上课地点

学时

4

专业班级

2020物流管理123班

教学条件

准备

教案，PPT，视频，实训用品，相关教学材料

教学组织

模式

理实一体化教学

教学过程

与时间分配   

主    要  教  学    内  容

讲  授

地理信息技术范畴的ＧＩＳ ( 地理信息系统)、 ＲＳ ( 遥感技术) 和ＧＰＳ 三者集成应用构成了整体的、 实时的和动态的对地观测、 分析和应用的运行系统即３Ｓ 系统 提高了ＧＩＳ的应用效率 三者之间的相互作用形成了 “１ 个大脑２ 只眼睛” 的框架 即ＲＳ 和ＧＰＳ 向ＧＩＳ 提供或更新区域信息以及空间定位 ＧＩＳ 进行相应的空间分析 并从 ＲＳ 和 ＧＰＳ 提供的浩如烟海的数据中提取有用信息 进行综合集成 使之成为决策的科学依据

一、 ＧＰＳ 概述

ＧＰＳ 是英文 ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ (全球定位系统) 的简称 ＧＰＳ 起始于 １９５８ 年美国军方的一个项目 １９６４ 年投入使用 ２０ 世纪７０ 年代 美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统ＧＰＳ 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 并用于情报搜集、 核爆监测和应急通讯等一些军事目的 经过２０ 余年的研究实验耗资３００ 亿美元 到１９９４ 年 全球覆盖率高达９８％ 的２４ 颗ＧＰＳ 卫星星座己布设完成

ＧＰＳ 系统是由空间星座、 地面控制和用户设备等三部分构成的

１ ＧＰＳ 卫星星座

ＧＰＳ 卫星星座由２１ 颗工作卫星和３ 颗在轨备用卫星组成 ２４ 颗卫星均匀分布在６ 个轨道平面内轨道倾角为５５ 度各个轨道平面之间相距６０ 度即轨道的升交点赤经各相差６０ 度 每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差９０ 度———轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前３０ 度在２ 万公里高空的ＧＰＳ 卫星当地球对恒星来说自转１ 周时它们绕地球运行２ 周即绕地球一周的时间为１２ 恒星时 这样对于地面观测者来说每天将提前４ 分钟见到同一颗ＧＰＳ卫星 位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同最少可见到４ 颗最多可见到１１ 颗 在用ＧＰＳ 信号导航定位时为了结算测站的三维坐标必须观测４ 颗ＧＰＳ 卫星称为定位星座 这４ 颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响 对于某地某时甚至不能测得精确的点位坐标这种时间段叫做 “ 间隙段” 但这种时间间隙段是很短暂的并不影响全球绝大多数地方的全天候、 高精度、 连续实时的导航定位测量 ＧＰＳ 工作卫星的编号和试验卫星基本相同

２    地面监控系统

对于导航定位来说ＧＰＳ 卫星是一动态已知点 星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的参数算得的 每颗ＧＰＳ 卫星所播发的星历是由地面监控系统提供的卫星上的各种设备是否正常工作以及卫星是否一直沿着预定轨道运行都要由地面设备进行监测和控制 地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—ＧＰＳ 时间系统 这就需要地面站监测各颗卫星的时间求出钟差 然后由地面注入站发给卫星卫星再由导航电文发给用户设备 ＧＰＳ 工作卫星的地面监控系统包括１ 个主控站、 ３ 个注入站和５个监测站

３ ＧＰＳ 信号接收机

ＧＰＳ 信号接收机的任务是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到的ＧＰＳ 信号进行变换、 放大和处理以便测量出ＧＰＳ 信号从卫星到接收机天线的传播时间解译出ＧＰＳ 卫星所发送的导航电文实时地计算出测站的三维位置位置甚至三维速度和时间

ＧＰＳ 卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源 对于陆地、 海洋和空间的广大用户只要用户拥有能够接收、 跟踪、 变换和测量ＧＰＳ 信号的接收设备即ＧＰＳ信号接收机 可以在任何时候用ＧＰＳ 信号进行导航定位测量 根据使用目的的不同用户要求的ＧＰＳ 信号接收机也各有差异

随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展 美国政府宣布２０００ 年至２００６ 年期间 在保证美国国家安全不受威胁的前提下 取消ＳＡ 政策 ＧＰＳ 民用信号精度在全球范围内得到改善 利用Ｃ / Ａ 码进行单点定位的精度由１００ 米提高到１０ 米 这将进一步推动ＧＰＳ 技术的应用 提高生产力、 作业效率、 科学水平以及人们的生活质量 刺激ＧＰＳ 市场的增长 据有关专家预测 在美国 单单是汽车ＧＰＳ 导航系统 ２０００ 年后的市场将达到３０ 亿美元而在中国 汽车导航的市场也将达到５０ 亿元人民币 可见 ＧＰＳ 技术市场的应用前景非常可观

二、 ＧＰＳ 的特点

１    全球全天候定位

ＧＰＳ 卫星的数目较多     且分布均匀 保证了地球上任何地方任何时间至少可以同时观测到４ 颗ＧＰＳ 卫星 确保实现全球全天候连续的导航定位服务 ( 除打雷闪电不宜观测外)

２    定位精度高

应用实践已经证明 ＧＰＳ 相对定位精度在５０ｋｍ 以内可达１０ ~ ６ｍ  １００ ~ ５００ｋｍ 可达１０ ~ ７ｍ  １ ０００ｋｍ 可达 １０ ~ ９ｍ  在 ３００ ~ １５００ｍ 工程精密定位中     １ 小时以上观测时解其平面位置误差小于１ｍｍ  与ＭＥ － ５０００ 电磁波测距仪测定的边长比较 其边长较差最大为０ ５ｍｍ  校差中误差为 ０ ３ｍｍ

实时单点定位 ( 用于导航): Ｐ 码１ ~ ２ｍ   Ｃ / Ａ 码５ ~ １０ｍ

静态相对定位: ５０ｋｍ 之内误差为几ｍｍ＋ ( １ ~ ２ｐｐｍ Ｄ) ５０ｋｍ 以上可达０ １ ~ ０ ０１ｐｐｍ

实时伪距差分 ( ＲＴＤ): 精度达分米级

实时相位差分 ( ＲＴＫ): 精度达１ ~ ２ｃｍ

３    观测时间短

随着ＧＰＳ 系统的不断完善 软件的不断更新 ２０ｋｍ 以内相对静态定位 仅需１５ ~ ２０分钟 快速静态相对定位测量时 当每个流动站与基准站相距在１５ＫＭ 以内时 流动站观测时间只需１ ~ ２ 分钟 采取实时动态定位模式时 每站观测仅需几秒钟 因而使用ＧＰＳ技术建立控制网 可以大大提高作业效率

４    测站间无需通视

ＧＰＳ测量只要求测站上空开阔 不要求测站之间互相通视 因而不再需要建造觇标 这一优点既可大大减少测量工作的经费和时间 (一般造标费用约占总经费的３０％ ~５０％) 同时也使选点工作变得非常灵活 也可省去经典测量中的传算点、 过渡点的测量工作

５    仪器操作简便

随着ＧＰＳ 接收机的不断改进 ＧＰＳ 测量的自动化程度越来越高 有的已趋于 “ 傻瓜化” 在观测中测量员只需安置仪器 连接电缆线 量取天线高 监视仪器的工作状态而其他观测工作 如卫星的捕获 跟踪观测和记录等均由仪器自动完成 结束测量时 仅需关闭电源 收好接收机 便完成了野外数据采集任务

如果在一个测站上需作长时间的连续观测 还可以通过数据通信方式 将所采集的数据传送到数据处理中心 实现全自动化的数据采集与处理 另外 接收机体积也越来越小 相应的重量也越来越轻 极大地减轻了测量工作者的劳动强度

６    可提供全球统一的三维地心坐标

ＧＰＳ 测量可同时精确测定测站平面位置和大地高程 ＧＰＳ 水准可满足四等水准测量的精度 另外 ＧＰＳ 定位是在全球统一的ＷＧＳ－８４ 坐标系统中计算的 因此全球不同地点的

测量成果是相互关联的

三、 ＧＰＳ 技术的实际运用

(一) 道路工程中的应用

ＧＰＳ 在道路工程中的应用主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等 随着高等级公路的迅速发展 对勘测技术提出了更高的要求 由于线路长 已知点少 因此 用常规测量手段不仅布网困难 而且难以满足高精度的要求 中国已逐步采用ＧＰＳ 技术建立线路首级高精度控制网 然后用常规方法布设导线加密 实践证明 在几十公里范围内的点位误差只有２ 厘米左右 达到了常规方法难以实现的精度 同时也大大提前了工期 ＧＰＳ 技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中 由于无需通视 可构成较强的网形 提高点位精度 同时对检测常规测量的支点也非常有效 ＧＰＳ 技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景 ＧＰＳ 测量无需通视 减少了常规方法的中间环节 因此 速度快、精度高 具有明显的经济和社会效益

(二) 巡更应用

ＧＰＳ 运用到电子巡更里的优势是如果一个比较长比较远的巡检线路 不需要安装巡检点 直接从卫星上取得坐标信号 主要适用于长距离巡更巡检如电信、 森林防火、 石化油气管道勘查等 澳普门禁的左光智介绍: “ 但是ＧＰＳ 容易受环境的影响 比如因为阴天的森林天上有云、 电离层都会对卫星信号产生影响甚至有可能定位不到 ” 加上ＧＰＳ 耗电量大 成本高 最大的局限性是ＧＰＳ 不能在封闭的空间内比如大楼里面使用 而巡更产品大部分是用于室内的

(三) 汽车导航和交通管理中的应用

１    车辆跟踪

利用ＧＰＳ 和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置 并可任意放大、 缩小、 还原、换图 可以随目标移动 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 利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输

２    提供出行路线规划和导航

提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要的辅助功能 它包括自动线路规划和人工线路设计 自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地 由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线 包括最快的路线、 最简单的路线、 通过高速公路路段次数最少的路线的计算 人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、 终点和途经点等 自动建立路线库 线路规划完毕后 显示器能够在电子地图上显示设计路线 并同时显示汽车运行路径和运行方法 ＧＰＳ 通信网络

３    信息查询

为用户提供主要物标、 如旅游景点、 宾馆、 医院等数据库 用户能够在电子地图上显示其位置 同时 监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来

４ 话务指挥

指挥中心可以监测区域内车辆运行状况 对被监控车辆进行合理调度 指挥中心也可随时与被跟踪目标通话 实行管理５ 紧急援助通过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 规划最优援助方案 并以报警声光提醒值班人员进行应急处理

(四) 其他应用

ＧＰＳ 除了用于导航、 定位、 测量外 由于 ＧＰＳ 系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息 因此 以空间卫星上的精确时钟为基础 在地面监测站的监控下传送精确时间和频率是ＧＰＳ 的另一重要应用 应用该功能可进行精确时间或频率的控制可为许多工程实验服务 此外 据国外资料显示 还可利用ＧＰＳ 获得气象数据 为某些实验和工程应用 ＧＰＳ 防盗跟踪系统