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第46章 导航定位技术与地理信息系统(3)

北斗卫星导航系统的发展目标是对全球提供无源定位,与全球定位系统相似。在计划中,整个系统将由35颗卫星组成,其中5颗是静止轨道卫星,以与使用静止轨道卫星的北斗卫星导航试验系统兼容。目前已成功发射的4颗北斗导航试验卫星和16颗北斗导航卫星(其中,北斗-1A已经结束任务),将在系统组网和试验基础上,逐步扩展为全球卫星导航系统。该系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务并兼具短报文通信能力。中国以后生产定位服务设备的生产商,都将会提供对GPS和北斗系统的支持,这将会提高定位的精确度。而北斗系统特有的短报文服务功能将收费,这个功能的实用性还有待观察。

2012年12月27日起,北斗系统在继续保留北斗卫星导航试验系统有源定位、双向授时和短报文通信服务基础上,向亚太大部分地区正式提供连续无源定位、导航、授时等服务;民用服务与GPS一样免费,其定位原理与GPS/GLONASS/GALILEO相同,为无线电伪距定位,定位精度10米,测速精度0.2米/秒,授时精度10纳秒。

北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成。空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO卫星导航系统兼容的终端组成。

(三)建设计划与目标

1.建设计划

我国结合国情,科学、合理地提出并制订自主研制实施“北斗”卫星导航系统建设的“三步走”规划:第一步是试验阶段,即用少量卫星利用地球同步静止轨道来完成试验任务,为“北斗”卫星导航系统建设积累技术经验、培养人才,研制一些地面应用基础设施设备等;第二步是到2012年,计划发射10多颗卫星,建成覆盖亚太区域的“北斗”卫星导航定位系统(即“北斗二号区域系统”);第三步是到2020年,建成由5颗地球静止轨道和30颗地球非静止轨道卫星组网而成的全球卫星导航系统。

2.建设目标

中国作为发展中国家,拥有广阔的领土和海域,高度重视卫星导航系统的建设,努力探索和发展拥有自主知识产权的卫星导航定位系统。2000年以来,中国已成功发射了4颗“北斗导航试验卫星”,建成北斗导航试验系统(第一代系统)。这个系统具备在中国及其周边地区范围内的定位、授时、报文和GPS广域差分功能,并已在测绘、电信、水利、交通运输、渔业、勘探、森林防火和国家安全等诸多领域逐步发挥着重要作用。

中国正在建设的北斗卫星导航系统空间段由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成,提供两种服务方式,即开放服务和授权服务(属于第二代系统)。授时精度为10纳秒,测速精度0.2米/秒。

我国正在实施北斗卫星导航系统建设,已成功发射16颗北斗导航卫星。根据系统建设总体规划,2020年左右,建成覆盖全球的北斗卫星导航系统。

五、导航定位系统在物流管理中的应用

1.用于车辆定位、跟踪调度、线路规划

车辆导航将成为未来全球卫星定位系统应用的主要领域之一,利用GPS和电子地图可实时显示出车辆的实际位置,对配送车辆和货物进行有效的跟踪,指挥中心可监测区域内车辆的运行状况,对被测车辆进行合理调度,还可随时与被跟踪目标通话,实行远程管理。路线的规划分自动和手动两种,自动路线规划是由驾驶员确定起点和终点,由计算机软件按照要求自动设计最佳行驶路线,包括最快的路线、最短的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等;手工路线规划是驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等,自己建立路线库。路线规划完毕后,系统能够在电子地图上设计路线,同时显示车辆运行途径和方向。

2.用于铁路运输管理

我国铁路系统开发的基于GPS的计算机管理信息系统,可以通过GPS和计算机网络实时收集全路列车、机车、车辆、集装箱及所运货物的动态信息,可实现列车、货物跟踪管理。只要知道货车的车种、车型、车号,就可以立即从近100000千米的铁路网上流动着的几十万辆货车中找到该货车,还能得知这辆货车在何处运行或停在何处以及所有的车载货物发货信息。铁路部门运用这项技术可极大地提高路网及运营的透明度,为货主提供更高质量的服务。

3.用于船队最佳航程和安全航线的测定、航向的实时调度、监测

远洋运输船舶利用GPS导航,可以提高运输能力和效率;在内河运输中可利用GPS来改善航运条件,如三峡工程就利用GPS来对船队进行导航。

4.用于空中交通管理、精密进场着陆、航路导航和监视

GPS的精度远优于现有任何航路用导航系统,这种精度的提高和连续性服务的改善有助于有效利用空域,实现最佳的空域划分和管理、空中交通流量管理以及飞行路径管理,为空中运输服务开辟广阔的应用前景,同时降低营运成本,保证空中交通管理制的灵活性。GPS的全球、全天候、无误差积累的特点,更是中、远航线上最好的导航系统。国际民航组织提出,在21世纪将用未来导航系统FANS(Future Air Navigation System)取代现行航行系统,它是一个以卫星系统实现飞机导航的系统。

5.用于信息查询和紧急救援

在电子地图上根据需要进行查询,将被查询目标的位置在电子地图上显示出来,指挥中心可利用监测控制台对区域内任何目标的所在位置进行查询,车辆信息以数字形式在控制中心的电子地图上显示。通过GPS定位和监控管理系统对遇有险情或发生事故的配送车辆进行紧急援助,监控台的电子地图可显示求助信息和报警目标,规划出最优援助方案,通过声、光警示值班员实施紧急处理。

6.用于军事物流

全球卫星定位系统首先是为军事目的而建立的。在军事物流中,如后勤装备的保障等方面,应用相当普遍,尤其是在美国,其在世界各地驻扎的大量军队,无论是在战时还是在平时,都对后勤补给提出很高的需求,在战争中,如果不依赖GPS,美军的后勤补给就会变得一团糟。在2003年的伊拉克战争中,美军依靠GPS和其他顶尖技术,以强有力的、可见的后勤保障,为取得战争的快速胜利提供了坚实的基础。目前,我国军事部门也在运用我国自主研发的北斗卫星导航系统。

六、网络GPS

从第一颗试验卫星于1978年2月发射以来,GPS定位系统已经有三十多年的发展历程。随着互联网的蓬勃发展,GPS也进入了网络时代。GPS、GIS、GSM等各项先进技术的强强联合造就了现在的网络GPS,它的出现将大大促进物流产业的发展。

网络GPS解决了原来使用GPS所无法克服的障碍:首先,其可降低投资费用。网络GPS免除了物流运输公司自身设置监控中心的大量费用,不仅包括各种硬件配置,还包括各种管理软件。其次,网络GPS一方面利用互联网实现无地域限制的跟踪信息显示,另一方面,又可通过设置不同权限做到信息的保密。

1.网络GPS的概念和特点

网络GPS就是指在互联网上建立起来的一个公共GPS监控平台,它同时融合了卫星定位技术、GSM数字移动通信技术以及国际互联网技术等多种先进的科技成果。网络GPS综合了Internet与GPS的优势与特色,取长补短。概括起来,网络GPS具有如下特点:

(1)功能多、精度高、覆盖面广,在全球任何位置均可进行车辆的位置监控工作,充分保障网络GPS所有用户的要求都能够得到满足。

(2)定位速度快,有力地保障了物流运输企业能够在业务运作上提高反应速度,降低车辆空驶率,降低运作成本,满足客户需要。

(3)信息传输采用GSM公用数字移动通信网,具有保密性高、系统容量大、抗干扰能力强、漫游性能好、移动业务数据可靠等优点。

(4)构筑在国际互联网上,具有开放度高、资源共享程度高等优点。

2.网络GPS的工作流程

车载单元即GPS接收机在接收到GPS卫星定位数据后,自动计算出自身所处的地理位置的坐标后经GSM通信机发送到GSM公用数字移动通信网,并通过与物流信息系统连接的DDN专线将数据送到物流信息系统监控平台上,中心处理器将收到的坐标数据及其他数据还原后,与GIS系统的电子地图相匹配,并在电子地图上直观地显示车辆实时坐标的准确位置。各网络GPS用户可用自己的权限上网进行自有车辆信息的收发、查询等工作,在电子地图上清楚而直观地掌握车辆的动态信息(位置、状态、行驶速度等)。同时还可以在车辆遇险或出现意外事故时进行各种必要的遥控操作。

3.网络GPS对物流产业所起的作用

(1)实时监控功能。在任意时刻通过发出指令查询运输工具所在的地理位置(经度、纬度、速度等信息)并在电子地图上直观地显示出来。

(2)双向通讯功能。网络GPS的用户可使用GSM的语音功能与司机进行通话或使用本系统安装在运输工具上的移动设备的汉字液晶显示终端进行汉字消息收发对话。驾驶员通过按下相应的服务、动作键,将该信息反馈到网络GPS,质量监督员可在网络GPS工作站的显示屏上确认其工作的正确性,了解并控制整个运输作业的准确性(发车时间、到货时间、卸货时间、返回时间等)。

(3)动态调度功能。调度人员能在任意时刻通过调度中心发出文字调度指令,并得到确认信息。可进行运输工具待命计划管理,操作人员通过在途信息的反馈,运输工具在返回车队前即做好待命计划,可提前下达运输任务,减少等待时间,加快运输工具周转速度。

(4)车辆管理功能。将运输工具的运能信息、维修记录信息、车辆运行状况登记信息、司机人员信息、运输工具的在途信息等到多种信息提供调度部门决策,以提高车辆利用率,尽量减少空车时间和空车距离,充分利用运输工具的运能。

(5)数据存储、分析功能。实现路线规划及路线优化,事先规划车辆的运行路线、运行区域,何时应该到达什么地方等,并将该信息记录在数据库中,以备以后查询、分析使用;汇报运输工具的运行状态,了解运输工具是否需要较大的修理,预先做好修理计划,计算运输工具平均无差错时间,动态衡量该型号车辆的性能价格比。

(6)服务质量跟踪。在中心设立服务器记录车辆的相关信息(运行状况,在途信息,运能信息,位置信息等用户关心的信息),让有该权限的用户能在网上进行查询。同时还可对客户所需的位置信息用相对应的地图传送过去,并将运输工具的历史轨迹印在上面,使该信息更加形象化。

第二节全球移动通信系统定位

移动通信定位技术(无线定位技术)是通过对接收到的无线电波的某些参数进行测量,根据特定的算法来判断被测物体的位置。测量参数一般包括信号的传输时间、幅度、相位和到达角等。定位精度主要取决于测量的方法。

移动通信定位过程是通过全球移动通信系统(Global System for Mobile Communication,GSM)获取移动用户的位置信息(经纬度),然后提供相应服务的一种增值业务。由于其在紧急救援、亲友定位、汽车导航、智能交通、团队管理等方面的出色表现,近几年发展非常快。

GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统。 基站子系统(简称基站BS)由基站收发台(BTS)和基站控制器(BSC)组成;网络子系统由移动交换中心(MSC)和操作维护中心(OMC)以及原地位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)和设备标志寄存器(EIR)等组成。

一、GSM定位原理

根据移动定位的基本原理,目前技术上实现移动定位的方案可以划分为三大类:基于移动网络的技术方案、基于移动终端的技术方案以及两者的结合方案。

1.基于网络的定位技术

(1)起源蜂窝(Cell Of Origin,COO)定位技术。

COO定位技术即基于Cell-ID的定位技术,就是根据移动台所处的小区标识号ID来确定用户的位置。移动台在当前小区注册后,在系统的数据库中就会有相对应的小区ID号。只要系统能够把该小区基站设置的中心位置(在当地地图中的位置)和小区的覆盖半径广播给小区范围内的所有移动台,这些移动台就能知道自己处在什么地方,查询数据库即可获取位置信息。该定位方案的优点是无需对网络和手机进行修改,响应时间短。但它的定位精度取决于小区的半径,定位精度低。

(2)抵达时间(Time Of Arrival,TOA)定位技术。

它是基于测量信号从移动台发送出去并到达消息测量单元(3个或更多基站)的时间来定位。移动台位于以基站为圆心、移动台到基站的电波传播距离为半径的圆上。通过多个基站进行计算,移动台的二维位置坐标可由3个圆的交点确定。

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