第10章-导航定位技术与地理信息系统课件.ppt

第十章 导航定位技术与地理信息系统一、全球定位系统（一、全球定位系统（Global Position SystemGlobal Position System，GPSGPS）lGPS系统简介1973年，美国国防部批准其海陆空三军联合研制新一代卫星导航系统，即授时和测距导航卫星，或称全球定位系统（ NavigationSatelliteTimingandRanging/GlobalPositioning System, NAVSTAR/GPS），简称GPS系统GPS系统采用延时测距的被动式导航体制，能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全天候、全天时、高精度的三维位置、三维速度和一维时间的7维定位、导航和授时服务，用户的数量没有任何限制第一节卫星导航定位系统3 1978年2月发射第一颗GPS卫星，1994年3月24颗卫星构成的星座部署完毕，GPS系统正式建成，系统总共耗资200亿美元GPS开始时只用于军事目的，1994年，美国宣布在10年内向全世界免费提供GPS使用权，但美国只向外国提供低精度的卫星信号据信该系统有美国设置的“后门”，一旦发生战争，美国可以关闭对某地区的信息服务它是利用分布在2万公里高空的多颗人造卫星，对地面或接近地面的目标进行定位（包括移动速度和方向）和导航的系统。

具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力GPS卫星轨道示意图车载导航仪 5lGPS系统构成（1）空间部分-GPS卫星星座：GPS卫星星座由24颗卫星组成2）地面控制部分-地面监控系统：地面监控系统由均匀分布在美国本土和三大洋的美军基地上的5个监测站、1个主控站和3个数据注入站构成3个注入站分别设在大西洋、印度洋和太平洋的3个美国军事基地上注入站的任务是将主控站计算出的卫星参数发送给卫星，同时向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状态5个监测站分别设在主控站、3个注入站及夏威夷岛监测站负责对诸卫星进行连续跟踪和监视，测量每颗卫星的位置和距离差，采集气象数据，并将观测数据传送给主控站进行处理，5个监控站均为无人值守的数据采集中心7（3）用户设备部分-GPS信号接收机：用户部分主要是GPS接收机，接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包，构成完整的GPS用户设备空间段注入站监测站主控站主控站：主控站：1 1个个; ; 监测站：监测站：5 5个个; ;注入站：注入站：3 3个个; ; 通讯与辅助系统通讯与辅助系统空间部分：卫星分布空间部分：卫星分布q 24颗卫星分布在2万公里的太空；q 每4颗卫星工作在同一轨道平面内，24颗卫星均匀分布在6个轨道平面，彼此夹角为60；q 轨道平面相对于赤道的倾角为55 ；q 卫星离地面高度20200km；q 12恒星时(11hr58min2.05s)绕地球一周；q 地球上任何地方任何时刻同时可收到4颗以上GPS卫星的信号。

5/31/20229lGPS信号精度(1)C/A码又被称为粗捕获码，精度为29.3m到2.93米2)P(Y)码又被称为精码，精度为2.93米到0.293米lGPS系统的定位原理每个太空卫星在运行时，任一时刻都有一个坐标值来代表其位置所在(已知值)，接收机所在的位置坐标为未知值，而太空卫星的信息在传送过程中，所需耗费的时间，可经由比对卫星时钟与接收机内的时钟计算之，将此时间差值乘以电波传送速度(一般定为光速)，就可计算出太空卫星与使用者接收机间的距离，如此就可依三角向量关系来列出一个相关的方程式每接收到一颗卫星就可列出一个相关的方程式，因此在至少收到三卫星后，即可计算出平面坐标(经纬度)值，收到四颗则加上高程值，五颗以上更可提高准确度2 3 1 S1 (x1,y1,z1) S2(x2,y2,z2) S3(x3,y3,z3) P(x,y,z) 用距离交会的方法求解P点的三维坐标（x,y,z）的观测方程为： (含有各种误差) 理想状态下：理想状态下：定位参考标准世界大地坐标（WGS84）定位需求（x,y,z)数学数学数学问题问题问题已知相已知相对对点点（卫星坐标）三个距离距离=c*t光速c时间差t1=t1 t误差接收机钟面时间卫星钟面时间电离层、对流层等等说明t1和t并不在同一个标准下未知数增多会增加几个？ 实际上， 卫星与GPS接收机的几何距离； 伪距；1电离层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得；2对流层误差，可根据大气物理参数及一定的数学模型计算求得；ti 第i颗卫星的钟差（卫星时间与理想GPS时间的差），可根据卫星星历求得；tk 接收机钟差（接收机时间与理想GPS时间的差，未知）。

i=1,2,3,4) 15二、俄罗斯“格洛纳斯” (GLONASS) 尚未部署完毕始于上世纪70年代，需要至少18颗卫星才能确保覆盖俄罗斯全境；如要提供全球定位服务，则需要24颗卫星上世纪90时代，系统所含卫星数量一度达标，但由于经费短缺，部分失效卫星未获更新，最严重时，仅只6颗卫星正常工作目前，“格洛纳斯”导航系统共有21颗卫星轨道高度1万9000公里，运行周期11小时15分，位置精度提高到1015M，定时精度提高到2030NS，速度精度达到0.01MS GLONASS卫星定位系统示意图 组成GLONASS系统的卫星17三、欧盟“伽利略”(galileo)1999年，欧洲提出计划，准备发射30颗卫星，组成“伽利略”卫星定位系统伽利略”卫星定位系统将由30颗轨道卫星组成，卫星的轨道高度为2.4万公里，倾角为56度，分布在3个轨道面上，每个轨道面部署9颗工作星和1颗在轨备用星，其地面定位服务的误差不超过1米，该系统的一些设计优于美国现有的GPS全球卫星定位系统欧盟于2002年正式批准伽利略计划，目标是建成一个覆盖全球的卫星导航系统，但由于资金等原因，伽利略计划的进展并不顺利，目前仅发射2颗卫星，今年该计划正式启动。

伽利略计划总共投资约33亿欧元，按照中国和欧盟15个国家以平等地位参与合作的原则，中国将出资2亿欧元左右18伽利略卫星定位系统模拟图 伽利略卫星效果图 19四、北斗卫星导航定位系统 1.“北斗一号”(后更名为“北斗导航试验系统”） 2003年我国北斗一号建成并开通运行，“北斗一号”系统是在地球同步轨道上运行，即在离地球3.6万公里的高度上运行,系统由3颗北斗定位卫星(两颗工作卫星、一颗备用卫星)、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部分组成，定位最高精度可达10米北斗一号”系统在导航方式上也与美俄的全球定位卫星有一定的差距北斗一号”属于主动式的不同于GPS，“北斗”的指挥机和终端之间可以双向交流这是由于“北斗一号”本身是两维导航系统，仅靠两颗星的观测量尚不能定位，观测量的取得及定位解算均需在地面中心站进行北斗二号系列卫星今年起将进入组网高峰期，预计在2015年形成由三十几颗卫星组成的覆盖全球的系统对定位申请，地面站测出两个时间延迟：即从地面站发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回地面站的延迟（p1+r1+r1+p1）；和从地面站发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回地面站的延迟（p1+r1+r2+p2）。

由于地面站和两颗卫星的位置均是已知的（可算出p1和p2），因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的伪距离（r1），以及用户到两颗卫星距离之和（r1+r2）定位原理定位原理 首先由中心控制系统向卫星I和卫星II同时发送询问信号，径卫星转发器项服务区内的用户广播用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号，径卫星转发回中心控制系统中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用的申请服务内容进行相应的数据处理从而知道用户处于一个分别以两颗同步卫星为球心，以卫星到用户接收天线距离为半径，构成的两个球面的交线上，这个交线是一个圆另外地面站从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上圆与不规则球面相交，得两个点，分别位于南北半球，取北半球的点即为用户机的位置从而地面站可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经中心站加密后加入出站广播电文中，通过卫星发送给用户08年5月12日四川大地震发生后，北京武警指挥中心和四川武警部队运用“北斗”进行了上百次交流汶川地震发生的第三天上午，成都军区应急通信小分队搭乘直升机抵达震中汶川县城。

这支应急通信小分队只有十人，但是他们携带卫星、电台，立即开设通信中心，恢复了汶川县城中断多时的通信这就是“北斗”系统，在通信中断的情况下，显示了国产导航系统的威力也是“北斗”系统，十五日传回汶川地震灾区的最新灾情和救援情况，传来大部分救援部队已经到达指定救援位置，在灾区各乡镇展开全面搜救的好消息242.“北斗二号”（后更名为”北斗卫星导航定位系统”） 正在建设的的“北斗二号”全球卫星导航定位系统是建立在“北斗一号”区域卫星导航系统基础上的，但不是北斗一号的简单延伸，更类似于GPS全球定位系统和伽利略我国将在今年和明年两年发射10颗左右的导航卫星，预计在2015年建成由30多颗卫星组成的，覆盖全球的“北斗二号”卫星导航定位系统在精确度方面，“北斗二号”也可以精确到“厘米”之内整个系统将由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成，提供即开放服务和授权服务发射时间火箭卫星编号卫星类型2000年10月31日北斗-1A北斗1号2000年12月21日北斗-1B2003年5月25日北斗-1C2007年2月3日北斗-1D2007年4月14日04时11分长征三号甲第一颗北斗导航卫星（M1）北斗2号2009年4月15日长征三号丙第二颗北斗导航卫星（G2）2010年1月17日第三颗北斗导航卫星（G1）2010年6月2日第四颗北斗导航卫星（G3）2010年8月1日05时30分长征三号甲第五颗北斗导航卫星（I1）2010年11月1日00时26分长征三号丙第六颗北斗导航卫星（G4）2010年12月18日04时20分长征三号甲第七颗北斗导航卫星（I2）2011年4月10日04时47分第八颗北斗导航卫星（I3）2011年7月27日05时44分第九颗北斗导航卫星（I4）2011年12月2日05时07分第十颗北斗导航卫星（I5）2012年2月25日0时12分长征三号丙第十一颗北斗导航卫星2012年4月30日4时50分长征三号乙第十二、第十三颗北斗导航系统组网卫星（“一箭双星”）2012年9月19日3时10分长征三号乙第十四、十五颗北斗导航系统组网卫星“一箭双星）2012年10月25日23时33分长征三号丙第十六颗北斗导航卫星2016年2月1日15时29分长征三号丙第五颗新一代北斗导航卫星2016年6月12日23时30分长征三号丙第二十三颗北斗导航卫星中国北斗二号卫星导航系统示意图中国北斗二号空间结构图用于车辆自定位、跟踪调度、线路规划；用于铁路运输管理；用于船队最佳航程和安全航线的测定、航向的实时调度、监测；用于空中交通管理、精密进场着陆、航路导航和监视；用于信息查询和紧急救援；用于军事物流。

五、导航定位系统在物流管理中的应用GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统基站子系统（简称基站BS）由基站收发台（BTS）和基站控制器（BSC）组成；网络子系统由移动交换中心（MSC）和操作维护中心（OMC）以及原地位置寄存器（HLR）、访问位置寄存器（VLR）、鉴权中心（AUC）和设备标志寄存器（EIR）等组成第二节全球移动通信系统定位1.GSM定位原理（1）基于网络的定位技术起源蜂窝小区COO(Cell Of Origin)定位技术根据移动台所处的小区标识号ID来确定用户的位置移动台在当前小区注册后，在系统的数据库中就会有相对应的小区ID号只要系统能够把该小区基站设置的中心位置（在当地地图中的位置）和小区的覆盖半径广播给小区范围内的所有移动台，这些移动台就能知道自己处在什么地方，查询数据库即可获取。