全球定位系統(tǒng)原理與應(yīng)用

1、 GPS (Global Positioning System) 全球定位系統(tǒng)（全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System GPS）是一種定時 和測距的空間交會定 點(diǎn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，可以 向全球用戶提供連續(xù)、 實時、高精度的三維 位置、三維速度和時 間信息。 GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn) 定位精度高定位精度高 觀測時間短觀測時間短 測站間無需通視測站間無需通視 全球性連續(xù)覆蓋，全天候工作全球性連續(xù)覆蓋，全天候工作 可提供三維坐標(biāo)可提供三維坐標(biāo) 操作簡便操作簡便 功能多，用途廣功能多，用途廣 GPS定位系統(tǒng)的組成 GPS定位技術(shù)是利用高空中的GPS衛(wèi)星，向 地面發(fā)射L波段的載頻無

2、線電測距信號，由 地面上用戶接收機(jī)實時地連續(xù)接收，并計 算出接收機(jī)天線所在的位置。因此，GPS定 位系統(tǒng)是由以下三個部分組成： （1）GPS衛(wèi)星星座（空間部分） （2）地面監(jiān)控系統(tǒng)（地面控制部分） （3）GPS信號接收機(jī)（用戶設(shè)備部分）。 GPS定位系統(tǒng)的組成 這三部分有這三部分有 各自獨(dú)立的功各自獨(dú)立的功 能和作用，對能和作用，對 于整個全球定于整個全球定 位系統(tǒng)來說，位系統(tǒng)來說， 它們都是不可它們都是不可 缺少的。缺少的。 GPS衛(wèi)星星座組成衛(wèi)星星座組成 共共24顆衛(wèi)星，其中顆衛(wèi)星，其中3顆備用，分布在顆備用，分布在6個軌道面上。個軌道面上。 軌道面相對地球赤道面的傾角為軌道面相對地球赤道

3、面的傾角為550，各軌道平，各軌道平 面升交點(diǎn)赤經(jīng)相差面升交點(diǎn)赤經(jīng)相差600，相鄰軌道上衛(wèi)星的升交，相鄰軌道上衛(wèi)星的升交 距角相差距角相差300。軌道平均高度約。軌道平均高度約20200km，運(yùn)行，運(yùn)行 周期周期11h58m。 因此，同一測站上每天出現(xiàn)衛(wèi)星分布圖形相同，因此，同一測站上每天出現(xiàn)衛(wèi)星分布圖形相同， 只是每天提前約只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5小時小時 在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目， 隨時間地點(diǎn)而異，最少隨時間地點(diǎn)而異，最少4顆，最多達(dá)顆，最多達(dá)11顆。顆。 GPS衛(wèi)星星座組成衛(wèi)星星座組成 G

4、PS系統(tǒng)的空間部分系統(tǒng)的空間部分 由由GPS衛(wèi)星組成，稱衛(wèi)星組成，稱 為衛(wèi)星星座。為衛(wèi)星星座。 衛(wèi)星星座的分布設(shè)置衛(wèi)星星座的分布設(shè)置 要保證地球上任何地要保證地球上任何地 點(diǎn)，任何時刻至少可點(diǎn)，任何時刻至少可 以同時觀測到四顆衛(wèi)以同時觀測到四顆衛(wèi) 星。星。 GPS地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分 GPS的地面監(jiān)控部分由分布在全球的的地面監(jiān)控部分由分布在全球的5個地面站個地面站 組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站（組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測站（5個）、主控站（個）、主控站（1 個）和注入站（個）和注入站（3個）個） 1、 監(jiān)測站：是主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動采監(jiān)測站：是主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動采 集中心。站內(nèi)設(shè)有雙

5、頻集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子接收機(jī)、高精度原子 鐘、計算機(jī)鐘、計算機(jī)1臺和若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。觀測臺和若干臺環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。觀測 資料由計算機(jī)進(jìn)行初步處理，存儲并傳輸?shù)街骺刭Y料由計算機(jī)進(jìn)行初步處理，存儲并傳輸?shù)街骺?站，以確定衛(wèi)星軌道。衛(wèi)星。站，以確定衛(wèi)星軌道。衛(wèi)星。 GPS地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分 2、 主控站主控站 除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務(wù)：除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)外，主要任務(wù)： 1）根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的觀測資料，推算編）根據(jù)本站和其它監(jiān)測站的觀測資料，推算編 制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣修正參數(shù)，并 將數(shù)據(jù)傳送

6、到注入站。將數(shù)據(jù)傳送到注入站。 2）提供全球定位系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)。各監(jiān)測站和）提供全球定位系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)。各監(jiān)測站和 GPS衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，衛(wèi)星的原子鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步， 測出其間的鐘差，將鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送測出其間的鐘差，將鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送 入注入站。入注入站。 3）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行。）調(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定軌道運(yùn)行。 4）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。）啟用備用衛(wèi)星代替失效工作衛(wèi)星。 GPS地面監(jiān)控部分地面監(jiān)控部分 3、注入站：、注入站： 主要設(shè)備為主要設(shè)備為1臺直徑臺直徑3.6m的天線、的天線、1臺臺c波段發(fā)射波

7、段發(fā)射 機(jī)和機(jī)和1臺計算機(jī)。主要任務(wù)是在主控站的控制下，臺計算機(jī)。主要任務(wù)是在主控站的控制下， 將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電 文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲系 統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。統(tǒng)，并監(jiān)測注入信息的正確性。 整個整個GPS系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無系統(tǒng)的地面監(jiān)控部分，除主控站外均無 人值守。各站間用現(xiàn)代化通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，在原子人值守。各站間用現(xiàn)代化通訊網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，在原子 鐘和計算機(jī)的驅(qū)動和控制下，實現(xiàn)高度的自動化鐘和計算機(jī)的驅(qū)動和控制下，實現(xiàn)高度的自動化 標(biāo)準(zhǔn)化。標(biāo)準(zhǔn)化。

8、GPS地面控制部分的作用地面控制部分的作用 負(fù)責(zé)監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作：負(fù)責(zé)監(jiān)控全球定位系統(tǒng)的工作： 監(jiān)測衛(wèi)星是否正常工作，是否沿預(yù)定的軌監(jiān)測衛(wèi)星是否正常工作，是否沿預(yù)定的軌 道運(yùn)行道運(yùn)行 跟蹤計算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星，跟蹤計算衛(wèi)星的軌道參數(shù)并發(fā)送給衛(wèi)星， 由衛(wèi)星通過導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶由衛(wèi)星通過導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶 保持各顆衛(wèi)星的時間同步保持各顆衛(wèi)星的時間同步 必要時對衛(wèi)星進(jìn)行調(diào)度必要時對衛(wèi)星進(jìn)行調(diào)度 GPS用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分 用戶部分組成用戶部分組成 GPS信號接收機(jī)及相關(guān)設(shè)備信號接收機(jī)及相關(guān)設(shè)備 GPS接收機(jī)接收機(jī) 接收、跟蹤、變換和測量接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的無線電設(shè)

9、備信號的無線電設(shè)備 GPS接收機(jī)的組成接收機(jī)的組成 天線、接收機(jī)、處理器、控制顯示單元、電源天線、接收機(jī)、處理器、控制顯示單元、電源 GPS接收機(jī)的作用接收機(jī)的作用 接收接收GPS衛(wèi)星發(fā)射衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號，以獲得必要的的無線電信號，以獲得必要的 定位信息和觀測量，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而完成定位定位信息和觀測量，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理而完成定位 工作工作 GPS接收機(jī)接收機(jī) GPS接收機(jī)接收機(jī) GPS應(yīng)用領(lǐng)域 1. 飛機(jī)、汽車、船舶航路引導(dǎo) 2. 地面車輛跟蹤和城市智能交通管理 3. 個人旅游及野外探險 4. 個人通訊終端 ( 與手機(jī)， PDA ，電子地 圖等集成一體 ) 5.農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用（精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)） G

10、PS在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用 GPS系統(tǒng)在精確農(nóng)業(yè)實施過程中異常重 要，它一方面將農(nóng)田各種信息給予精確定 位，輸入GIS；另一方面也是農(nóng)機(jī)作業(yè)軌跡 的依據(jù)。 農(nóng)場基本格網(wǎng)定標(biāo) 為了給農(nóng)田信息定位， 必要在農(nóng)場范圍內(nèi)進(jìn)行GPS定點(diǎn), 測得高精 度的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 什么是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)？ 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是近年來國際上農(nóng)業(yè)科學(xué)領(lǐng)域的熱 點(diǎn)領(lǐng)域。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的含義是按照田間第一操作單 元的具體條件, 精細(xì)準(zhǔn)確地調(diào)整各項土壤和作物管 理措施, 最大限度地優(yōu)化使用各項農(nóng)業(yè)投入, 以獲 取最高產(chǎn)量和最大經(jīng)濟(jì)效益, 同時保護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán) 境, 保護(hù)土地等農(nóng)業(yè)自然資源。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是在傳統(tǒng) 農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備基礎(chǔ)上, 將現(xiàn)有農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施 與新

11、近發(fā)展的高新技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來, 運(yùn)用高新 技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理,其核心技術(shù)是地理信息系 統(tǒng)( GIS) 、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)( GPS) 、遙感技術(shù) ( RS) 和計算機(jī)自動控制系統(tǒng)。 GPS 在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 (1) 在制作農(nóng)田電子地圖中的應(yīng)用在制作農(nóng)田電子地圖中的應(yīng)用 制作農(nóng)田電子地圖是使用精度農(nóng)業(yè)技術(shù)的農(nóng) 民首先必須做的工作。農(nóng)民帶著GPS接收設(shè)備, 繞農(nóng)田行走一周以獲得農(nóng)田邊界位置數(shù)據(jù), 由于地 形對土壤養(yǎng)分分布、作物生長、機(jī)器作業(yè)和水土 流失等有著直接影響, 因此常常要獲取農(nóng)田地形參 數(shù)( 經(jīng)度、緯度與高程) 。根據(jù)記錄的農(nóng)田邊界和 地形等數(shù)據(jù), 使用相應(yīng)的軟件, 便可生成農(nóng)田電子

12、 地圖。 (2) 在土壤采樣與養(yǎng)分分析中的應(yīng)用在土壤采樣與養(yǎng)分分析中的應(yīng)用 土壤采樣是目前獲取田間狀態(tài)信息的主要手段, 是土壤養(yǎng)分分布研究和變量施肥決策的前提。土壤 采樣時, 將土壤探針安裝在采樣車上, 并通過采樣 車的液壓系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)控制。采樣車上配備衛(wèi)星定 位系統(tǒng)與農(nóng)田電子地圖, 駕駛員按采樣路線行駛, 在需要采樣的地方停下來, 操縱液壓系統(tǒng), 進(jìn)行土 壤采樣和包裝, 并記錄采樣點(diǎn)的位置坐標(biāo)。所獲取 的土壤樣本在實驗室經(jīng)過化學(xué)分析, 制作相應(yīng)的土 壤養(yǎng)分分布圖。GPS 在土壤采樣導(dǎo)航和定位中的應(yīng) 用, 為采樣點(diǎn)提供亞米級的定位精度。 (3) (3) 在變量播種中的應(yīng)用在變量播種中的應(yīng)用 土

13、壤類型、養(yǎng)分、墑情和地形在田間 分布存在差異, 為了達(dá)到整塊農(nóng)田出苗整齊、 茁壯生長的目的, 需要在行進(jìn)間, 根據(jù)播種 處方圖隨時調(diào)整下種量和播種深度。播種 機(jī)的位置信息由衛(wèi)星接收機(jī)獲取后, 被傳輸 至移動處理器, 處理器讀取播種處方圖信息, 通過液壓系統(tǒng)控制播種機(jī)的下種量和播種 深度, 實現(xiàn)行進(jìn)間變量播種作業(yè)。 (4) (4) 在變量施肥中的應(yīng)用。在變量施肥中的應(yīng)用。變量施肥是精準(zhǔn) 農(nóng)業(yè)重要的技術(shù)體系之一, 土壤養(yǎng)分存在明顯的變 異是變量施肥研究的出發(fā)點(diǎn)和依據(jù)。變量施肥技 術(shù)主要有基于電子傳感器和基于電子地圖的兩種 技術(shù)類型。前者不需要GPS 接收裝置,但是由于 實時獲取和分析土壤養(yǎng)分的配套

14、技術(shù)尚不成熟, 應(yīng) 用較少; 后者事先把田間各小區(qū)所需肥料的比率及 單位面積施用量存入計算機(jī), 機(jī)器在田間行駛時, 根據(jù)GPS 接收到的位置信息實時讀取施肥處方圖 信息, 通過變量控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)施肥量, 機(jī)載計算機(jī) 可以顯示農(nóng)田電子地圖, 以及機(jī)器前進(jìn)速度和單位 面積實際施肥量等參數(shù)。 動態(tài)動態(tài)GPSGPS定位定位 動態(tài)GPS定位的主要作用為： （1）指揮農(nóng)機(jī)行走。根據(jù)GIS提供的場區(qū)電子地圖 經(jīng)緯度范圍（也可用坐標(biāo)表示），利用農(nóng)機(jī)上的 GPS天線，每0.5秒接收一組GPS定位數(shù)據(jù)，通過 軟件，將自行農(nóng)機(jī)實際行動軌跡顯示在電子地圖 上，使其在場區(qū)范圍內(nèi)自由行走。若電子地圖上 設(shè)計有行走路線，則按設(shè)計的軌跡行走。該項工 作的難點(diǎn)在于GPS與GIS接口調(diào)試及GVG軟件的 開發(fā)。 （2）指揮農(nóng)機(jī)作業(yè)。依據(jù)農(nóng)業(yè)信息采集系 統(tǒng)和專家系統(tǒng)提供的農(nóng)機(jī)作業(yè)路線及變更 作業(yè)方式的空間位置（給定X、Y值內(nèi)）， 使農(nóng)機(jī)自動完成耕地、播種、施肥、中耕、 滅蟲、灌溉、收割等工作，包括耕地深度、 施肥量、灌溉量的控制等。除GPS和農(nóng)機(jī) 具等硬設(shè)備外，還包括GPS與自行