第10章全球衛星定位導航系統2023/2/32學習目標：了解GPS產生的歷史背景、接收機的分類方法、GIS系統的構成和功能；熟悉4個導航系統的功能對比、GPS在交通物流管理中的應用；掌握GPS定位原理與“北斗一號”定位原理。通過學習案例——GPS在長慶油田物流信息管理系統中的應用，加深了解GPS對物流管理的作用。2023/2/33框架結構概述GPS產生：星歷、指南針、NNSS、GPS四大衛星定位系統：GPS、GLONASS、GALILEO、北斗北斗系統：“北斗一號”、“北斗二號”四大導航系統對比北斗導航定位系統“北斗一號”：原理、開通、工作過程、特點“北斗二號”：北斗衛星導航定位系統“北斗一號”在汶川地震中的應用：通訊、指揮GPS系統系統構成：空間衛星、地面站、接收機定位原理：4球交匯定位方法分類：觀測值、模式、時間、狀態接收機分類：用途、頻率、通道全球衛星定位導航系統GIS系統簡介構成：硬件、軟件、數據、人員和方法功能：數據獲取、編輯、處理、存儲、管理、空間查詢與分析、可視化表達與輸出應用：倉庫規劃、鐵路運輸交通運輸管理：車輛定位、鐵路運輸、船隊導航、空中交通、軍事物流基于GPS/GIS/GSM的物流配送監控系統：模型、功能GPS的應用2023/2/3410.1概述10.2GPS系統10.3北斗導航定位系統10.4地理信息系統簡介10.5GPS在物流管理中的應用2023/2/3510.1概述10.1.1GPS的產生最古老、最簡單的導航方法是星歷導航，人類通過觀察星座的位置變化來確定自己的方位；最早的導航儀是中國人發明的指南針，幾個世紀以來它經過不斷的改進而變得越來越精密，并一直為人類廣泛應用著。進入二十世紀以后，隨著科學技術水平的不斷提高人類逐漸發明了許多新的定位方法，如慣性導航技術（InertialNavigation）等。其中，地基電子導航系統（Ground-basedRadionavigationSystem）的誕生標志著人類從此進入了電子導航時代。1957年10月，世界上第一顆人造地球衛星的成功發射宣告空間科學的發展跨入了一個嶄新的時代，也使電子導航技術的發展進入了一個新的階段。

1973年美國國防部批準其陸海空三軍聯合研制第二代衛星導航定位系統—授時與測距導航系統/全球定位系統（NavigationSystemTimingandRanging/GlobalPositionSystem-NAVSTAR，GPS），簡稱全球定位系統。2023/2/3610.1.1GPS的產生GPS計劃的實施分為三個階段：第一階段為方案論證和初步設計階段（1973年～1978年），發射了4顆衛星，建立了地面跟蹤網并研制了地面接收機；第二階段為全面研制和實驗階段（1979年～1984年），發射了7顆BlockI實驗衛星，研制了各種用途的接收機，包括導航型和測地型接收機；第三階段為實用組網階段（1985年～1993年），發射了BlockII和BlockIIA工作衛星（BlockIIA衛星增強了軍事應用功能并擴大了數據存儲容量）。截止到1993年，由分布在6個軌道平面內的24顆衛星組成的GPS空間星座已經建成。從1973年到1993年，GPS系統的建立經歷了近20年，耗資300億美元，它是美國繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃后的第三項龐大空間計劃。2023/2/3710.1.2全球四大衛星定位系統1.GPS2023/2/3810.1.2全球四大衛星定位系統2.GLONASS（格洛納斯）2023/2/3910.1.2全球四大衛星定位系統3.GALILEO（伽利略）2023/2/31010.1.2全球四大衛星定位系統4.北斗系統2023/2/31110.1.2全球四大衛星定位系統5.全球四大衛星導航系統比較2023/2/31210.2GPS系統10.2.1GPS系統構成1.GPS系統包括三大部分(1)空間部分—GPS衛星星座。(3)用戶設備部分—GPS信號接收機。(2)地面控制部分—地面監控系統。2023/2/31310.2.1GPS系統構成2.定位信號衛星配有4臺頻率相當穩定（量時精度為10-13秒）的原子鐘（2臺銫鐘，2臺銣鐘），由此產生一個頻率為10.23MHz的基準鐘頻信號。該信號經過倍頻器降低10倍的頻率后，成為頻率為1.023MHz測距粗碼（C/A碼）的信號頻率；基準鐘頻信號的頻率10.23MHz，直接成為測距精碼（P碼）的信號頻率；基準鐘頻信號經過倍頻器降低204600倍的頻率后，成為頻率為50MHz數據碼（衛星星歷、導航電文的編碼）的信號頻率；基準鐘頻信號再經過倍頻器倍頻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。通過測量這些衛星信號到達的時間用戶可以用4顆衛星確定4個導航參數：緯度、經度、高度和時間。2023/2/31410.2.2GPS定位原理GPS系統的定位原理是：每顆在太空運行的衛星，任一時刻都有一個坐標值來代表其位置所在（已知值），接收機所在的位置坐標為未知值，而太空衛星的信息在傳送過程中，所需耗費的時間，可經由比對衛星時鐘與接收機內的時鐘計算出來，將此時間差值乘以電波傳送速度（一般定為光速），就可計算出太空衛星與使用者接收機間的距離，如此就可依三角向量關系來列出一個相關的方程式。每接收到一顆衛星就可列出一個相關的方程式，因此在至少收到三顆衛星信息后，即可計算出平面坐標（經緯度）值，收到四顆衛星信息則加上高程值，五顆以上衛星信息更可提高準確度（如圖10.6所示）。2023/2/31510.2.2GPS定位原理2023/2/31610.2.2GPS定位原理設太空中的4顆衛星分別為：衛星1（x1,y1,z1）、衛星2（x2,y2,z2）、衛星3（x3,y3,z3）、衛星4（x4,y4,z4），如圖10.7所示，則可列出4個方程（方程10.1～方程10.4）。2023/2/31710.2.2GPS定位原理其中，x、y、z：待測點坐標（未知參數）xi、yi、zi：衛星i在t時刻的空間直角坐標di(i=1、2、3、4)：為衛星i到接收機之間的距離Vto：接收機的鐘差（未知參數）Vti：衛星i的鐘差c：光速解上述方程組即可求得待測點的坐標。2023/2/31810.2.3GPS定位方法分類1.根據定位所采用的觀測值(1)偽距定位(2)載波相位定位2.根據定位的模式(1)絕對定位(2)相對定位3.根據獲取定位結果的時間(1)實時定位(2)非實時定位4.根據定位時接收機的運動狀態(1)動態定位(2)靜態定位2023/2/31910.2.4信號接收機1.接收機的用途分類(1)導航型接收機。(2)測地型接收機。(3)授時型接收機。2.按接收機的載波頻率分類(1)單頻接收機。(2)雙頻接收機3.按接收機通道數分類。2023/2/32010.3北斗導航定位系統10.3.1“北斗一號”導航定位系統1.“雙星定位”原理的提出2.開通運行3.“北斗一號”的工作過程4.北斗一號的特點(1)覆蓋范圍只是初步具備了我國周邊地區的定位能力，與GPS的全球定位相差甚遠。(2)定位精度低，定位精度最高10米。(3)由于采用衛星無線電測定體制（RDSS），用戶終端機工作時要發送無線電信號，會被敵方無線電偵測設備發現，不適合軍用。(4)無法在高速移動平臺上使用，這限制了它在航空和陸地運輸上的應用。2023/2/32110.3.2北斗衛星導航定位系統隨著我國綜合國力的提升和衛星導航定位系統全面滲透普通人的生活，還有科索沃戰爭和第二次海灣戰爭美國GPS制導高精度打擊武器的吸引，構建一個類似GPS的全球衛星導航定位系統開始提上日程，開始被稱為“北斗二號”導航定位系統。2007年2月3日，“北斗一號”第四顆衛星發射成功，不過此時，“北斗一號”已經改名為“北斗導航試驗系統”，原來的“北斗二號”則稱為“北斗衛星導航定位系統”，英文名為CompassNavigationSatelliteSystem。第四顆北斗導航試驗衛星不僅作為早期三顆衛星的備份，同時還將進行北斗衛星導航定位系統的相關試驗。以北斗導航試驗系統為基礎，我國開始逐步實施北斗衛星導航系統的建設，首先滿足中國及其周邊地區的導航定位需求，并進行系統的組網和測試，逐步擴展為全球衛星導航定位系統。2023/2/32210.3.2北斗衛星導航定位系統北斗衛星導航定位系統將有5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成，采用東方紅3號衛星平臺。30顆非靜止軌道衛星又細分為27顆中軌道（MEO）衛星和3顆傾斜同步（IGSO）衛星組成，27顆MEO衛星平均分布在傾角55度的三個平面上，軌道高度21500公里，如圖

10.10所示。

2023/2/32310.3.2北斗衛星導航定位系統北斗衛星導航系統致力于向全球用戶提供高質量的定位、導航和授時服務，包括開放服務和授權服務兩種方式。開放服務是向全球免費提供定位、測速和授時服務，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。授權服務是為有高精度、高可靠衛星導航需求的用戶，提供定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。北京時間2010年8月1日5時30分，我國在西昌衛星發射中心用“長征三號甲”運載火箭，成功將第五顆北斗導航衛星送入太空預定轉移軌道，這是一顆傾斜地球同步軌道衛星，是我國2010年連續發射的第3顆北斗導航系統組網衛星。我國自主研制的北斗衛星導航系統系列衛星自2009年起進入組網高峰期，預計在2020年形成覆蓋全球的衛星導航定位系統。2023/2/32410.3.3“北斗一號”在汶川地震救災中的應用2008年5月12日四川大地震發生，一支攜帶了“北斗一號”終端機的部隊于13日進入災區，北京武警指揮中心和四川武警部隊也運用“北斗”進行了上百次交流（圖10.11為“北斗一號”終端機）。汶川地震發生的第三天上午，成都軍區應急通信小分隊搭乘直升機抵達震中汶川縣城。這支應急通信小分隊只有十人，但是他們攜帶衛星電話、電臺，立即開設通信中心，恢復了汶川縣城中斷多時的通信。這就是“北斗”系統，在通信中斷的情況下，顯示了國產導航系統的威力。2023/2/32510.3.3“北斗一號”在汶川地震救災中的應用地震后，汶川地區當地通訊設施全部被毀，加上通往災區的道路被泥石流沖毀，不能及時運送維修設備，北斗定位系統在救災初期擔負了絕大部分通訊任務。由于汶川災區地處山區地勢復雜，部隊配發的普通軍用電臺無法遠距離通訊，而便攜式衛星通訊系統裝備的數量比較稀少，一時也來不及調運，在這次參與抗災的部隊里使用得并不太多。這次救災的主力是部隊，出于保密的原因，部隊極少使用外國衛星電話，而“北斗一號”是我的國自己研制生產的系統，因此不存在這些問題。同時，“北斗一號”還具有報告自身位置的優點。GPS定位系統屬于被動接受系統，使用者只能知道自己的所在位置，而無法通知指揮部門。“北斗一號”由于采用衛星和地面控制中心復合定位的技術，用戶在知道自己的地理坐標的同時，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終端使用者的調度。“北斗一號”定位終端不但能夠隨時向基地報告自己的位置，而且還具有雙向通信的功能，民用終端一次向衛星傳送98個字節的短信息，可隨時報告總部災區的情況，申請救援物資。如，救援部隊在開進途中，有新發現的被圍困群眾，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個總隊配發了數百套北斗設備，其中四川總隊配發了幾十套，災后第一天駐扎在汶川地區的四川森警總隊汶川大隊有數套“北斗一號”終端投入了抗震救災工作，并第一時間發回了災情報告，第二天森警總部司令部要求參加救災的部隊打開所有的北斗設備，并及時匯報行進情況及災情信息，第三天總參測繪局中國衛星導航應用管理中心及衛星地面總站緊急為部隊調配了大量該類型設備。2023/2/32610.4地理信息系統簡介地理信息系統（GeographicInformationSystem，GIS）是處理地理信息的系統。地理信息是指直接或間接與地球上的空間位置有關的信息，又常稱為空間信息。一般來說，GIS可定義為：“用于采集、存儲、管理、處理、檢索、分析和表達地理空間數據的計算機系統，是分析和處理海量地理數據的通用技術”。1．GIS系統構成GIS的應用系統由五個主要部分構成，即硬件、軟件、數據、人員和方法。2．GIS的功能一個GIS軟件系統應具備五項基本功能，即數據獲取、數據編輯與處理、數據存貯與管理、空間查詢與空間分析、可視化表達與輸出。3．GIS技術在物流領域的應用(1)GIS在倉庫規劃中的應用(2)GIS在鐵路運輸中的應用2023/2/32710.5GPS在物流管理中的應用1.GPS在交通運輸管理中的應用(1)用于車輛自定位(2)用于鐵路運輸管理(3)用于船隊最佳航程和安全航線的測定、航向的實時調度、監