GPS定位系統及其在智慧冷鏈中的應用

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GPS定位系統及其在智慧冷鏈中的應用

GPS全球定位系統（ Global Positioning System - GPS ）是美國從本世紀 70 年代開始研製，歷時 20 年，耗資200億美元，於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 的發展

GPS 實施計劃共分三個階段：

第一階段（從 1973 年到 1979 年）為方案論證和初步設計階段。共發射了 4 顆試驗衛星。研製了地面接收機及建立地面跟蹤網。

第二階段（從 1979年到 1984 年）為全面研製和試驗階段。陸續發射了 7 顆試驗衛星，研製了各種用途接收機。實驗表明， GPS 定位精度遠遠超過設計標準。

第三階段（1989年至今）為實用組網階段。 1989 年 2 月 4 日第一顆 GPS 工作衛星發射成功，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，今後將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。隨著全球定位系統的不斷改進，硬、軟體的不斷完善，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，贏得廣大測繪工作者的信賴，並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，它採納了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 顆衛星均為近圓形軌道，運行周期約為 11 小時 58 分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為 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，並能保持良好定位解算精度的幾何圖形（ DOP ），這就提供了在時間上連續的全球導航能力。GPS可以為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標準。GPS系統由美國國防部研製和維護，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。

目前全球有五個地面衛星監控站，分布於夏威夷、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 衛星的運作狀態及它們在太空中的精確位置，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，再由衛星將這些修正量提供給 GPS 接收器做為定位運用。

GPS由三個獨立部分組成：

空間部分：21顆工作衛星，3顆備用衛星。

地面支撐系統：1個主控站，3個注入站，5個監測站。

用戶設備部分：接收GPS衛星發射信號，以獲得必要的導航和定位信息，經數據處理，完成導航和定位工作。GPS接收機硬體一般由主機、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為已知的起算數據，採用空間距離後方交會的方法，確定待測點的位置。假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛星星曆等其它數據可以確定以下四個方程式：

上述四個方程式中待測點坐標x、y、z和Vto為未知參數，其中di=

c△ti(i=1、2、3、4)。

c為GPS信號的傳播速度（即光速）。

四個方程式中各個參數意義如下：

x、y、z為待測點坐標的空間直角坐標。

xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分別為衛星1、衛星2、衛星3、衛星4在t時刻的空間直角坐標，

可由衛星導航電文求得。

Vto為接收機的鐘差。

由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z和接收機的鐘差Vto。

目前GPS系統提供的定位精度是優於10米，而為得到更高的定位精度，通常採用差分GPS技術。差分GPS分為兩大類：偽距差分和載波相位差分。差分GPS基本原理：將一台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標，計算出基準站到衛星的距離改正數，並由基準站實時將這一數據發送出去。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，並對其定位結果進行改正，從而提高定位精度。

三、 GPS 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、冷鏈倉庫、冷櫃）的各種數據和位置；並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。

冷鏈物流車車載終端內置高精度北斗和 GPS 雙模定位模塊，同時安裝有振動感測器（判斷車輛是否在運行）。運輸車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系統中各種車輛的定位信息，效果如下圖所示：

四、 GPS 在智慧城市中的應用展望

智慧城市的目標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+」城市的歷史浪潮中，位置服務無所不在。各種智慧城市中的消費需求、生產需求催生了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、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產業化前景非常光明，必將創造出巨大的產業價值，推動社會進步。

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