《现代物流信息技术》第4章.ppt
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2024/1/14,现代物流信息技术,第四章:
全球卫星定位系统,2024/1/14,现代物流信息技术,本章教学要点,了解GPS的概念及发展历程;掌握GPS的分类;熟悉GPS的特点;重点掌握GPS的构成及其基本工作原理;了解GPS常用术语;掌握GPS定位方式;熟悉GPS的应用。
2024/1/14,现代物流信息技术,本章内容,4.1GPS概述4.2GPS的分类与特点4.3GPS的构成4.4GPS工作原理概述4.5GPS在现代物流中的应用本章总结思考题,2024/1/14,现代物流信息技术,4.1GPS概述,4.1.1GPS的概念及其发展历程4.1.2国际卫星导航系统发展历程,2024/1/14,现代物流信息技术,4.1.1GPS的概念及其发展历程,全球卫星定位系统(GlobalPositioningSystem,GPS)是由美国国防部开发的一个基于卫星的无线导航系统。
GPS利用分布在高度为20200km的6个轨道上的24颗卫星对地面目标的状况进行精确测定,每条轨道上拥有4颗卫星,在地球上任何一点、任何时刻都可以同时接收到来自4颗卫星的信号,卫星所发射的空间轨道信息覆盖整个地球表面。
返回,2024/1/14,现代物流信息技术,4.1.1GPS的概念及其发展历程,20世纪50年代末,苏联发射了人类第一颗人造地球卫星,美国科学家在对其跟踪研究中,发现了多普勒频移现象,并利用该原理建成了子午卫星导航系统(NavyNavigationSatelliteSystem,NNSS),又称多普勒卫星导航定位系统。
全球卫星定位系统GPS从1973年开始筹建,于1989年发射正式工作卫星,并于1994年全部建成并投入使用。
该系统能在全球范围内,向任意多用户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。
自1974年以来,GPS计划已经历了方案论证、系统论证、生产实验3个阶段,总投资超过200亿美元。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.1.2国际卫星导航系统发展历程,GLONASS全球定位系统NAVSAT导航卫星系统INMARSAT系统GNSS系统伽利略定位系统(GalileoPositioningSystem)北斗卫星定位系统,2024/1/14,现代物流信息技术,4.2GPS的分类与特点,4.2.1GPS的分类4.2.2GPS的特点,2024/1/14,现代物流信息技术,4.2.1GPS的分类,1.按接收机的用途不同分类
(1)导航型接收机
(2)测地型接收机(3)授时型接收机2按接收机的载波频率不同分类
(1)单频接收机
(2)双频接收机,2024/1/14,现代物流信息技术,4.2.1GPS的分类,3按接收机的通道数不同分类
(1)多通道接收机、
(2)序贯通道接收机、(3)多路多用通道接收机。
4按接收机工作原理分类
(1)码相关型接收机
(2)平方型接收机(3)混合型接收机(4)干涉型接收机,2024/1/14,现代物流信息技术,4.2.2GPS的特点,1定位精度高2覆盖面广3观测时间短4被动式、全天候的导航能力5操作简便6功能多,应用广,2024/1/14,现代物流信息技术,4.3GPS的构成,4.3.1空间部分GPS卫星星座4.3.2地面监控部分地面监控系统4.3.3用户设备部分GPS信号接收机,2024/1/14,现代物流信息技术,4.3.1空间部分GPS卫星星座,GPS卫星星座由均匀分布在6个轨道平面上的24颗(其中有3颗备用卫星)高轨道工作卫星构成,每个轨道平面交点的经度相隔60,轨道平面相对地球赤道的倾角为55。
每条轨道上均匀分布着4颗卫星,相邻轨道之间的卫星彼此成30,以保证全球均匀覆盖的要求。
GPS卫星轨道平均高度约为20200km,运行周期为11个小时零58分钟。
因此,地球上同一地点的GPS接收机的上空,每天出现的GPS卫星分布图形相同,只是每天提前约4min。
同时,位于地平线以上的卫星数目,随时间和地点的不同而相异,最少有4颗,最多可达11颗。
3颗在轨的备用工作卫星相间布置在3个轨道平面中,随时可以根据指令代替发生故障的其他卫星,以保证整个GPS空间星座正常而高效地工作。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.3.1空间部分GPS卫星星座,GPS卫星的作用如下:
(1)用L波段的两个无线载波(波长为19cm和24cm)向广大用户连续不断地发送导航定位信号。
每个载波用导航信息D(t)和伪随机码(PRN)测距信号进行双向调制,从而形成导航电文。
由导航电文可以知道该卫星当前的位置和卫星的工作情况。
(2)在卫星飞跃地面注入站上空时,接收由注入站用S波段(10cm波段)发送到卫星的导航电文和其他有关信息,并通过GPS信号电路,适时地发送给广大用户。
(3)接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令,适时地改正运行偏差或启用备用时钟等。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.3.2地面监控部分地面监控系统,地面控制站是由美国国防部控制,主要工作是追踪及预测GPS卫星、控制GPS卫星状态及轨道偏差、维护整套GPS卫星工作正常。
GPS工作卫星的地面监控系统由三部分组成,包括1个主控站、3个注入站和5个监测站。
地面监控系统主要用于追踪卫星轨道,根据接收的导航信息计算相对距离、校正数据等,并将这些资料传回主控制站,以便分析。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.3.3用户设备部分GPS信号接收机,GPS的空间星座部分和地面监控部分是用户应用该系统进行导航定位的基础,用户只有使用GPS信号接收机才能实现其定位、导航的目的。
GPS信号接收机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,甚至三维速度和时间。
GPS信号接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4GPS工作原理概述,4.4.1GPS常用术语4.4.2GPS的基本工作原理4.4.3GPS定位方式,2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.1GPS常用术语,1坐标GPS坐标(Coordinate)有二维和三维两种。
当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时,它可以计算出本地的三维坐标(经度、纬度、高度);若只能接收到三颗卫星的信号,它仅可以计算出二维坐标(经度和纬度),这时还会显示高度数据,但是这个高度数据是无效的。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.1GPS常用术语,2路标路标(LandmarkorWaypoint)是GPS数据核心,它是构成“路线”的基础。
GPS内存中保存有一个点的坐标值,在有GPS信号时,按一下MARK键,它就会将当前的点记成一个路标,并产生一个默认的例如“LMK01”的名字,用户可以把它修改成一个易认的名字(字母用上下箭头输入),还可以给它选定一个图标。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.1GPS常用术语,3路线路线(Route)是GPS内存中存储的一组数据,包括一个起点和一个终点的坐标,还可以包括若干中间点的坐标,每两个坐标点之间的线段叫做一条“腿”。
常见GPS能存储20条路线,每条路线30条“腿”。
各坐标点可以从现有的路标中选择,或是手工/计算机输入数值,输入的路点同时作为一个路标保存。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.1GPS常用术语,4前进方向GPS没有指南针的功能,静止不动时它不知道方向,但是一旦动起来,它就能知道自己的运动方向。
GPS每隔1s更新一次当前地点信息,将每一点的坐标与上一点的坐标进行比较,就可以知道前进方向(Heading)。
前进方向以多少度显示,这个度数是手表表盘朝上12:
00指向北方,顺时针转的角度。
有很多GPS还可以用指向罗盘和标尺的方式来显示这个角度。
一般同时还显示前进的平均速度,也是根据最近一段位移和时间计算的。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.1GPS常用术语,5导向导向(Bearing)功能在以下条件下起作用:
设定“走向”目标。
“走向”目标的设定可以按GOTO键,然后从列表中选择一个路标。
以后“导向”功能将导向此路标。
目前有活跃路线(Activityroute)。
活跃路线一般在“设置”|“路线”菜单下设定。
如果目前有活跃路线,那么“导向”的点是路线中第一个路点,每到达一个路点后,自动指到下一个路点。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.1GPS常用术语,6日出日落时间大多数GPS能够显示当地的日出日落时间(Sunraise/settime),这在计划出发/宿营时间时是有用的。
这个时间是GPS根据当地经度和日期计算得到的,是指平原地区的日出、日落时间。
GPS的时间是从卫星信号得到的格林威治时间。
在“设置”(setup)菜单里可以设置本地的时间偏移,对中国来说应设8h,此值只与时间的显示有关。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.1GPS常用术语,7足迹线GPS每秒更新一次坐标信息,所以可以记载自己的运动轨迹(Plottrail)。
一般GPS能记录1024个足迹点,在一个专用页面上,以可调比例尺显示移动轨迹。
足迹点的采样有自动和定时两种方式。
自动采样由GPS自动决定足迹点的采样方式,一般是只记录方向转折点,长距离直线行走时不记点;定时采样可以规定采样时间间隔。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.2GPS的基本工作原理,GPS定位采用空间被动式测量原理,即在测站上安置GPS用户接收系统,以各种可能的方式接收GPS卫星系统发送的各类信号,由计算机求解站星关系和测站的三维坐标。
GPS的基本定位原理是:
卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息,用户接收到这些信息后,经过计算求出接收机的三维位置,三维方向以及运动速度和时间信息。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.2GPS的基本工作原理,图4.2GPS定位原理,2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.2GPS的基本工作原理,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以建立以下4个方程式:
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.2GPS的基本工作原理,实现GPS精确定位需解决两个问题:
确定卫星的准确位置;准确测定卫星信号传播时间,2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.2GPS的基本工作原理,1确定卫星的准确位置要确定卫星所处的准确位置,首先要优化设计卫星运行轨道,而且要由检测站通过各种手段连续不断地检测卫星的运行状态,适时发送控制指令,使卫星保持在正确的运行轨道。
将正确的运行轨迹编成星历,注入卫星,且经由卫星发送给GPS接收机。
正确接收每个卫星的星历,就可确定卫星的准确位置。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.2GPS的基本工作原理,2准确测定卫星信号传输时间在设计GPS接收机时,要采取相应措施以提高GPS接收机的精确度。
GPS接收机中的时钟,不可能像卫星上那样设置昂贵的铯原子钟,所以就利用测定第4颗卫星,来校准GPS接收机的时钟。
如上所述,每测量3颗卫星定位一个点,利用第4颗卫星和前面3颗卫星的组合,可以测得另一些点。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.3GPS定位方式,1根据定位的模式不同分类绝对定位绝对定位又称为单点定位,通常是指在协议地球坐标系中,采用一台接收机,直接确定观测站相对于坐标系原点(地球质心)绝对坐标的一种定位方法。
相对定位相对定位又称为差分定位,这种定位方式采用两台或者两台以上的接收机,同时对一组相同的卫星进行观测,以确定接收机天线间的相互位置关系。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.3GPS定位方式,2.根据获取定位结果的时间不同分类实时定位实时定位是根据接收机观测到的数据,实时地解算出接收机天线所在的位置。
非实时定位非实时定位又称后处理定位,它是对接收机接收到的数据先处理再定位的方法。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.4.3GPS定位方式,3根据定位时接收机的运动状态不同分类静态定位静态定位就是GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变,接收机测量GPS信号的传播时间,利用GPS卫星在轨的已知位置,解算出接收机天线所在位置的三维坐标。
动态定位动态定位就是在进行GPS定位时,认为接收机的天线在整个观测过程中的位置是变化的,是GPS接收机对物体运动轨迹的测定。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.5GPS在现代物流中的应用,4.5.1导航功能4.5.2交通运输功能4.5.3定位测量4.5.4GPS的其他应用,2024/1/14,现代物流信息技术,4.5.1导航功能,三维导航是GPS的首要功能,飞机、船舶、地面车辆以及步行者都可以利用导航接收器进行导航。
例如,如果你拥有一台GPS接收机,你就再也不用为外出可能迷路的问题而烦恼,它可以指出你所在的准确的地理位置。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.5.1导航功能,在航海的应用中,卫星技术用于船舶海上导航最早可以追溯到20世纪60年代的第一代卫星导航系统TRANSIT,这种卫星导航系统最初设计主要服务于极区,不能连续导航,其定位的时间间隔随纬度而变化,主要用于二维导航。
GPS的出现克服了TRANSIT卫星NAVARS系统的局限性,不仅精度高、可连续导航、有很强的抗干扰能力;而且能提供七维的时空位置速度信息。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.5.1导航功能,航空飞行用的GPS可以说是功能最复杂的,它非常详细地提供各机场的详尽资料,广泛应用于地面监视和管理、航路导航飞行试验与测试、飞机着陆等各个方面。
例如,计算机中存储飞行地区地形高度变化的电子地图。
利用GPS接收机即时计算出飞机飞行高度,与电子地图结合就能计算出这架飞机的飞行高度,一旦飞机离一座山太近,计算机将向驾驶员发出警告。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.5.1导航功能,汽车导航系统是在GPS基础上发展起来的一项新型技术。
GPS接收机接收GPS卫星信号(3颗以上),求出车辆所在地理位置的经、纬度坐标,再利用地图匹配技术,将汽车的位置和CD-ROM中存储的道路数据等信息相结合,LCD显示器就可显示汽车在电子地图中的具体位置。
司机驾驶安装了GPS车辆导航系统的汽车,只要通过车前的显示器触摸屏输入需要到达的目的地,显示器上即可出现标有本车位置和行使最佳路线的电子地图。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.5.2交通运输功能,1车辆跟踪车辆跟踪监控系统是集GPS、GIS和现代通信技术于一身的高科技系统。
其主要功能是对移动车辆进行实时动态跟踪,利用无线通信设备将目标的位置和其他信息传送至主控中心,在主控中心进行地图匹配后显示在监视器上。
利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置,并跟随目标移动,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。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.5.2交通运输功能,2信息查询GPS的信息查询功能为用户提供主要物标,如道路的准确位置、沿路设施、旅游景点、宾馆等数据库,用户能够在电子地图上根据需要进行查询。
通过查询可实时地从电子地图上直观地了解运输车辆所处的地理位置,以及经度、纬度、速度等数据,还可以查询到行车的路线、时间、里程等信息。
系统可自动将车辆发送的数据与预设的数据进行比较,对发生的较大偏差进行报告,从而使后方管理人员轻松准确地掌握公司的运输作业。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.5.2交通运输功能,3话务指挥监控中心可监视车辆的运行状况,对系统内的所有车辆进行动态调度管理,通过实施车辆调度,可提高车辆的实载率,有效地减少车辆的空驶率,从而降低运输成本,提高运输效率。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.5.2交通运输功能,4紧急援助及事故处理通过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,并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。
2024/1/14,现代物流信息技术,4.5.3定位测量,GPS是当今世界上精度最高的一种卫星的无线电定位测量系统,可以全天侯在全球范围内为固定目标和移动目标连续提供高精度的位置定位信息。
有些高度精确的GPS接收系统可以即时得到公分级的测量精度。
因此GPS技术在土地测绘、建筑测量、工程测绘等领域有广泛的应用前景。
同样,GPS技术也应用于特大桥梁、隧道的控制测量中,如在江阴长江大桥的建设中,首先用常规方法建立了高精度边角网,然后利用GPS对该网进行检测,GPS检测网达到了毫米级精度,由于速度快、精度高,因此具有明显的经济和社会效益。
返回,2024/1/14,现代物流信息技术,4.5.4GPS的其他应用,GPS除了用于导航、交通运输、定位测量之外,其空间卫星上载有的精确时钟还可以发布时间和频率信息。
应用该功能可进行精确时间或频率控制,为许多工程实验服务。
此外,据国外资料显示,利用GPS还可获得气象数据,为生产和生活提供方便。
2024/1/14,现代物流决策技术,本章总结,全球卫星定位系统是由美国国防部开发的一个基于卫星的无线导航系统。
GPS系统由GPS卫星星座(空间部分)、地面监控系统(地面监控部分)和GPS信号接收机(用户设备部分)组成,它能对静态、动态对象进行动态空间信息的获取,快速、精度均匀、不受天气和时间限制地反馈空间信息。
2024/1/14,现代物流决策技术,本章总结,GPS定位采用空间被动式测量原理,即卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息,用户接收到这些信息后,经过计算求出接收机的三维位置、三维方向以及运动速度和时间信息。
在现代物流管理中,GPS广泛应用于导航、交通运输、定位测量等方面,提高了物流管理的效率。
2024/1/14,现代物流决策技术,思考题,
(1)为保证全球均匀覆盖的要求,GPS卫星星座是如何分布的?
(2)三种GPS定位方式各有哪些优缺点?
(3)如何将GPS运用于物流业以提高管理效率?
请结合实际分析。
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