jī)所在的位置坐標(biāo)為未知值，而太空衛(wèi)星的信息在傳送過程中，所需耗費(fèi)的時(shí)間，可經(jīng)由比對(duì)衛(wèi)星時(shí)鐘與接收機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘計(jì)算出來，將此時(shí)間差值乘以電波傳送速度（一般定為光速），就可計(jì)算出太空衛(wèi)星與使用者接收機(jī)間的距離，如此就可依三角向量關(guān)系來列出一個(gè)相關(guān)的方程式。每接收到一顆衛(wèi)星就可列出一個(gè)相關(guān)的方程式，因此在至少收到三顆衛(wèi)星信息后，即可計(jì)算出平面坐標(biāo)（經(jīng)緯度）值，收到四顆衛(wèi)星信息則加上高程值，五顆以上衛(wèi)星信息更可提高準(zhǔn)確度（如圖10.6所示）。2023/2/31510.2.2GPS定位原理2023/2/31610.2.2GPS定位原理設(shè)太空中的4顆衛(wèi)星分別為：衛(wèi)星1（x1,y1,z1）、衛(wèi)星2（x2,y2,z2）、衛(wèi)星3（x3,y3,z3）、衛(wèi)星4（x4,y4,z4），如圖10.7所示，則可列出4個(gè)方程（方程10.1～方程10.4）。2023/2/31710.2.2GPS定位原理其中，x、y、z：待測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)（未知參數(shù)）xi、yi、zi：衛(wèi)星i在t時(shí)刻的空間直角坐標(biāo)di(i=1、2、3、4)：為衛(wèi)星i到接收機(jī)之間的距離Vto：接收機(jī)的鐘差（未知參數(shù)）Vti：衛(wèi)星i的鐘差c：光速解上述方程組即可求得待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。2023/2/31810.2.3GPS定位方法分類1.根據(jù)定位所采用的觀測(cè)值(1)偽距定位(2)載波相位定位2.根據(jù)定位的模式(1)絕對(duì)定位(2)相對(duì)定位3.根據(jù)獲取定位結(jié)果的時(shí)間(1)實(shí)時(shí)定位(2)非實(shí)時(shí)定位4.根據(jù)定位時(shí)接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(1)動(dòng)態(tài)定位(2)靜態(tài)定位2023/2/31910.2.4信號(hào)接收機(jī)1.接收機(jī)的用途分類(1)導(dǎo)航型接收機(jī)。(2)測(cè)地型接收機(jī)。(3)授時(shí)型接收機(jī)。2.按接收機(jī)的載波頻率分類(1)單頻接收機(jī)。(2)雙頻接收機(jī)3.按接收機(jī)通道數(shù)分類。2023/2/32010.3北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)10.3.1“北斗一號(hào)”導(dǎo)航定位系統(tǒng)1.“雙星定位”原理的提出2.開通運(yùn)行3.“北斗一號(hào)”的工作過程4.北斗一號(hào)的特點(diǎn)(1)覆蓋范圍只是初步具備了我國周邊地區(qū)的定位能力，與GPS的全球定位相差甚遠(yuǎn)。(2)定位精度低，定位精度最高10米。(3)由于采用衛(wèi)星無線電測(cè)定體制（RDSS），用戶終端機(jī)工作時(shí)要發(fā)送無線電信號(hào)，會(huì)被敵方無線電偵測(cè)設(shè)備發(fā)現(xiàn)，不適合軍用。(4)無法在高速移動(dòng)平臺(tái)上使用，這限制了它在航空和陸地運(yùn)輸上的應(yīng)用。2023/2/32110.3.2北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)隨著我國綜合國力的提升和衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)全面滲透普通人的生活，還有科索沃戰(zhàn)爭和第二次海灣戰(zhàn)爭美國GPS制導(dǎo)高精度打擊武器的吸引，構(gòu)建一個(gè)類似GPS的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)開始提上日程，開始被稱為“北斗二號(hào)”導(dǎo)航定位系統(tǒng)。2007年2月3日，“北斗一號(hào)”第四顆衛(wèi)星發(fā)射成功，不過此時(shí)，“北斗一號(hào)”已經(jīng)改名為“北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)”，原來的“北斗二號(hào)”則稱為“北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)”，英文名為CompassNavigationSatelliteSystem。第四顆北斗導(dǎo)航試驗(yàn)衛(wèi)星不僅作為早期三顆衛(wèi)星的備份，同時(shí)還將進(jìn)行北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的相關(guān)試驗(yàn)。以北斗導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，我國開始逐步實(shí)施北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)，首先滿足中國及其周邊地區(qū)的導(dǎo)航定位需求，并進(jìn)行系統(tǒng)的組網(wǎng)和測(cè)試，逐步擴(kuò)展為全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。2023/2/32210.3.2北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)將有5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，采用東方紅3號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)。30顆非靜止軌道衛(wèi)星又細(xì)分為27顆中軌道（MEO）衛(wèi)星和3顆傾斜同步（IGSO）衛(wèi)星組成，27顆MEO衛(wèi)星平均分布在傾角55度的三個(gè)平面上，軌道高度21500公里，如圖

10.10所示。

2023/2/32310.3.2北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)，包括開放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)兩種方式。開放服務(wù)是向全球免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度10米，測(cè)速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。授權(quán)服務(wù)是為有高精度、高可靠衛(wèi)星導(dǎo)航需求的用戶，提供定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)以及系統(tǒng)完好性信息。北京時(shí)間2010年8月1日5時(shí)30分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長征三號(hào)甲”運(yùn)載火箭，成功將第五顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入太空預(yù)定轉(zhuǎn)移軌道，這是一顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星，是我國2010年連續(xù)發(fā)射的第3顆北斗導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)衛(wèi)星。我國自主研制的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)系列衛(wèi)星自2009年起進(jìn)入組網(wǎng)高峰期，預(yù)計(jì)在2020年形成覆蓋全球的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。2023/2/32410.3.3“北斗一號(hào)”在汶川地震救災(zāi)中的應(yīng)用2008年5月12日四川大地震發(fā)生，一支攜帶了“北斗一號(hào)”終端機(jī)的部隊(duì)于13日進(jìn)入災(zāi)區(qū)，北京武警指揮中心和四川武警部隊(duì)也運(yùn)用“北斗”進(jìn)行了上百次交流（圖10.11為“北斗一號(hào)”終端機(jī)）。汶川地震發(fā)生的第三天上午，成都軍區(qū)應(yīng)急通信小分隊(duì)搭乘直升機(jī)抵達(dá)震中汶川縣城。這支應(yīng)急通信小分隊(duì)只有十人，但是他們攜帶衛(wèi)星電話、電臺(tái)，立即開設(shè)通信中心，恢復(fù)了汶川縣城中斷多時(shí)的通信。這就是“北斗”系統(tǒng)，在通信中斷的情況下，顯示了國產(chǎn)導(dǎo)航系統(tǒng)的威力。2023/2/32510.3.3“北斗一號(hào)”在汶川地震救災(zāi)中的應(yīng)用地震后，汶川地區(qū)當(dāng)?shù)赝ㄓ嵲O(shè)施全部被毀，加上通往災(zāi)區(qū)的道路被泥石流沖毀，不能及時(shí)運(yùn)送維修設(shè)備，北斗定位系統(tǒng)在救災(zāi)初期擔(dān)負(fù)了絕大部分通訊任務(wù)。由于汶川災(zāi)區(qū)地處山區(qū)地勢(shì)復(fù)雜，部隊(duì)配發(fā)的普通軍用電臺(tái)無法遠(yuǎn)距離通訊，而便攜式衛(wèi)星通訊系統(tǒng)裝備的數(shù)量比較稀少，一時(shí)也來不及調(diào)運(yùn)，在這次參與抗災(zāi)的部隊(duì)里使用得并不太多。這次救災(zāi)的主力是部隊(duì)，出于保密的原因，部隊(duì)極少使用外國衛(wèi)星電話，而“北斗一號(hào)”是我的國自己研制生產(chǎn)的系統(tǒng)，因此不存在這些問題。同時(shí)，“北斗一號(hào)”還具有報(bào)告自身位置的優(yōu)點(diǎn)。GPS定位系統(tǒng)屬于被動(dòng)接受系統(tǒng)，使用者只能知道自己的所在位置，而無法通知指揮部門?！氨倍芬惶?hào)”由于采用衛(wèi)星和地面控制中心復(fù)合定位的技術(shù)，用戶在知道自己的地理坐標(biāo)的同時(shí)，控制中心也知道了終端的地理位置。這樣方便了指揮中心對(duì)終端使用者的調(diào)度。“北斗一號(hào)”定位終端不但能夠隨時(shí)向基地報(bào)告自己的位置，而且還具有雙向通信的功能，民用終端一次向衛(wèi)星傳送98個(gè)字節(jié)的短信息，可隨時(shí)報(bào)告總部災(zāi)區(qū)的情況，申請(qǐng)救援物資。如，救援部隊(duì)在開進(jìn)途中，有新發(fā)現(xiàn)的被圍困群眾，可以通知指揮中心增派人員。自2003年以來，武警森林指揮部為全國所屬的7個(gè)總隊(duì)配發(fā)了數(shù)百套北斗設(shè)備，其中四川總隊(duì)配發(fā)了幾十套，災(zāi)后第一天駐扎在汶川地區(qū)的四川森警總隊(duì)汶川大隊(duì)有數(shù)套“北斗一號(hào)”終端投入了抗震救災(zāi)工作，并第一時(shí)間發(fā)回了災(zāi)情報(bào)告，第二天森警總部司令部要求參加救災(zāi)的部隊(duì)打開所有的北斗設(shè)備，并及時(shí)匯報(bào)行進(jìn)情況及災(zāi)情信息，第三天總參測(cè)繪局中國衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用管理中心及衛(wèi)星地面總站緊急為部隊(duì)調(diào)配了大量該類型設(shè)備。2023/2/32610.4地理信息系統(tǒng)簡介地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，GIS）是處理地理信息的系統(tǒng)。地理信息是指直接或間接與地球上的空間位置有關(guān)的信息，又常稱為空間信息。一般來說，GIS可定義為：“用于采集、存儲(chǔ)、管理、處理、檢索、分析和表達(dá)地理空間數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是分析和處理海量地理數(shù)據(jù)的通用技術(shù)”。1．GIS系統(tǒng)構(gòu)成GIS的應(yīng)用系統(tǒng)由五個(gè)主要部分構(gòu)成，即硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人員和方法。2．GIS的功能一個(gè)GIS軟件系統(tǒng)應(yīng)具備五項(xiàng)基本功能，即數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)編輯與處理、數(shù)據(jù)存貯與管理、空間查詢與空間分析、可視化表達(dá)與輸出。3．GIS技術(shù)在物流領(lǐng)域的應(yīng)用(1)GIS在倉庫規(guī)劃中的應(yīng)用(2)GIS在鐵路運(yùn)輸中的應(yīng)用2023/2/32710.5GPS在物流管理中的應(yīng)用1.GPS在交通運(yùn)輸管理中的應(yīng)用(1)用于車輛自定位(2)用于鐵路運(yùn)輸管理(3)用于船隊(duì)最佳航程和安全航線的測(cè)定、航向的實(shí)時(shí)調(diào)度、監(jiān)