教学单元 知识点9--GPS技术 及应用 主讲：朱铁汉

知识目标 1.了解定位技术发展史上典型定位技术代表。 2.掌握GPS的概念、特点。 3.掌握GPS的组成内容及GPS定位方式。

能力目标 1.能够知道如何应用3S技术解决在实际工作和生活中遇见的问题。 2.能够利用 GPS系统在全球范围内实现全天候、连续、实时的三维导航定位和测速。 3.能够根据不同的用途采用不同的定位方法，解决了大范围、全球性以及高精度快速定位的问题。

一、GPS的概述 GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的空间卫星导航定位系统，其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务， 并用于情报收集、核爆监测和应急通信等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。 随着GPS服务向民用领域的拓展以及GPS功能的不断完善，GPS的应用领域不断增加， 目前已遍及国民经济的许多部门。

1．GPS的概念 GPS(Global Position System)即全球定位系统，它是利用卫星星座(通信卫星)、地面控制部分和信号接收机对对象进行动态定位的系统。

目前世界上广泛采用的卫星定位系统是由美国军方研制并发射的GPS定位系统。 从第一颗试验卫星于1978年2月发射以来，已有20多年的发展历程。 由于GPS能对静态、动态对象进行动态空间信息的 获取，能快速、准确反馈空间信息， 因此，GPS广泛应用于船舶和飞机导航、对地面目标的精确定位、地面及空中交通管制、空间与地面灾害监测等。

2．GPS的特点 GPS是一种多用途、多机型、多模式的空间定位技术，主要具有以下特点： ⑴定位精度高 ⑵选点灵活、费用低 ⑶全天候全球性作业 ⑷观测速度快 ⑸功能齐全、应用广泛 ⑹自动化程度高，操作简便

二、GPS的组成 空间部分 地面控制部分 用户设备部分

GPS由高悬在2万千米的空中的24颗卫星(21颗工作卫星和3颗备用卫星)组成，卫星由火箭发射入轨后，靠太阳能电池和镉镍蓄电池供电运行。 卫星分布在6个轨道平面上，各轨道平面相对于赤道平面的倾角为550，轨道平面间距为600。 在每一轨道平面内，各卫星相交角距差900，任一轨道上的卫星比西边相邻轨道上的对应卫星超前300。 每颗卫星每隔12h沿近圆形轨道围绕地球旋转一周，使得地球任何地方同时可看到7～9颗卫层。 GPS工作卫星组网保障全球任一时刻、任一地点都可对4颗以上的卫星进行观测

1.空间部分 GPS空间星座部分由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成。 工作卫星分布在6个椭圆轨道上，长半轴26600km，高度20200km。 每个轨道面内分布有3～4颗卫星，卫星轨道相对于地球赤道面的倾角为550，轨道平均高度为20200km。 卫星运行周期为11h 58min。 因此，在同一测站每天出现的卫星布局大致相同，只是每天提前4min。 每颗卫星每天约有5h在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数目随时间和地点而异，最少4 颗，最多11颗。

GPS卫星的基本功能是： ⑴执行地面监控站的控制指令，接收和储存由地面监控站发来的导航信息。 ⑵向GPS用户发送导航电文和定位信息； ⑶ 通过高精度原子钟(铷钟和铯钟)向用户提供精密的时间标准，各卫星只有依靠统一的高精度时间标准，才能在既定轨道中预定时间点高速运行在预定的位置，从而保证定位精度。

2.地面控制 GPS的地面监控系统主要由分布在全球的五个地面站组成，按其功能分为主控站（MCS）、注入站（GA）和监测站（MS）三种,如图2所示。

主控站：1个，设在美国本土的科罗拉多空间中心。负责协调和管理所有地面监控系统， 注入站：现有3个，分别设在： 印度洋的迭哥伽西亚 南太平洋的卡瓦加兰 南大西洋的阿松森群岛。 监测站：原有5个（含上述四个地面站，另一个设在夏威夷）。

3.用户接收机 GPS的用户设备部分，包括： GPS接收机硬件 数据处理软件 微处理机及其终端设备

⑴GPS信号接收机：是用户设备部分的核心 其主要任务是捕获卫星信号， 跟踪并锁定卫星信号； 对接收的卫星信号进行处理， 测量出GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间； 译出GPS卫星发射的导航电文，配以功能完善的软件， 实时计算接收机天线的三维坐标、速度和时间。

GPS接收机：由天线、主机和电源三部分组成。 天线的作用是将GPS卫星信号的微弱电磁波能量转化为相应电流，前置放大器将接收的GPS信号放大。 为减少信号损失，一般将天线和前置放大器封装成一体；

②主机：由变频器、信号通道、微处理器、存储器和显示器组成。 主机的主要作用是对天线接收到的信号进行数据处理、记录、存储、状态及结果显示等； ③电源：主要有内电源（一般为锂电池）和外接电源两种，为接收机提供工作时必要的能源。

⑵GPS的种类（按用途分） ①导航型：一般采用伪距单点定位，定位精度较低，体积小、价格低廉，广泛用于船舶、车辆、飞机等运动载体的实时定位及导航。 按应用领域又分：手持型、车载型、航海型、航空型以及星载型。 ②测地型：主要采用载波相位观测值进行相对定位，定位精度较高，一般相对精度可达±（5 mm＋10-6×D）。 这类仪器构造复杂，价格昂贵。主要用于精密大地测量、工程测量、地壳形变测量等领域。

③授时型：利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时，常用于天文台授时、电力系统、无线电通讯系统中的时间同步等。 ④姿态测量型：可提供载体的航偏角、俯仰角和滚动角，主要用于船舶、飞机及卫星的姿态测量。

我国常用的接收机： Trimble 4700SE/SSE型（美国、天宝）; Wild530/550型 （瑞士徕卡 ）; Astech-XII、Z-12型（美国阿什泰克 ） ; NGS-200型（广州南方测绘仪器公司）; GJS型（北京博飞公司）。 双星：能接收美国和俄罗斯两卫星定位系统。

三、GPS的定位方式 GPS定位的方法是多种多样的，用户可以根据不同的用途采用不同的定位方法。GPS定位方法可依据不同的分类标准，作如下划分： 1.根据定位所采用的观测值分为：伪距定位和载波相位定位 2.根据定位的模式分为：绝对定位和相对定位 3.根据获取定位结果的时间分为：实时定位和非实时定位 4.根据定位时接收机的运动状态分为：动态定位和静态定位

四、GPS的功能及用途 卫星导航定位系统的出现，解决了大范围、全球性以及高精度快速定位的问题。 最早应用于军用定位和导航，为车、船、飞机等机动工具提供了导航定位信息及精确制导，为救援人员指引方向等。

1. GPS的功能 GPS是军民两用的系统，其应用范围极其广泛，功能强大，具体包括如下： (1)车辆、船舶跟踪。为了随时掌握车辆和船舶的动态，可以通过地面计算机终端，实时显示出车辆、船舶的实际位置。 (2)信息传递和查询。利用GPS，一方面管理中心可以·向车辆、船舶提供相关的气象、交通、指挥等信息；另一方面，也可以将运行中的车辆、船舶的信息传递给信息中心，实现信息的双向交流。 (3)及时报警。利用GPS，及时掌握运输装备的异常情况，接受求助信息和报警信息，并迅速传递到管理中心，从而实施紧急救援。 (4)管理支持。通过GPS提供的信息，可实施运输指挥、实时监控、规划和选择路线、向用户发出到货预报等，有效地支持大跨度物流系统管理。

2．GPS的主要用途 GPS问世以后，即迅速在导航、定位领域得到广泛应用，是继计算机革命之后的又一场革命。 例如：船舶远洋导航和进港引水； 飞机航路引导和进场降落； 车辆／轮船自主导航； 车辆／轮船跟踪和城市智能交通管理； 紧急救生；个人旅游及野外探险；个人通信终端(与手机、PDA、电子地图／海图等集成一体)。

(2)GPS在授时校频中的应用。包括准确时间的授人、准确频率的授人，如电力、邮电、通信等网络系统的时间同步。 (4)GPS和GIS的结合应用 。 GPS为GIS提供动态实时多维数据，包括大气物理观测、地球物理资源勘探、变形监测、水文地质测量、地壳运动监测、海洋平台定位、海平面升降监测、市政规划控制等。

五、GPS在物流中的应用 1.GPS技术的应用现状 并已开始应用于海空导航、车辆引行、导弹制导、航测遥感、海洋、航道、通讯、气象、民航等领域的工程勘察设计、施工管理、竣工验收、动态监测、设备安装、时间传递、速度测量等。

2．GPS系统的物流功能 (1) 实时监控功能 (2) 双向通信功能 (3) 动态调度功能 (4) 数据处理功能 ①通过路线规划及路线优化 。 ②通过对物流信息的监控可进行服务质量跟踪 。 ③通过对物流数据的分析处理。

2．GPS在物流领域的应用 (1)用于汽车自定位、跟踪调度。汽车定位追踪器亦称汽车定位跟踪器，主要是车载防盗GPS定位产品。

(2)用于铁路运输管理。我国铁路开发的基于卫星导航定位系统的计算机管理信息系统，可以通过GPS和计算机网络实时收集全路列车、机车、车辆、集装箱及所运货物的动态信息，可实现列车、货物追踪管理。 (3)用于军事物流。全球卫星导航定位系统首先是因为军事目的而建立的，在军事物流中，如后勤装备的保障等方面，应用相当普遍。