全球定位系统与地理信息系统

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1、全球定位系统与地理信息 系统学习目标了解GPS技术、GIS技术的基本知 识及其在物流活动中的应用。本 节 要 点 全球定位系统与地理 信息系统的概念及特 点 GPS系统和GIS系统的 构成与功能 GPS和GIS在物流中的 应用1999 年 3 月 27 日，北约部队一架 F 一 117A 隐形战斗机被南联盟防空部队击落。 飞行员跳伞后在脚触地的一刹那，通过手持 型信号发射器发出紧急呼救信号，当间谍卫 星把呼救信号传送到北约空袭南联盟指挥所 后，美军立即安排了救援行动。 6 小时后， 当一架 EA 一 6B 电子干扰机发现飞行员的 准确位置时，一架 MH 一 6oG 搜索与救援 直升机降落在飞行

2、员面前，把飞行员接上直 升机并安全返回基地。回答下面问题。案例分析问题：飞行员发出的呼救信号是（ ）A 、GIS 系统信号 B 、GPS 系统信号 C 、RS 系统信号 D 、以上都不对空间GPS系1、卫星定位技术发展的回顾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 S

3、atellite SystemNNSS）。由于该系统卫 星都通过地极，也称“子午(Transit)卫星系 统”。1964年该系统建成，并在美国军方启用。 1967年美国政府批准该系统解密，提供民用。 该系统不受气象条件的限制，自动化程度高， 具有良好的定位精度。尽管NNSS在导航技术的发展中具有划时代的 意义，但由于该系统卫星数目少（5-6颗）， 运行轨道低（1000km ）,观测时间长（1.5小 时），无法提供连续实时三维导航，同时获得 一次导航解的时间长，难以满足军事要求，尤 其是高动态目标（飞机、导弹等）导航要求。 而从大地测量看，定位速度慢，一个测站一般 平均观测1-2天；精度低，单点

4、定位精度3-5m ，相对定位精度1m，使得在大地测量和地球动 力学研究方面的应用，也受到很大限制。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）。为使GPS具有高精度连续实时三维导航和定位 能力，以及良好的抗干扰性能，在设计上采取 了若干改善措施。2、GPS的概念GPS(Global Positi

5、oning System，简称 GPS)是利用卫星星座、地面控制部分和信 号接收机对监控对象进行动态定位和跟踪 的系统。以美国GPS为例，全球定位系统是利用 导航卫星进行测时和测距，使地球上的任 何用户都能确定自己所处的方位，它由一 系列卫星组成，它们24h提供高精度的世 界范围的定位和导航信息。准确地说，它 是由24颗沿距地球12000km高度的轨道运 行的NAVSTAR GPS卫星组成，不停地发送 回精确的时间和它们的位置。这些卫星需要地面监控系统随时监控。 GPS接收器同时收听312颗卫星的信号 ，从而判断地面上或接近地面的物体的 位置，还有它们的移动速度和方向等。 3、GPS的特点 （

6、1）定位精度高 采用差分定位，精度可达厘米级和毫米级。 （2）观测时间短（见书P109） （3）测站间无须通视 （4）可提供三维坐标（经、纬、高）能为用户 提供连续、实时的三维位置、速度和精密时 间。 （5）操作简便 （6）全天候作业（全球，全天候工作） （7）功能多，应用广。4、GPS系统的构成及工作原理 （1）GPS系统的构成GPS系统是利用无线电传输来定位，由卫星来发射定时信号 、卫星位置等信息。一般由空间部分（GPS卫星）、地面监 控部分和用户部分（GPS接收机）三部分组成。 1）GPS空间部分GPS卫星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，各轨道平面

7、相对于赤道平面的倾角为55，轨道平 面间距60。在每一轨道平面内，各卫星升交角距差90，任一 轨道上的卫星比西边相邻轨道上的相应卫星超前30。事实上 ，空间卫星系统的卫星数量要超过24颗，以便及时更换老化 或损坏的卫星，保障系统正常工作。该卫星系统能够保证在 地球的任一地点向使用者提供4颗以上可视卫星。 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（最多可达11颗），实现连续、实时地导航和定位。 GPS系统的空间部分由GPS卫星组成，称为卫 星星座。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。GPS卫星迄今已设计了三代。第一代

8、 Block1型用于系统实验，称实验卫星，共研制 和发射了11颗，设计寿命5年，现已停止工作 。第二代Block2和2A型卫星称为工作卫星，共 研制了28颗，设计寿命7.5年，从1989年初到 1994年上半年发射完毕。第三代Block3和2R 型卫星尚在设计中，预计20颗，以取代第二代 卫星，改善全球定位系统。GPS卫星的基本功能（补充） A、接收和存储由地面监控站发来的导航信息， 接收并执行监控站的控制指令。 B、利用卫星上的微处理机，对部分必要的数据 进行处理。 C、通过星载的原子钟提供精密的时间标准。 D、向用户发送定位信息。 E、在地面监控站的指令下，通过推进器调整卫 星姿态和启用备

9、用卫星。2）GPS地面监控部分GPS的地面监控部分由分布在全球的5个地面 站组成，其中包括卫星监测站（5个）、主控 站（1个）和注入站（3个）A、 监测站：是主控站直接控制下的数据自动 采集中心。站内设有双频GPS接收机、高精 度原子钟、计算机1台和若干台环境数据传感 器。观测资料由计算机进行初步处理，存储并 传输到主控站，以确定卫星轨道。控制站的分布B、 主控站除协调和管理地面监控系统外，主要任务：）根据本站和其它监测站的观测资料，推算编 制各卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数， 并将数据传送到注入站。）提供全球定位系统的时间基准。各监测站和 GPS卫星的原子钟，均应与主控站的原子钟同 步，

10、测出其间的钟差，将钟差信息编入导航电 文，送入注入站。）调整偏离轨道的卫星，使之沿预定轨道运行 。）启用备用卫星代替失效工作卫星。C、注入站：主要设备为1台直径3.6m的天线、1台c波段发 射机和1台计算机。主要任务是在主控站的控 制下，将主控站推算和编制的卫星星历、钟 差、导航电文和其它控制指令等，注入到相 应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确 性。整个GPS系统的地面监控部分，除主控站外 均无人值守。各站间用现代化通讯网络联系 ，在原子钟和计算机的驱动和控制下，实现 高度的自动化标准化。接收机调制 解调器铯钟气象传感器监测站观测星历 与时钟主控站计算误差编算注入 导航电文调制解调器高功率

11、 放大器指令发生器数据存储器和外部设备注入站数据处理机数 据 处理机L1 L2S波段GPS卫星GPS卫星3）GPS用户部分GPS接收机GPS接收机用来接收卫星发来的信号，其 内部装有芯片，用来根据卫星信号计算出 定位数据。信号接收机的外观如图3-31所 示。（a）车载卫星定位接收机 (b) 智能车载GPS导航仪 (c)手 持GPS接收机图3-31 常见的信号接收机类类型应应用 用于运动载动载 体的导导航，分为为 车载车载 型、航海型、航空型和 星载载型能够实时给够实时给 出载载体的位 置和速度，价格便宜，应应 用广泛 测测地接收机定位精度高，仪仪器结结构 复杂杂，价格较贵较贵 授时时接收机用于

12、天文台及无线电线电 通讯讯利用GPS卫卫星提供的高 精度时间进时间进 行授时时导航接收机5、学会使用“GPS接收器”GPS接收机是用于接受GPS卫星定位信息 的用户设备，其有两大主要用途：定位和 导航。GPS12是美国GARMIN公司于1998 年推出的全中文接收机，是目前国内市场 上的一款主流机型。如图1-1所示内置天线翻页光标键定位键 输入键显示屏导航键 开机键 退出键图1-1（1）定位用GPS接收机定位，详细步骤如下： A:开机接收卫星信号，显示收星画面如 图1-2所示地平线卫星编号卫星信号图1-2 收星画面是开机后的第一个画面，表示卫星的分布与 接收状态。接收到的卫星不能低于3颗，要选

13、屋外无 障碍物的地区接收。 卫星方位：上北下南，左西右东 卫星仰角： 中心相当于所处位置正上方，大圆代表 地平 线，中间圆为45度仰角 卫星编号：图中数字表示地平线上方的卫星，数字反 白表示卫星未收到 黑框条图：表示接收到的卫星信号的强弱，黑条越高 ，代表信号越强；如果是白框条，表示该颗卫星正处 于跟踪状态；如果黑条和白框条都没有，表示还未收 到该星信号。一般来说，圆圈中卫星越靠近中心，接 收到的卫星信号越强。如图1-2中接收到10颗卫星， 而且信号比较强。B:连续按翻页键或退出键,切换至,如图1-3所示数据查询画面表示接收点的具体信息。 图1-3航向：运动时的方向，它的角度是以正北为0， 顺

14、时针逐渐增加，正东为90，正西为270，因 此运动时可以椐此判断北的方向。 航速：为固定显示数据不能更改，当接收卫星 后卫星会自动根据你的运动情况测定该值。航程：相当于里程表，记录航行过的实际路程 。高度：显示你所处点的海拔高度。图1-3中高度 是17m坐标：接收点的经纬度。图1-3中坐标是 N323653.9E1205419.2。时间：采用卫星钟授时。C：定位键，显示标定位置画面如图1-4 所示，图中显示航点编号为005、经纬度为 N3203.232，E11845.923等信息图1-4D:移动光标键至航点编号处，按输入键确定 ，按上下光标键可对航点名称进行重新编号 ，最后再按输入键确定 E:

15、移动光标键选中平均处，平均反白处，按 输入键确定，此时机器开始自动平滑，提高 定位精度 F:误差处为平滑参考值，数字越小，精度越高 ，待误差处数字固定不变或达到期望值，此 时光标在存入处，按输入键，存点完毕。（二）导航GPS接收机不仅可以为你定位，而且可以为 你导航，这样不管你是身处浩瀚的沙漠之中 ，还是在波浪滔天的大海上，都不会为迷失 方向而发愁。使用GPS接收机导航，首先要建立航路点， 然后才能进行导航。建立航路点第一种方法：按定位键记录各个位置,建立 航路点。方法参照上节所述.第二种方法：直接输入经纬度建立航路点A、开机接收卫星信号，显示收星 画面如图1-2所示地平线卫星编号卫星信号图1

16、-2B、连续按翻页键或退出键，直到 显示功能设定画面如图所示图1-5C、移动光标键选中航点,按输入 键确定，显示航点画面如图 图1-6D、移动光标键选中航点编号，按输入键确 定，用光标键选择所要的航点编号，按输入 键确定，图1-6中确定的是004号航点。E、移动光标键选中经纬度，进行经纬度编辑 ，输入航路点的经纬度，方法同上，按输入 键确定F、最后移动光标键选中画面下部的完成， 按输入键确定，录入完成，回到功能设定 画面如图1-5所示地平线卫星编号卫星信号图1-2单点导航图1-8比例设置航迹线图1-9图1-10图1-115、 GPS定位原理 GPS定位分为静态定位和动态定位。在静态定 位,GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程 中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号 的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置 ，解算出接收天线所在位