1、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,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,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
2、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 SystemNNSS）。由于该系统卫星都通过地极，也称“子午(Transit)卫星系统”。,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
3、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。,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
4、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。,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GP
5、S计划。为了满足到2030年的军用、民用要求，GPS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，GPS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。,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
6、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。,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。,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,GPS工作卫星及其星座由高度约为2万km
7、的21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，记作（213）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）。 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。,1.GPS空间卫星星座,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
8、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. 地面监控系统,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。,3. 用户接收系统,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。,天线基本类型,GPS接收机单元构成,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
9、位、测速、定时等数据。,手持式GPS产品,导航型GPS机,汽车导航产品,导航型GPS机,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。,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，
10、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。,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
11、线上。,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。,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）
12、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）,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
13、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,美国GPS GLONASS 全球导航卫星系统 Galileo系统 北斗系统：我国的第一代卫星导航系统,第三节 各国GPS技术及发展,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.。,2、GLONASS,类似于GPS，是俄罗斯以空间为基础的无线电导航系统； 其前身CICADA与子午系统同期，于1965年设计，有12颗卫星； 20世纪70年代中期开始启动GLON
14、ASS计划； 1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星； 1996年1月18日，完成24颗卫星的布局，卫星具备完全工作能力； 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； 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，
15、可行性评估或定义 （二）20012005，开发和检测 （三）20062007，部署 （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。,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
16、发射第四颗）。,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02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，
17、建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。,北斗系统定位的目标,第四节 GPS在物流等领域的应用,（一）GPS在物流领域的应用 （二）GPS在交通管理中的应用 （三）GPS在军事领域中的应用 （四）GPS在现代测量中的应用,一、 GPS在物流领域的应用,物流单位要求货物运输能够做到及时、机动、高效，即要求货物能通过最佳路径、最优安排被准确及时运送，最大限度的控制运输成本。这要求物流公司时刻跟踪货物的位置和状态。通过车辆监控系统，物流公司可以对货物和车辆进行遥控跟踪。同时，监控中心亦可随物流车队一起移动，真正发挥了适时监控的作用。,GPS在车、货运行系统中的应用,GPS定位技术给车辆、轮船、火车等交通工具
18、的导航与跟踪提供了准确、实时的定位能力。,二、GPS在交通管理中的应用,GPS在客运车辆管理中的应用,目前，全国安装GPS的班线客车和旅游客车近30万辆，其中跨省客运班线和高速公路客运班线安装率已达到100%，进入GPS联网联控系统的车辆达到19.2万辆。P135,GPS在出租车管理中的应用,运用GPS和GSM（Global System for Mobile Communication）通信网络，可以建立GPS出租车调度服务系统，实现对出租车的实时调度监控、防劫防盗报警等功能。身边的：嘀嘀打车,【案例】GPS建功 揭阳一车主坐驾被盗，全球定位技术助其找回,凌晨2时10分，广州神盾公司监控室，
19、警铃发出刺耳的尖叫，原来是数百公里之外揭阳市的一辆小轿车发出破坏警报。值班人员即将该情况反馈到车主那里。但车主说，车辆就停在揭阳财政局附近，不会有问题。 凌晨5时40分，揭阳的陈先生突然急匆匆致电监控中心，他的马自达银色轿车真的被偷了。,中心马上对该车询址，发现匪徒正以159公里的时速在深圳机荷高速公路行驶。中心一面与110联系，一面密切跟踪匪徒的行踪。 5时50分，根据GPS系统记录，在短短3个小时里，被盗车辆已经狂奔了近300公里。,盗车后行驶路线示意图,中心指令锁车控制 窃贼无奈弃车逃走,凌晨6时，深圳公安开始了围捕偷车贼行动。 6时15分，该车到达宝安西乡镇某村委会附近停下。为了防止偷
20、车贼驾车继续逃窜，6时16分监控中心从300公里之外对该车进行锁车控制，切断了汽车电路(利用继电器断了油泵的电路)，被盗车辆瞬间“瘫痪”。 7时40分，警察在村委会附近找到一辆马自达轿车，但是没有车牌。后经核实发动机号，确认该车就是失窃轿车。 据监控中心人员介绍，从车主致电中心到锁车，前后只用了36分钟，“至于为什么不在一开始就进行锁车，那是因为当时车辆正在高速行驶，锁车很容易发生危险，车辆也会遭到损坏。”,广州某智能交通GPS工作现场,三、GPS在军事领域中的应用,GPS最初建立的目的主要是运用于军事，因此GPS在军事方面的应用非常广泛。,1、全时域的自主导航 2、各种作战平台的指挥监控 3
21、、精确制导和打击效果评估 4、单兵作战系统保障,四、GPS在现代测量中的应用,用于建立高精度的全国性的大地测量控制网， 测定全球性的地球动态参数;用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘;用于监测地球板块运动状态和地壳形变。,四、GPS在现代测量中的应用,GPS技术在检测地震与地壳运动中的应用,近年来，随着GPS技术的发展，加之各国相继受强烈地震的袭击，国际上兴起了利用GPS研究地震预测、大陆构造变形和地球动力学等领域的高潮。美国南加州GPS观测网（SCIGN）由约250个GPS站组成，在区域上每隔30km设一个站，其中在主要活动断层上设置两条密集型测线，沿两条测线每隔3km设一个站。P138,第五节 无限定位技术LBS,LBS定义,基于位置的服务（Location-Based Services,LBS）指的是任何通过因特网或者无线网络向终端用户提供空间信息的服务。在移动通信网中，应用最多的是与终端持有者位置紧密相关的业务，诸如汽车的导航系统，手机地图服务等。,LBS的结构及工作原理,一个完整的LBS系统由定位系统、移动服务中心、通信网络、移动智能终端四部分组成。,
