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GPS扫盲 [1.GPS概念及原理]

GPS扫盲 [1.GPS概念及原理]

最近大家对GPS很感兴趣,发一些GPS的相关知识







  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。


 

  全球定位系统由三部分构成:(1)地面控制部分,由主控站(负责管理、协调整个地面控制系统的 工作)、地面天线(在主控站的控制下,向卫星注入寻电文)、监测站(数据自动收集中心)和通讯辅助系统(数据传输)组成;(2)空间部分,由24颗卫星组成,分布在6个道平面上;(3)用户装置部分, 主要由GPS接收机和卫星天线组成。



  全球定位系统的主要特点:(1)全天候;(2) 全球覆盖;(3)三维定速定时高精度;(4)快速省时高效率:(5)应用广泛多功能。



  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。



  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。

  经过20余年的实践证明,GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。 GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。



   GPS原理



  24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。



  由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。



  事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。



  由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,以及人为的SA保护政策,使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度,普遍采用差分GPS(DGPS)技术,建立基准站(差分台)进行GPS观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。实验表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。



  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。

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[2.GPS术语]

使用GPS时常碰到的一些术语:



  1.坐标(coordinate)   



有2维、3维两种坐标表示,当GPS能够收到4颗及以上卫星的信号时,它能计算出本地的3微坐标:经度、纬度、高度,若只能收到3颗卫星的信号,它只能计算出2维坐标:精度和纬度,这时它可能还会显示高度数据,但这数据是无效的。大部分GPS不仅能以经/纬度(Lat/Long)的方式,显示坐标,而且还可以用UTM(Universal Transverse Mercator)等坐标系统显示坐标但我们一般还是使用LAT/LONG系统,这主要是由你所使用的地图的坐标系统决定的。坐标的精度在Selective Availability(美国防部为减小GPS精确度而实施的一种措施)打开时,GPS的水平精度在100-50米之间,视接受到卫星信号的多少和强弱而定,若根据GPS的指示,说你已经到达,那么四周看看,应该在大约一个足球场大小的面积内发现你的目标的。



  在SA关闭时(目前是很少见的,但美政府计划将来取消SA),精度能达到15米左右(GPS性能介绍上说的精度都给的是no SA值,唬人的)。高度的精确性由于系统结构的原因,更差些。经纬度的显示方式一般都可以根据自己的爱好选择,一般有"hddd.ddddd","hddd*mm.mmm"","hddd*mm"ss.s"""(其中的“*”代表“度”,以下同)地球子午线长是39940.67公里,纬度改变一度合110.94公里,一分合1.849公里,一秒合30.8米,赤道圈是40075.36公里,北京地区纬在北纬40度左右,纬度圈长为40075*sin(90-40),此地经度一度合276公里,一分合1.42公里一秒合23.69米,你可以选定某个显示方式,并把各位数字改变一对应地面移动多少米记住,这样能在经纬度和实际里程间建立个大概的对应。大部分GPS都有计算两点距离的功能,可给出两个坐标间的精确距离。高度的显示会有英制和公制两种方式,进GPS的SETUP页面,设置成公制,这样在其他象速度、距离等的显示也都会成公制的了。



  2.航点(Landmark or Waypoint)



  GPS内存中保存的一个点的坐标值。在有GPS信号时,你可以存储成一个易认的名字(字母用上下箭头输入),还可以给它选定一个图标。航点是GPS数据核心,它是构成“航线”(见3)的基础。标记航点是GPS主要功能之一,但是你也可以从地图上读出一个地点的坐标,手工或通过计算机接口输入GPS,成为一个航点。一个航点可以将来用于GOTO功能(见5)的目标,也可以选进一条航线Route,(见3)作为一个支点。一般GPS能记录500个或以上的航点。



  3.航线(ROUTE)



  航线是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一条"腿"(leg)。常见GPS能存储20条线路,每条线路30条"腿"。各坐标点可以从现有航点中选择,或是手工/计算机输入数值,输入的路点同时做为一个航点(Waypoint/Landmark)保存。实际上一条航线的所有点都是对某个航点的引用,比如你在航点菜单下改变一个航点的名字或坐标,如果某条航线使用了它,你会发现这条航线也发生了同样的变化。可以有一条航线是"活跃"(Activity)的。“活跃”航线的路点是导向(见5)功能的目标



  4.前进方向(Heading)



  GPS没有指北针的功能,静止不动时它是不知道方向的。但是一旦动了起来,它就能知道自己的运动方向。GPS每隔一秒更新一次当前地点信息,每一点的坐标和上一点的坐标一比较,就可以知道前进的方向,请注意这并不是GPS头指的方向,它老人家是不知道自己的脑袋和运动路线是成多少度角的。不同GPS关于前进方向的算法是不同的,基本上是最近若干秒的前进方向,所以除非你已经走了一段并仍然在走直线,否则前进方向是不准确的,尤其是在拐弯的时候你会看到数值在变个不停。方向的是以多少度显示的,这个度数是手表表盘朝上,12点指向北方,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平均速度,也是根据最近一段的位移和时间计算的。



  5.导向(Bearing)



  导向功能在以下条件下起作用:



  1.)以设定"走向"(GOTO)目标。"走向"目标的设定可以按"GOTO"键,然后从列表中选择一个航点。以后"导向"功能将导向此航点



。   2.)目前有活跃航线(Activity route)。活跃航线一般在设置->航线菜单下设定。如果目前有活动航线,那么"导向"的点是航线中第一个路点,每到达一个路点后,自动指到下一个路点。



  在"导向"页面上部都会标有当前导向路点名称("ROUTE"里的点也是有名称的)。它是根据当前位置,计算出导向目标对你的方向角,以与"前进方向"相同的角度值显示。同时显示离目标的距离等信息。读出导向方向,按此方向前进即可走到目的地。有些GPS把前进方向和导向功能结合起来,只要用GPS的头指向前进方向,就会有一个指针箭头指向前进方向和目标方向的偏角,跟着这个箭头就能找到目标。



  6.日出日落时间(Sun set/raise time)



  大多数GPS能够显示当地的日出、日落时间,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,在山区因为有山脊遮挡,日照时间根据情况要早晚各少半个小时以上。GPS的时间是从卫星信号得到的格林尼制时间,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+8小时,此值只与时间的显示有关。



  7.航迹(Plot trail)



  GPS每秒更新一次坐标信息,所以可以记载自己的运动轨迹。一般GPS能记录1024个以上足迹点,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,比如30秒、一分钟、5分钟或其他时间,每隔这么长时间记一个足迹点。在足迹线页面上可以清楚地看到自己足迹的水平投影。你可以开始记录、停止记录、设置方式或清空足迹线。“足迹”线上的点都没有名字,不能单独引用,查看其坐标,主要用来画路线图(计算机下载路线?)和“回溯”功能。很多GPS有一种叫做“回溯”(Trace back)的功能,使用此功能时,它会把航迹转化为一条“路线”(ROUTE),路点的选择是由GPS内部程序完成的一般是选用航迹上大的转折点。   同时,把此路线激活为活动路线,用户即可按导向功能原路返回。要注意的是回溯功能一般会把回溯路线放进某一默认路线(比如route0)中,看你GPS的说明书,使用前要先检查此线路是否已有数据,若有,要先用拷贝功能复制到另一条空线路中去,以免覆盖。回溯路线上的各路点用系统默认的临时名字如"T001"之类,有的GPS定第二条回溯路线时会重用这些名字,这时即使你已经把旧的路线做了拷贝,由于路点引用的名字被重用了,所以路线也会改变,不是原来那条回溯路线了。请查看你GPS的使用说明书,并试用以明确你的情况。有必要的话,对于需要长期保存的TraceBack路线,要拷贝到空闲路线,并重命名所有路点名字。

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re:相关概念还可以见 夏日秋风 的htt...

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re:比较系统

比较系统

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re:谢谢楼主,收藏并与你的介绍合并了!

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re:哗,太好了楼主~~~

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re:嗯,好

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re:谢谢啦

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re:谢谢了,

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re:收益非浅,支持!

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[转帖]最新的信息技术:数字地球

原理:利用3S系统全球定位系统(GPS)、地理信息系统(GIS)和遥感(RS)

1、空间定位(GPS)技术 GPS作为一种全新的现代定位方法,已逐渐在越来越多的领域取代了常规光学和电子仪器。80年代以来,尤其是90年代以来,GPS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合,在空间定位技术方面引起了革命性的变化。用GPS同时测定三维坐标的方法将测绘定位技术从陆地和近海扩展到整个海洋和外层空间,从静态扩展到动态,从单点定位扩展到局部与广域差分,从事后处理扩展到实时(准实时)定位与导航,绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级,从而大大拓宽它的应用范围和在各行各业中的作用。不久的将来,人人可以戴上GPS手表,加上移动电话,你的活动就可以自动进入数字地球中去。



2、航空航天遥感(RS)技术       当代遥感的发展主要表现在它的多传感器、高分辨率和多时相特征。  1) 多传感器技术。当代遥感技术已能全面覆盖大气窗口的所有部分。光学遥感可包含可见光、近红外和短波红外区域。热红外遥感的波长可从8~14mm,微波遥感观测目标物电磁波的辐射和散射,分被动微波遥感和主动微波遥感,波长范围为1mm~100cm,。  2) 遥感的高分辨率特点。全面体现在空间分辨率、光谱分辨率和温度分辨率三个方面,长线阵CCD成像扫描仪可以达到1~2m的空间分辨率,成像光谱仪的光谱细分可以达到5~6nm的水平。热红外辐射计的温度分辨率可从0.5K提高到0.3K乃至0.1K。  3) 遥感的多时相特征。随着小卫星群计划的推行,可以用多颗小卫星,实现每2~3天对地表重复一次采样,获得高分辨率成像光谱仪数据,多波段、多极化方式的雷达卫星,将能解决阴雨多雾情况下的全天候和全天时对地观测,通过卫星遥感与机载和车载遥感技术的有机结合,是实现多时相遥感数据获取的有力保证。  遥感信息的应用分析已从单一遥感资料向多时相、多数据源的融合与分析,从静态分析向动态监测过渡,从对资源与环境的定性调查向计算机辅助的定量自动制图过渡,从对各种现象的表面描述向软件分析和计量探索过渡。近年来,由于航空遥感具有的快速机动性和高分辨率的显著特点使之成为遥感发展的重要方面。



3、地理信息系统(GIS)技术       随着“数字地球”这一概念的提出和人们对它的认识的不断加深,从二维向多维动态以及网络方向发展是地理信息系统发展的主要方向,也是地理信息系统理论发展和诸多领域的迫切需要如资源、环境、城市等。在技术发展方面,一个发展是基于Client/Server结构,即用户可在其终端上调用在服务器上的数据和程序。另一个发展是通过互联网络发展Internet GIS或Web-GIS,可以实现远程寻找所需要的各种地理空间数据,包括图形和图像,而且可以进行各种地理空间分析,这种发展是通过现代通讯技术使GIS进一步与信息高速公路相接轨。另一个发展方向,则是数据挖掘(Data Mining),从空间数据库中自动发现知识,用来支持遥感解译自动化和GIS空间分析的智能化。



4、“三S”集成技术       “三S”集成是指将上述三种对地观测新技术及其他相关技术有机地集成在一起。这里所说的集成,是英文Integration的中译文,是指一种有机的结合,在线的连接、实时的处理和系统的整体性。GPS、RS、GIS集成的方式可以在不同技术水平上实现。“三S”集成包括空基三S集成与地基三S集成。  空基“三S”集成:用空─地定位模式实现直接对地观测,主要目的是在无地面控制点(或有少量地面控制点)的情况下,实现航空航天遥感信息的直接对地定位、侦察、制导、测量等。  地基“三S”集成:车载、舰载定位导航和对地面目标的定位、跟踪、测量等实时作业。



应用br>


1、数字地球对全球变化与社会可持续发展的作用



全球变化与社会可持续发展已成为当今世界人们关注的重要问题,数字化表示的地球为我们研究这一问题提供了非常有利的条件。在计算机中利用数字地球可以对全球变化的过程、规律、影响以及对策进行各种模拟和仿真,从而提高人类应付全球变化的能力。数字地球可以广泛地应用于对全球气候变化,海平面变化,荒漠化,生态与环境变化,土地利用变化的监测。与此同时,利用数字地球,还可以对社会可持续发展的许多问题进行综合分析与预测,如:自然资源与经济发展,人口增长与社会发展,灾害预测与防御等。  我国是一个人口多,土地资源有限,自然灾害频繁的发展中国家,十几亿人口的吃饭问题一直是致关重要的。经过二十年的高速发展,资源与环境的矛盾越来越突出。九八年的洪灾,黄河断流,耕地减少,荒漠化加剧,已经引起了社会各界的广泛关注。必须采取有效措施,从宏观的角度加强土地资源和水资源的监测和保护,加强自然灾害特别是洪涝灾害的预测、监测和防御,避免第三世界国家和一些发达国家发展过程中走过的弯路。数字地球在这方面可以发挥更大的作用。



2、数字地球对社会经济和生活的影响



数字地球将容纳大量行业部门、企业和私人添加的信息,进行大量数据在空间和时间分布上的研究和分析。例如国家基础设施建设的规划,全国铁路、交通运输的规划,城市发展的规划,海岸带开发,西部开发。从贴近人们的生活看,房地产公司可以将房地产信息链接到数字地球上;旅游公司可以将酒店、旅游景点,包括它们的风景照片和录象放入这个公用的数字地球上;世界著名的博物馆和图书馆可以将其收藏以图像、声音、文字形式放入数字地球中;甚至商店也可以将货架上的商店制作成多媒体或虚拟产品放入数字地球中,让用户任意挑选。另外在相关技术研究和基础设施方面也将会起推动作用。因此,数字地球进程的推进必将对社会经济发展与人民生活产生巨大的影响。



3、数字地球与精细农业



下一世纪农业要走节约化的道路,实现节水农业、优质高产无污染农业。这就要依托数字地球,每隔3~5天给农民送去他们的庄稼地的高分辨率卫星影像,农民在计算机网络终端上可以从影像图中获得他的农田的长势征兆,通过GIS作分析,制定出行动计划,然后在车载GPS和电子地图指引下,实施农田作业,及时地预防病虫害,把杀虫剂、化肥和水用到必须用的地方,而不致使化学残留物污染土地、粮食和种子,实现真正的绿色农业。这样一来,农民也成了电脑的重要用户,数字地球就这样飞入了农民家。到那时农民也需要有组织,有文化,掌握高科技。



4、数字地球与智能化交通



智能运输系统是基于数字地球建立国家和省市、自治区的路面管理系统、桥梁管理系统、交通阻塞、交通安全以及高速公路监控系统,并将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术等有效地集成运用于整个地面运输管理体系,而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的,实时、准确、高效的综合运输和管理系统,实现运输工具在道路上的运行功能智能化。从而,使公众能够高效地使用公路交通设施和能源。具体地说,该系统将采集到的各种道路交通及服务信息经交通管理中心集中处理后,传输到公路运输系统的各个用户(驾驶员、居民、警察局、停车场、运输公司、医院、救护排障等部门),出行者可实时选择交通方式和交通路线;交通管理部门可自动进行合理的交通疏导、控制和事故处理;运输部门可随时掌握车辆的运行情况,进行合理调度。从而,使路网上的交通流运行处于最佳状态,改善交通拥挤和阻塞,最大限度地提高路网的通行能力,提高整个公路运输系统的机动性、安全性和生产效率。 对于公路交通而言,ITS将产生的效果主要包括以下几个方面:  — 提高公路交通的安全性。  — 降低能源消耗,减少汽车运输对环境的影响。  — 提高公路网络的通行能力。  — 提高汽车运输生产率和经济效益,并对社会经济发展的各方面都将产生积极的影响。  — 通过系统的研究、开发和普及,创造出新的市场。  美国国会1991年颁布“冰茶法案”(ISTEA— Intermodel Surface Transportation Efficiency Act),1998年颁布“续茶法案”(NEXTEA—National Economic Crossroad Transportation Efficiency Act),目标是实现高效、安全和利于环境的现代交通体系。



5、数字地球与Cybercity



基于高分辨率正射影像、城市地理信息系统、建筑CAD,建立虚拟城市和数字化城市,实现真三维和多时相的城市漫游、查询分析和可视化。数字地球服务于城市规划、市政管理、城市环境、城市通讯与交通、公安消防、保险与银行、旅游与娱乐等,为城市的可持续发展和提高市民的生活质量等。



6、数字地球为专家服务



顾名思义,数字地球是用数字方式为研究地球及其环境的科学家尤其是地学家服务的重要手段。地壳运动、地质现象、地震预报、气象预报、土地动态监测、资源调查、灾害预测和防治、环境保护等等无不需要利用数字地球。而且数据的不断积累,最终将有可能使人类能够更好地认识和了解我们生存和生活的这个星球,运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多时空和多种类的三维描述将不再是幻想。



7、数字地球与现代化战争



数字地球是后冷战时期“星球大战”计划的继续和发展,在美国眼里数字地球的另一种提法是星球大战,是美国全球战略的继续和发展。显然,在现代化战争和国防建设中,数字地球具有十分重大意义。建立服务于战略、战术和战役的各种军事地理信息系统,并运用虚拟现实技术建立数字化战场,这是数字地球在国防建设中的应用。这其中包括了地形地貌侦察、军事目标跟踪监视、飞行器定位、导航、武器制导、打击效果侦察、战场仿真、作战指挥等等方面,对空间信息的采集、处理、更新提出了极高的要求。在战争开始之前需要建立战区及其周围地区的军事地理信息系统;战时利用GPS、RS和GIS进行战场侦察,信息的更新,军事指挥与调度,武器精确制导;战时与战后的军事打击效果评估等等。而且,数字地球是一个典型的平战结合,军民结合的系统工程,建设中国的数字地球工程符合我国国防建设的发展方向。  总之,随着“三S”技术及相关技术的发展,数字地球将对社会生活的各个方面产生巨大的影响。其中有些影响我们可以想象,有些影响也许我们今日还无法想象。

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re:哦

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re:确实受益非浅!感谢!!

确实受益非浅!

感谢!!


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re:扫盲了 谢谢

扫盲了 谢谢

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re:受益非浅!

受益非浅!

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