淺析貴州GPS測量儀器定位系統(tǒng)及其在智慧冷鏈(liàn)中的應用

GPS全球定位系統（ Global Positioning System - GPS ）是美國從(cóng)本世紀 70 年代開始研制，曆時 20 年，耗資200億美元，於(yú)1994 年全面建成，具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。

 一、 GPS 的發(fā)展 

貴州GPS測(cè)量儀器實施計劃共分三個(gè)階段： 

第一階段（從(cóng) 1973 年到 1979 年）爲方案論證和初步設計階段。共發射瞭(le) 4 顆試驗衛星。研制瞭(le)地面接收機及建立地面跟蹤網。 

第二階段（從(cóng) 1979年到 1984 年）爲全面研制和試驗階段。陸續發射瞭(le) 7 顆試驗衛星，研制瞭(le)各種用途接收機。實驗表明， GPS 定位精度遠遠超過設計标準。 

第三階段（1989年至今）爲實用組網階段。 1989 年 2 月 4 日第一顆 GPS 工作衛星發(fā)射成功，表明 GPS 系統進入工程建設階段。 1993年底實用的 GPS 網即（ 21+3 ） GPS 星座已經建成，今後(hòu)将根據計劃更換失效的衛星。 

全球定位系統具有性能好、精度高
、應用廣的特點，是迄今最好的導航定位系統。随著(zhe)全球定位系統的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領域正在不斷地開拓， 目前已遍及國民經濟各種部門，並(bìng)開始逐步深入人們的日常生活。經近 10 年我國測繪等部門的使用表明， GPS 以全天候、高精度、 自動化、高效益等顯著特點，赢得廣大測繪工作者的信賴，並(bìng)成功地應用於大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領域帶來一場深刻的技術革命。 

二、 GPS 基本原理

全球定位系統屬於美國第二代衛星導航系統。是在子午儀衛星導航系統的基礎上發展起來的，它採納瞭(le)子午儀系統的成功經驗。和子午儀系統一樣，全球定位系統由空間部分、地面監控部分和用戶接收機三大部分組成。該系統的空間部分使用 24 顆高度約 2.02 萬千米的衛星組成衛星星座。 21+3 顆衛星均爲近圓形軌道，運行周期約爲 11 小時 58 分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角爲 55 度。衛星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛星，並(bìng)能保持良好定位解算精度的幾何圖形（ DOP ），這就提供瞭(le)在時間上連續的全球導航能力。GPS可以爲地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時間标準。GPS系統由美國國防部研制和維護，可滿足位於全球任何地方或近地空間的軍事用戶連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。

GPS 衛星已發展至 Block II 型式的定位衛星， 由 Rockwell International 制造，在軌道上重量約 1,900 磅，太陽能接收闆長(zhǎng)度約 17 呎，於(yú) 1994 年完成第 24 顆衛星的發射。因此目前太空中有 24 顆 GPS 衛星可供定位運用，繞行地球一周需 12 恒星時，每日可繞行地球 2 周，這也就是說，不論任何時間，任何地點，至少有 4 顆以上的衛星出現在我們的上空
。

目前全球有五個地面衛星監控站，分布於(yú)夏威夷、亞森欣島、迪亞哥加西亞、瓜加林島、科羅拉多泉，這些衛星地面控制站，同時監控 GPS 衛星的運作狀态及它們在太空中的精確(què)位置，主地面控制站更負責傳送衛星瞬時常數(Ephemera's Constant) 及時脈偏差 (Clock Offsets) 的修正量，再由衛星将這些修正量提供給 GPS 接收器做爲定位運用。

GPS由三個(gè)獨(dú)立部分組成：

空間(jiān)部分：21顆工作衛星，3顆備(bèi)用衛星。

地面支撐(chēng)系統：1個主控站，3個注入站，5個監測(cè)站。

用戶設備(bèi)部分：接收GPS衛星發射信号，以獲得必要的導航和定位信息，經數據處(chù)理，完成導航和定位工作。GPS接收機硬件一般由主機、天線和電源組成。

GPS定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作爲已知的起算數據，採(cǎi)用空間距離後方交會的方法，確(què)定待測點的位置。假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信号到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛星星曆等其它數據可以確(què)定以下四個方程式：

上述四個方程式中待測(cè)點坐标x、y、z和Vto爲未知參(cān)數，其中di=

c△ti(i=1、2、3、4)。

di(i=1、2、3、4)分别爲衛星1、衛星2、衛星3、衛星4到接收機(jī)之間(jiān)的距離。

△ti(i=1、2、3、4)分别爲衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的信号到達(dá)接收機(jī)所經曆的時間。

c爲(wèi)GPS信号的傳(chuán)播速度（即光速）。

四個(gè)方程式中各個(gè)參(cān)數意義如下：

x、y、z爲待測(cè)點(diǎn)坐标的空間直角坐标
。

xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分别爲衛星1、衛星2、衛星3、衛星4在t時(shí)刻的空間(jiān)直角坐标，

可由衛星導航電文求得。

Vti(i=1、2、3、4)分别爲(wèi)衛星1、衛星2、衛星3、衛星4的衛星鍾的鍾差，由衛星星曆(lì)提供。

Vto爲接收機的鍾差。

由以上四個方程即可解算出待測(cè)點(diǎn)的坐标x、y、z和接收機的鍾差Vto。

目前GPS系統提供的定位精度是優於(yú)10米，而爲得到更高的定位精度，通常採用差分GPS技術。差分GPS分爲兩大類：僞距差分和載波相位差分。差分GPS基本原理：将一台GPS接收機安置在基準站上進行觀測。根據基準站已知精密坐标，計算出基準站到衛星的距離改正數，並(bìng)由基準站實時将這一數據發送出去。用戶接收機在進行GPS觀測的同時，也接收到基準站發出的改正數，並(bìng)對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。

三、貴(guì)州GPS測(cè)量儀器在智慧冷鏈中的應用

智慧冷鏈物聯網管理系統把冷鏈車監控、冷鏈三輪車監控、冷鏈倉(cāng)庫監控、冷櫃監控與位置服務完整融合起來，可以實時監控對象（冷鏈車、冷鏈三輪車、冷鏈倉(cāng)庫、冷櫃）的各種數據和位置；並(bìng)且可對移動對象進行路線、門開位置、溫濕度範圍的規劃和設置。

冷鏈物流車(chē)車(chē)載終端内置高精度北鬥和 GPS 雙模定位模塊，同時安裝有振動傳(chuán)感器（判斷車(chē)輛是否在運行）。運輸車(chē)輛的定位精度目前大約在 5-10 米範圍。

可以實時查看智慧物流冷鏈(liàn)系統中各種車(chē)輛的定位信息，效果如下圖所示：

四、 貴(guì)州GPS測(cè)量儀器在智慧城市中的應用展望

智慧城市的目标是實現城市中人與人、人與物、物與物之間更透徹的感知、更泛在的互聯，實現更深層次的信息與資源共享、更高效便捷的個性化服務，在這個“智能+”城市的曆史浪潮中，位置服務無所不在。各種智慧城市中的消費需求、生産需求催生瞭(le)各種具體場景下對定位技術及位置服務的實質性需求，例如：智慧訂餐、智慧出行、智慧物流、ADAS系統、地下管線探測(cè)、兒童及特殊人群的防走失系統、精準農業等。因此，GPS技術融入各種智慧應用場景的産業化前景非常光明，必将創造出巨大的産業價值，推動社會進步。

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