《现代物流信息技术》第4章.ppt

1、2020/8/8,第四章：全球卫星定位系统,GPS WOULD HAVE SAVED HIM !,2,GPS系统产生,最古老、最简单的导航方法是星历导航，人类通过观察星座的位置变化来确定自己的方位； 最早的导航仪是中国人发明的指南针，几个世纪以来它经过不断的改进而变得越来越精密，并一直为人类广泛应用着； 最早的航海表是英国人John Harrison经过47年的艰苦工作于1761年发明的，在其随后的两个世纪，人类通过综合地利用星历知识、指南针和航海表来进行导航和定位。,3,本章教学要点,了解GPS的概念及发展历程； 掌握GPS的分类； 熟悉GPS的特点； 重点掌握GPS的构成及其基本工作原理；

2、 了解GPS常用术语； 掌握GPS定位方式； 熟悉GPS的应用。,本章内容,4.1 GPS概述 4.2 GPS的分类与特点 4.3 GPS的构成 4.4 GPS工作原理概述 4.5 GPS在现代物流中的应用 本章总结,4.1.1 GPS的概念及其发展历程,全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)是由美国国防部开发的一个基于卫星的无线导航系统。 20世纪50年代末，前苏联发射了人类第一颗人造地球卫星，美国科学家在对其跟踪研究中，发现了多普勒频移现象，并利用该原理建成了子午卫星导航系统(Navy Navigation Satellite System，NNSS

3、)，又称多普勒卫星导航定位系统。 GPS从根本上解决了人类在地球及其周围空间的导航和定位问题，它可以用于海陆空各种运动目标的导航和定位，满足军事以及民用部门如大地测量、地壳监测等领域。目前民用服务全球免费。,4.1 GPS概述,4.1.2 国际卫星导航系统发展历程,美国的GPS 苏联的GLONASS全球定位系统 欧盟的伽利略定位系统(Galileo Positioning System) 中国的北斗卫星定位系统,美国的全球卫星定位系统（GPS）,我国北斗系统（CNSS）,俄罗斯的格罗纳斯系统（CLONASS ）,全球四大GPS卫星系统,欧盟的伽利略系统（GALILEO）,美国的GPS,全球定位

4、系统是继“阿波罗”登月计划后的又一个庞大的空间计划。1957年10月，世界上第一颗卫星发射成功后利用卫星进行定位和导航的研究工作提到了议事日程。 1967年7月美国政府批准对海军导航卫星系统广播星历解密，并提供民用。 1973年开始筹建GPS。 1994年全面建成，历时20年，耗资200亿美元。 在全球商业导航定位应用方面，一直处于绝对垄断地位。,该系统从80年代初建设， 1995年12月14日， 系统的24颗卫星全部就位，1996年初投入运行。打破了美国GPS一统天下的局面。 因国家经济不景气，航天经费投入不足，卫星寿命过短，2001年前一直在低谷徘徊，最少时仅仅有6颗在运行。 2001年后

5、，随着经济的复苏，俄罗斯也重新拉开了部署该系统的序幕。目前已有17颗星正在运行。和GPS相比，“格洛纳斯”系统具有更强的抗干扰能力。,俄罗斯的格罗纳斯系统（CLONASS ）,欧盟的伽利略系统（GALILEO）,为了冲破美国的垄断，欧盟2002年正式批准 开发自己的“伽利略”导航卫星定位系统。 伽利略系统是由欧盟主导的新一代民用全球卫星导航系统，耗资超过30亿欧元。系统由两个地面控制中心和30颗卫星组成，其中27颗为工作卫星，3颗为备用卫星。卫星轨道高度约2.4万公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。 美国GPS向别国提供的卫星信号，只能发现地面大约10米长的物体，而伽利略的卫星则能发现1米

6、长的目标。一位军事专家形象地比喻说，GPS系统只能找到街道，而伽利略则可找到家门。 2011.11.5日欧洲伽利略导航系统首批卫星进入激活测试阶段 。,1983年提出创建北斗导航定位系统， 2000年10月31日北斗一号在西昌卫星发射中心发射升空。 2000年12月21日第二颗北斗导航实验卫星在西昌发射中心发射升空。 2011年7月27日，我国在西昌卫星发射中心用“长征三号甲”运载火箭，成功将第九颗北斗导航卫星送入太空预定转移轨道。 覆盖范围：我国计划2012年左右，“北斗”系统将覆盖亚太地区，2020年左右覆盖全球。 定位精度：10米（精度与GPS相当） 功能：快速实时定位，简短通信（可一次

7、传送120个汉字短文），精密授时（可提供20ns的时间同步精度）,中国的北斗导航定位系统（BEIDOU）,4.2.1 GPS的分类,1. 按接收机的用途不同分类 (1) 导航型接收机实时给出运动载体的位置和速度 (2) 测地型接收机精密的大地测量和工程测量 (3) 授时型接收机天文台及无线电通信 2按接收机的载波频率不同分类 (1) 单频接收机 (2) 双频接收机,4.2 GPS的分类与特点,导航型GPS机,手持型GPS机,车载型GPS机,大地型GPS接收机,4.2.1 GPS的分类,3按接收机的通道数不同分类 (1)多通道接收机 (2)序贯通道接收机 (3)多路多用通道接收机 4按接收机工作

8、原理分类 (1) 码相关型接收机 (2) 平方型接收机 (3) 混合型接收机 (4) 干涉型接收机,4.2.2 GPS的特点,1定位精度高 2覆盖面广：全天候、全球范围 3观测时间短 4被动式、全天候的导航能力：不会暴露用户位置 5操作简便：轻便、傻瓜化 6功能多，应用广,4.3 GPS的构成,24颗卫星(21+3备用) 6个轨道平面，每个轨道4颗卫星 相对赤道55轨道倾角 20200km轨道高度(地面高度) 11小时58分轨道周期 5个多小时出现在地平线以上(每颗星),4.3.1空间部分GPS卫星星座,4.3.1空间部分GPS卫星星座,作用： 接收、存储导航电文 生成用于导航定位的信号（测距

9、码、载波） 发送用于导航定位的信号（采用双相调制法调制在载波上的测距码和导航电文） 接受地面指令，进行相应操作 其他特殊用途，如通讯、监测核暴等。 主要设备 太阳能电池板 原子钟（2台铯钟、2台铷钟） 信号生成与发射装置,23,GPS卫星,地面监控部分主要包括：一个主控站：科罗拉多斯普灵 三个注入站：大西洋：阿松森（Ascencion) 印度洋：迪戈加西亚(Diego Garcia) 太平洋：卡瓦加兰(kwajalein) 五个监测站=1个主控站+3个注入站+夏威夷（Hawaii),4.3.2地面监控部分地面监控系统,地面控制站是由美国国防部控制，主要工作是追踪及预测GPS卫星、控制GPS卫星

10、状态及轨道偏差、维护整套GPS卫星工作正常。 注入站的主要作用是将主控站需传输给卫星的资料以既定的方式注入到卫星存储器中，每天注入3次。 监测站的主要任务是为主控站提供卫星观测数据。,4.3.3用户设备部分GPS信号接收机,GPS信号接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收的GPS信号进行变换、放大和处理，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维位置，甚至三维速度和时间。 GPS信号接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。,GPS信号接收机,GPS信号接收机组成： 天线单元 带前置放大器 接收天线 接收单元 信号通道 存储器

11、 微处理器 输入输出设备 电源,天线单元,接收单元,GPS定位技术的缺点,GPS需要良好的对天通视 接收天线的观测视野中不应存在障碍物 受强磁场、高压线等辐射影响,4.4.1 GPS常用术语,1坐标(Coordinate) GPS坐标有二维和三维两种。当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时，它可以计算出本地的三维坐标(经度、纬度、高度)； 2路标(Landmark or Waypoint) 路标是GPS数据核心，它是构成“路线”的基础。 GPS内存中保存有一个点的坐标值，在有GPS信号时，按一下MARK键，它就会将当前的点记成一个路标，并产生一个默认的例如“LMK01”的名字，用户可以把它修改

12、成一个易认的名字，还可以给它选定一个图标。,4.4 GPS工作原理概述,4.4.1 GPS常用术语,3路线(Route) 路线是GPS内存中存储的一组数据，包括一个起点和一个终点的坐标，还可以包括若干中间点的坐标，每两个坐标点之间的线段叫做一条“腿”。常见GPS能存储20条路线，每条路线30条“腿”。 4前进方向(Heading) GPS没有指南针的功能，静止不动时它不知道方向，但是一旦动起来，它就能知道自己的运动方向。GPS每隔1s更新一次当前地点信息，将每一点的坐标与上一点的坐标进行比较，就可以知道前进方向。前进方向以多少度显示，这个度数是手表表盘朝上12:00指向北方，顺时针转的角度。,

13、4.4.1 GPS常用术语,5导向(Bearing) 设定“走向”目标，按GOTO键，然后从列表中选择一个路标。以后“导向”功能将导向此路标。如果目前有活跃路线(Activity route) ，那么“导向”的点是路线中第一个路点，每到达一个路点后，自动指到下一个路点。 6日出日落时间(Sun raise / set time) 日出、日落时间是GPS根据当地经度和日期计算得到的，是指平原地区的日出、日落时间。GPS的时间是从卫星信号得到的格林威治时间。对中国来说应设8h，此值只与时间的显示有关。,4.4.1 GPS常用术语,7足迹线 GPS每秒更新一次坐标信息，所以可以记载自己的运动轨迹(P

14、lot trail)。一般GPS能记录1 024个足迹点，足迹点的采样有自动和定时两种方式。 自动采样由GPS自动决定足迹点的采样方式，一般是只记录方向转折点，长距离直线行走时不记点； 定时采样可以规定采样时间间隔。,4.4.2 GPS的基本工作原理,GPS定位原理,GPS定位采用空间被动式测量原理：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。,距 离 测 定 原 理,距 离 测 定 原 理,距 离 测 定 原 理,距离 = 传播时间 x 光速,距 离 测 定 原 理,我 们 必 定 在 以 R1 为 半 径 的

15、 球 面 的 某 个 点 上,R1,点 位 测 定 原 理,2 个 球 面 相 交 成 一 个 圆 弧 点 位 被 限 制 在 一 曲 线 上,R1,R2,点 位 测 定 原 理,3 个球面相交成一个点 3 个距离段可以确定纬度，经度，和高度 点 的 空 间 位 置 被 确 定,R1,R2,R3,点 位 测 定 原 理,4.4.2 GPS的基本工作原理,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以建立以下4个方程式：,GPS中的几个时间变量,接收机钟差,GPS卫星采用的时钟是铯原子钟，价格十分昂贵，但精确度非常高。

16、 接收机中一般使用精度较低的石英钟，因而卫星钟和接收机钟就不可能同步，钟误差较为严重。 假设用户的时钟慢千分之一秒，于是延迟就多了0.001秒，所测量得的距离也就多了三百公里。,4.4.2 GPS的基本工作原理,实现GPS精确定位需解决两个问题： 1确定卫星的准确位置 使卫星保持在正确的运行轨道。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。正确接收每个卫星的星历，就可确定卫星的准确位置。 2准确测定卫星信号传输时间 GPS接收机中的时钟，不可能像卫星上那样设置昂贵的铯原子钟，所以就利用测定第4颗卫星，来校准GPS接收机的时钟。,4.4.3 GPS定位方式,1根据定位的模式

17、不同分类 绝对定位 绝对定位又称为单点定位，通常是指在协议地球坐标系中，采用一台接收机，直接确定观测站相对于坐标系原点(地球质心)绝对坐标的一种定位方法。 相对定位 相对定位又称为差分定位，这种定位方式采用两台或者两台以上的接收机，同时对一组相同的卫星进行观测，以确定接收机天线间的相互位置关系。,4.4.3 GPS定位方式,2. 根据获取定位结果的时间不同分类 实时定位 实时定位是根据接收机观测到的数据，实时地解算出接收机天线所在的位置。 非实时定位 非实时定位又称后处理定位，它是对接收机接收到的数据先处理再定位的方法。,4.4.3 GPS定位方式,3根据定位时接收机的运动状态不同分类 静态定

18、位 静态定位就是GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。 动态定位 动态定位就是在进行GPS定位时，认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的，是GPS接收机对物体运动轨迹的测定。,4.4.4影响GPS定位精度的主要因素,1.接收不到4颗及以上卫星：由于高建筑物、高山的遮挡。 2.大气层（电离层和对流层对信号的延迟）:一般可以根据监测站收集到的气象数据，再利用典型的电离层和对流层模型来进行修正。 3.GPS的卫星钟差 4.GPS卫星轨道差 5.人为干扰，如安装微波发射装置。,军用

19、民用,4.5 GPS的应用,4.5.1 GPS的应用领域,GPS在军事中的应用,GPS赢得了战争,美舰发射战斧巡航导弹,精确打击武器大多使用了GPS卫星定位制导系统 。,GPS在交通运输业中的应用,航运、航空搜索 陆路交通（车辆导航、监控） 船舶远洋导航和进港引水,GPS在测量中的应用,建立和维持全球性的参考框架,GPS在测量中的应用,板块运动和监测,GPS在测量中的应用,珠峰测量,GPS在测量中的应用,建立各级国家平面控制网,GPS在测量中的应用,高度精确的GPS接收系统可以即时得到公分级的测量精度。土地测绘、建筑测量、工程测绘、桥梁隧道测量。,GPS在其他领域中的应用,精细农业 遥感 卫星

20、定轨 资源勘探 个人旅游及野外探险 电力、广播、电视、通讯等网络的时间同步、时间传递.,卡西欧卫星导航手表PROTREK 1841,卡西欧卫星导航手表PROTREK 1841,世界上第一款最小的卫星导航手表，著名的运动手表制造商日本卡西欧公司推出的CASIO PROTREK 1841。这款手表它能够接收到GPS的卫星信号，为全球用 户提供准确的定位导航服务。在它手表屏幕上，可显示用户的运动方向、速度，目的地的方位、距离，并以图形方式记录了运动轨迹，不受地形条件 的限制。更适于喜爱旅游探险的人们和长期野外工作者。 这款手表内置微小的GPS接收天线和解算芯片，解决了二十多年来GPS应用中超小型化、

21、高灵敏度和设备节电的问题，是GPS民用领域的一大创举。,据中国仓储协会的调查报告显示，我国车辆运营的空载率约45%左右。造成这一情况的重要原因之一就是物流企业无法准确知道运行车辆的具体位置，而且无法与司机随时随地地保持联系，不能为其组织货源和灵活配货。 同时，司机只能凭个人经验确定路线，有时不能找到最佳路径，不仅延误时机而且增加运行成本。另外，实际客户也不能及时了解货物配送过程的情况，不能和物流企业协调配合。 物流运输业将是未来GPS应用的主要市场。,4.5.2GPS在现代物流中的应用,1 导航功能,三维导航是GPS的首要功能，飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可以利用导航接收器进行导航。例如，

22、如果你拥有一台GPS接收机，你就再也不用为外出可能迷路的问题而烦恼，它可以指出你所在的准确的地理位置。 航海 航空 汽车导航,4.5.2 交通运输功能,1车辆跟踪 车辆跟踪监控系统是集GPS、GIS和现代通信技术于一身的高科技系统。利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置，并跟随目标移动，使目标始终保持在屏幕上；还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。 2信息查询 GPS的信息查询功能为用户提供主要物标，如道路的准确位置、行车路线、经纬度、沿路设施、旅游景点、宾馆等数据库，用户能够在电子地图上根据需要进行查询。,4.5.2 交通运输功能,3话务指挥 监控中心可监视车辆的运行状况，对系统

23、内的所有车辆进行动态调度管理，通过实施车辆调度，可提高车辆的实载率，有效地减少车辆的空驶率，从而降低运输成本，提高运输效率。 4紧急援助及事故处理 通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。,车辆定位,可以看出车辆当前准确位置所在,标志位置附近车辆查询,车辆分布,车内摄像,车厢内拍摄照片（夜间红外）,车辆报警,何时、何地、何车因何原因发生报警,油量分析,历史轨迹,查询一段时间以来，车辆的行驶路线，公司和客户都可以对货物的在途运输过程有相应的了解，并可将此作为考评依据。,里程统计,查询一段时间以来，车辆的行驶里程数,GPS & RFID,GP