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1、GPS定位原理及监控系统功能简介,兆益科技,位置定位生活,一、GPS系统原理部分,1.GPS解释 GPS全球定位系统（global positioning system)2.卫星定位技术发展及其应用领域 1957年10月,世界上第一颗人造地球卫星发射成功,标志着空间科学技术的发展跨入了一个新时代,随着人造地球卫星的不断发射,利用卫星进行定位测量成为现实,全球定位系统(GPS)是本世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代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、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过
2、20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星 座己布设完成。,2.1、GPS的主要用途,全球定位系统的主要用途：(1)陆地应用，主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、市政规划控制等；(2)海洋应用，包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等；(3)航空航天应用，包括飞机导航、航空遥感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。,3.GPS的特点,3.1 GPS相对于其他导航定位系统的特点 A.功
3、能多,用途广 GPS系统不仅可用于测量,导航,还可用于测速,测时,测速的精度可达到0.1m/s.测时的精度可达几十毫秒.其应用领域不断扩大。B.定位精度高 GPS可为各类用户连续提供动态目标的三维位置,三维速度及时间信息。,GPS实时定位测速与测时精度对照表,C.实时定位 利用全球定位系统进行导航,即可实时确定运动目标的三维位置和速度,由此可实时保障运动载体沿预定航线运行,可选择最佳航线.特别对军事上动态目标的导航,具有十分重要的意义。D.观测站之间无需通视 常规测量中要准确测量两观测点之前的距离，则被测点之间必须保证能通视,而GPS测量则不需观测站之间互相通视，这一优点既可大大减少测量工作的
4、经费和时间，同时也使点位的选择变得更加灵活。,E、全天侯作业 GPS测量工作，可以在任何地点。任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响，它使经典测量理论与方法产生了深刻的变革，另一方面也进一步加强了测量学与其他学科之间想互渗透，从而促进了测绘科学技术的现代化发展。,4GPS系统的组成,GPS系统主要由三大部分组成。即空间星座部分,地面监控部分和用户设备部分。,车载终端(GPRS),空间部分,地面监控部分,4.1、GPS卫星星座,由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。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
5、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，一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。,4.2、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
6、的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。主控站设在美国本土科罗拉多.斯平士的联合空间执行中心CSOC。三个注入站设在印度洋的迭哥加西亚，南大西洋的阿松森岛，南太平洋的卡瓦加兰。,4.3、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、高度；甚至三维速度和时间。,4.4、GPS接收机组成及简单原理,GPS接收机主要由天线单元，主机单元和电源三部组成，天线单元
7、主要是将GPS卫星信号非常微弱的电磁波转化为电流，并对这种信号电流进行放大和变频处理，而接收机单元的主要功能是对经过放大和变频处理的信号电流进行跟踪，处理和测量。,4.5、GPS接收机组成框图,前置放大器,频率变换器,1-12信号波道,标频器,频率合成器,存储器,微处理机,显示器,数控接口,PC机,电源,天线单元,4.6、GPS&GSM框图,电源,显示器,GPS模块,GSM模块,微处理器,输入输出接口,GPS天线,GSM天线,存储器,5、GPS定位原理,1、GPS系统的组成 GPS由三个独立的部分组成:空间部分：21颗工作卫星，3颗备用卫星地面支撑系统：1个主控站，3个注入站，5个监测站。用户
8、设备部分：接收GPS卫星发射信号，以获得必要的导航和定位信息，经数据处理，完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。,2、GPS定位原理 GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，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确定以下四个方程式：,四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由
9、卫星导航电文求得。Vti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差(GPS标准时间与卫星上电子钟面的时间差)，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差（接收机钟差：标准GPS时间与接收机的电子钟面时间差）。上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数，其中di=cti(i=1、2、3、4)。di(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。ti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。c为GPS信号的传播速度（即光速）。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差V
10、to。,目前GPS系统提供的定位精度是优于10米，而为得到更高的定位精度，我们通常采用差分GPS技术：将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标，计算出基准站到卫星的距离改正数，并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时，也接收到基准站发出的改正数，并对其定位结果进行改正，从而提高定位精度。差分GPS分为两大类：伪距差分和载波相位差分。,5.1 伪距差分原理,这是应用最广的一种差分。在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较，得出伪距改正数，将其传输至用户接收机，提高定位精
11、度。这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”。,5.2、载波相位差分原理,载波相位差分技术又称RTK（Real Time Kinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。,6、最常用GPS接收机分类,GPS卫星接收机种类很多 根据型号分为：测地型、全站型、定时型、手持型、集成型。根据用途分为：车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。,7.GPS前景,由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新
12、的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。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20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，而在我国，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。,8、GPS应用,自GPS对民间开放以
13、来，各种产品、应用层出不穷，GPS已经深入国民生产、日常生活的方方面面，主要运用有以下几个方面。,8.1、测量,GPS技术给测绘界带来了一场革命。利用载波相位差分技术（RTK），在实时处理两个观测站的载波相位的基础上，可以达到厘米级的精度。与传统的手工测量手段相比，GPS技术有着巨大的优势：l、测量精度高。2、操作简便，仪器体积小，便于携带。3、全天候操作。4、观测点之间无须通视。5、测量结果统一在WGS84坐标下，信息自动接收、存储，减少繁琐的中间处理环节。当前，GPS技术已广泛应用于大地测量、资源勘查、地壳运动、地籍测量等领域。,8.2、交通,出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS技术
14、对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车或送请求，降低能源消耗，节省运行成本。GPS在车辆导航方面发挥了重要的角色，在城市中建立数字化交通电台，实时发播城市交通信息，车载设备通过GPS进行精确定位，结合电子地图以及实时的交通状况，自动匹配最优路径，并实行车辆的自主导航。民航运输通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。,8.3、救援,利用GPS定位技术，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车辆（如运钞车）等，可对突发事件进
15、行报警、定位，将损失降到最低。有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员实施有效的搜索、拯救。装有GPS装置的渔船，在发生险情时，可及时定位、报警，使之能更快更即使地获得救援。,8.4、农业,当前，发达国家已开始把GPS技术引入农业生产，即所谓的精准农业耕作。该方法利用GPS进行农田信息定位获取，包括产量监测、土样采集等，计算机系统通过对数据的分析处理，决策出农田地块的管理措施，把产量和土壤状态信息装入带有GPS设备的喷施器中，从而精确地给农田地块施肥、喷药。通过实施精准耕作，可在尽量不减产的情况下，降低农业生产成本，有效避免资源浪费，降低因施肥除虫对环境
16、造成的污染。,8.5、娱乐消遣,随着GPS接收机的小型化以及价格的降低，GPS逐渐走进了人们的日常生活，成为人们旅游、探险的好帮手。通过GPS，人们可以在陌生的城市里迅速地找到目的地，并且可以最优的路径行驶；野营者带着GPS接收机，可快捷地找到合适的野营地点，不必担心迷路；甚至一些高档的电子游戏，也使用了GPS仿真技术。,9、GPS如何实现平台监控,10、影响GPS定位不准的因素,1、大气层（电离层和对流层对GPS信号的延迟）2、多径效应（经过其他表面反射到接收机天线中的GPS信号）3、当前可见GPS卫星数量4、当前可见GPS卫星的几何分布5、GPS卫星钟差6、GPS卫星轨道差7、人为干扰，例
17、如SA政策、微波发射装置等8、遮蔽物下（建筑物里，车辆里，隔热纸，金属成份遮蔽）9、液体（如：手、树叶）10、GPS在空矿地才有最好的接收效果。,GPS静态为什么产生漂移,高楼或山峰造成GPS位置漂移的原因,如图所示，3号星被高山阻挡，红线为没有阻挡时的直射线，这时被高山所阻，GPS信号接收不到，此时3号星经过山体反射回来的信号出现在GPS接收机中。根据运算公式，接收机根据其得到1、2、3号星的距离测定自身的位置。我们设想如果没有3号星，运算结果：1、2号星反映的位置仅能定位在一条弧上，如图中桔线所示。而接收到3号星的反射信号在接收机中形成一个错误距离长度，图中蓝色折线的长度。若以这个长度为半
18、径（绿线所示），3号星为圆心，我们可以画出一个球体，这个球体（黄线所示）与桔线相交就是接收机判断出的位置（红星位置），当然这个位置是存在误差的,GPS车辆监控系统基本功能,查询车辆位置操作：单呼可以获得车辆最新位置在车辆定位列表中查询到定位车辆右键获得车辆位置地理信息描述双击定位车辆居中在地图中央查看车辆在地图上的位置在系统设置中开启自动计算位置注意：开启实时位置计算会加大计算负荷,实时监控车辆运行轨迹操作：选择地图上定位车辆可以设置“显示轨迹”和“隐藏轨迹”定位列表详细显示车辆当前运行情况：定位时间、速度、运行方向、车辆位置、车辆状态等。注意：实时定位轨迹数据在地图上只保留200个定位点，超
19、出将消除重画新的定位点。定位列表数据更新是根据预设的时间间隔。,车辆限速和分段限速管理操作：基本限速直接向车辆设置限速值分段根据路段限速值实时更改车辆基本限速（由系统自动判断设置）分段限速在地图上沿路摹画出限速路段并设置路段的限速值和路段名称注意：只采用固定基本限速时只适用于一种限速路段，多种限速路段则选用分段限速设置分段限速与本机监控地图有关，只在本机监控平台上起作用，多台监控时分段限速标准应一至分段限速对地图和车辆要求都很高，地图要精准、车载设备要求实时在线并能即时处理平台下发的更改指令分段限速处理不当会造成车辆误报超速情况，影响企业对车辆超速的管理，一定要慎用此功能,车辆区域管理操作：创
20、建要用于管理的区域将区域发送至要管理的车载注意：当前区域只支持矩形区域创建区域时要注明进入区域名称，进入方向以及区域参照名称（左上右下）设置区域至车载时要根据不同的车载设置，有的一个一个设置，有的要批量设置,图像监控管理操作：对已安装有摄像头的车辆即时抓拍可以监控车辆载客情况设置图像拍照及存储模式可以实时监控或事后查询车内载客情况注意：图像抓拍要确定摄像头编号，选择错误设备将无法拍照,图像传输流量大，设置车载图像拍照模式尽量少用自动回传以免造成通讯卡流量超支回传图像存储于服务器保存期为一年短消息收发管理操作：发送短消息可以按公司、单车和车辆类型分别发送不同内容的短消息短消息分类：调度、政策法规
21、和其他短消息可以将日常用的调度消息预置好以便发送时方便快捷注意：发送短消息内容字数应控制在120个字符内短消息内容尽量用常用字，以便保证车载语音系统能正确播放,单车重点监控管理操作：单选地图中定位车辆可对单车进行重点监控注意：重点监控单车同时可以监控车辆实时回传图片车辆基本档案管理注意：车辆的基本档案除和监控有关的基本资料由中心录入外其余应由公司自行录入管理，不同类型车辆基本资料管理内容不同。驾驶员基本档案管理注意：添加驾驶员时则先确定所驾车辆，驾驶员是与车辆绑定的。保险、二维记录及到期前提醒管理注意：保险、二维到期前提醒时间应必须填写正确，以便系统能自动处理。,旅游合同管理监控日志管理历史轨迹回放及速度曲线分析平台监控用户互通及在线管理数据查询及统计报表车辆档案及驾驶员信息查询历史轨迹查询报警信息查询违章超速明细查询保险、二维记录查询短消息收发查询,车辆在线状况查询不在线车辆查询历史图片查询车辆定位统计报表超速报警报表超速违章报表平台监控用户在线情况报表,出租车专用功能,控制监听管理出租车电招失物查找指定地上下客查询车辆缴费管理车辆发票管理乘客投诉管理驾驶员缴款管理车辆年审管理,谢谢！,
