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全球卫星定位系统(GPS)

美国全球卫星定位系统

全球卫星定位系统(英文名称:Global Positioning System,简称:GPS),是由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统,能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息,是卫星通信技术在导航领域的应用典范,它极大地提高了地球社会的信息化水平,有力地推动了数字经济的发展。

中文名称全球定位系统(全球卫星定位系统)英文名称Global Positioning System
简称GPS研制国家美国

系统简介

GPS是美国从本世纪70年代开始研制,历时20余年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实施三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过近十年我国测绘等部门的使用表明,全球定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点,赢得广大测绘工作者的信赖,并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

目前全球定位系统是美国第二代卫星导航系统,使用者只需拥有GPS终端机即可使用该服务,无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务(SPS,Standard Positioning Service)和军规的精确定位服务(PPS,Precise Positioning Service)两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用,原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击,故在民用讯号中人为地加入误差(即SA政策,Selective Availability)以降低其精确度,使其最终定位精确度大概在100米左右;军规的精度在十米以下。2000年以后,克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此,现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。

GPS系统并非GPS导航仪,多数人提到GPS系统首先联想到GPS导航仪,GPS导航仪只是GPS系统运用中的一部分。GPS系统是迄今最好的导航定位系统,随着它的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断的开拓,目前已遍及国民经济各种部门,并开始逐步深入人们的日常生活。

发展历程

子午仪卫星定位系统

GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统,1958年研制,64年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作,每天最多绕过地球13次,并且无法给出高度信息,在定位精度方面也不尽如人意。然而,子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验,并验证了由卫星系统进行定位的可行性,为GPS系统的研制埋下了铺垫。

美国海军Tinmation全球定位网计划

由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此,美国海军研究实验室(NRL)提出了名为“Tinmation”的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划,并于1967年、1969年和1974年各发射了一颗试验卫星,在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统,这是GPS系统精确定位的基础。

美国空军计划

美国空军提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划,这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道。该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号,其强大的功能,当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。

GPS计划

海军的计划主要用于为舰船提供低动态的二维定位,空军的计划能供提供高动态服务,然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的,所以1973年美国国防部将两者合二为一,并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导,还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多,包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

GPS方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星,地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样,粗码精度可达100m,精码精度为10m。由于预算压缩,GPS计划部不得不减少卫星发射数量,改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改:21颗工作星和3颗备份星工作在互成30度的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

计划实施

GPS计划的实施共分三个阶段:

1、方案论证和初步设计阶段。

从1978年到1979年,由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星,卫星运行轨道长半轴为26560km,倾角64度。轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网,结果令人满意。

2、全面研制和试验阶段

从1979年到1984年,又陆续发射了7颗称为“BLOCK I”的试验卫星,研制了各种用途的接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准,利用粗码定位,其精度就可达14米。

3、实用组网阶段

1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,这一阶段的卫星称为“BLOCK II”和“BLOCK IIA”。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。

定位原理

GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过记录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距(PR)。当GPS卫星正常工作时,会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距1微秒,相当于300m;P码频率10.23MHz,重复周期266.4天,码间距0.1微秒,相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的,保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来,以50b/s调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码;每三十秒重复一次,每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块,其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在WGS-84大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标x、y、z外,还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到4个卫星的信号。

GPS接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息;用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历;用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历,精度为几米至几十米(各个卫星不同,随时变化);以及GPS系统信息,如卫星状况等。

GPS接收机对码的量测就可得到卫星到接收机的距离,由于含有接收机卫星钟的误差及大气传播误差,故称为伪距。对CA码测得的伪距称为CA码伪距,精度约为20米左右,对P码测得的伪距称为P码伪距,精度约为2米左右。

GPS接收机对收到的卫星信号,进行解码或采用其它技术,将调制在载波上的信息去掉后,就可以恢复载波。严格而言,载波相位应被称为载波拍频相位,它是收到的受多普勒频 移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机钟确定的历元时刻量测,保持对卫星信号的跟踪,就可记录下相位的变化值,但开始观测时的接收机和卫星振荡器的相位初值是不知道的,起始历元的相位整数也是不知道的,即整周模糊度,只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值,而要达到优于米级的定位 精度也只能采用相位观测值。

按定位方式,GPS定位分为单点定位和相对定位(差分定位)。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式,它只能采用伪距观测量,可用于车船等的概略导航定位。相对定位(差分定位)是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法,它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量,大地测量或工程测量均应采用相位观测值进行相对定位。

在GPS观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差,在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响,在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱,因此定位精度将大大提高,双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分,在精度要求高,接收机间距离较远时(大气有明显差别),应选用双频接收机。

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如图所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间△t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。

全球定位系统组成部分

GPS系统包括三大部分:空间部分—GPS星座(GPS星座是由24颗卫星组成的星座,其中21颗是工作卫星,3颗是备份卫星);地面控制部分—地面监控系统;用户设备部分—GPS 信号接收机。

空间部分

GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成,它位于距地表20200km的上空,均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码,一组称为C/A码(Coarse/Acquisition Code11023MHz);一组称为P码(Procise Code 10123MHz),P码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。

地面控制部分

地面控制部分由一个主控站,5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。

对于导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历—描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作,以及卫星是否一直沿着预定轨道运行,都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间,求出钟差。然后由地面注入站发给卫星,卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

用户设备部分

用户设备部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。

GPS卫星

GPS卫星重774kg,使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构,主体呈柱形,直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板(BLOCK I),全长5.33m接受日光面积为7.2m2。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转,使板面始终对准太阳,为卫星不断提供电力,并给三组15Ah镉镍电池充电,以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线,能发射张角大约为30度的两个L波段(19cm和24cm波)的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线,用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统,以便使卫星保持在适当的高度和角度,准确对准卫星的可见地面。

由GPS系统的工作原理可知,星载时钟的精确度越高,其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器,相对频率稳定度为10-11/天。误差为14米。1974年以后,GPS卫星采用铷原子钟,相对频率稳定度达到10-12/天,误差8m。1977年,BOKCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到10-13/天,误差则降为2.9m。1981年,休斯公司研制的相对稳定频率为10-14/天的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差仅为1m。

系统应用

定时服务

除了经度、纬度和海拔,全球定位系统(GPS)提供一个关键的第四维参数-时间。每一个GPS卫星都装有多台原子钟为GPS信号提供非常精确的时间数据。GPS接收机可以将这些信号解码,有效地使每一个接收机与那些原子钟同步。这就使用户能够以万亿分之一秒的精确度确定时间,却不需要自己拥有原子钟。

道路和高速公路

全球定位系统(GPS)的使用和精确性可以增加高速公路和街道上以及公共交通系统的车辆的安全和效率。由于GPS的帮助,许多商用车辆的分派和调度的问题明显地减少了。同样,公交系统、道路维修和急救车辆所面临的问题也大大地减轻。

随着GPS的不断现代化,我们可以预期会出现更为有效的系统来预防撞车、警告危难、通知位置、提供电子地图以及有语音指示的车内导航装置。

空间

全球定位系统(GPS)彻底改变和更新了许多国家在空间运作的方式,从载人飞船的导航系统到对通讯卫星群的管理、跟踪和控制,到从空间监视地球。使用GPS的益处包括:

解决导航问题――用现有的达到空间使用水平的GPS设备和最少的地面工作人员提供高精度的轨道确定。

解决高度问题――由低成本的多重GPS天线和专门的算法程序取代高成本的机载高度感受器。

解决定时问题――由低成本的、具有精确时间的GPS接收机取代昂贵的航天器原子钟。

卫星群控制――为大量的空间器如通讯卫星群的轨道维护控制提供单一的联络点。

编队飞行――由地面人员最少干预达到精确的卫星编队。

虚拟的平台――为高级的科学追踪行动,如干涉测量,提供自动化的“空间站保持”和相对位置服务。

发射航天器跟踪――以高精度、低成本的GPS设备取代或增强跟踪雷达以保证射程安全和自动的飞行终止。

航空

世界各地的飞行员利用GPS来提高飞行安全和效率。由于它的精确性、连续性和全球的性能,GPS可以提供完美的卫星导航服务,满足航空用户的许多要求。以空间为基地的定位和导航可以在飞行的所有阶段确定三维的位置,从起飞、飞行和降落,到机场的地面导航。

运用区域导航概念的趋势说明GPS担当了更加重要的角色。区域导航允许飞机在用户选择的路线上从一定点飞到另一定点,而这些定点并不需要地面基础设施的参照。一些程序已经被扩展以在飞行的各个阶段利用GPS及其增强服务。在飞行区域内没有适当的地面导航帮助或监控设备时更是如此。

农业

全球定位系统(GPS)与地理信息系统(GIS)的结合使发展和应用精准农业以及从事因地制宜的耕种成为可能。这些技术使实时的数据收集与精确的定位信息得以合二为一,从而使大量的地理空间数据得到有效的操作与分析。在精准种植中,GPS可应用于耕种规划、耕地绘图、土壤取样、拖拉机导航、庄稼监测、变率应用以及收成绘图等。GPS让农民能够在雨、尘、雾及黑暗等能见度低的条件下工作。

海运

GPS为海运业者提供了最快也最准确的导航、测速及定位方法。它提高了全世界海运业者的安全和效率水平。

铁路

世界很多地方的铁路系统都把全球定位系统(GPS)与各类传感器、电脑及通讯系统结合起来使用,以提高安全、保安以及运作效率。这些技术有助于减少事故、晚点及运作成本。铁路系统高效运作的一个必要的前提是得到有关机车、车厢、机动保养车、以及道旁设施的准确、实时的定位信息。

环境

要想在保持地球环境的同时平衡人类的需求,就需要根据最新信息来作出更好的决定。对于需要作出这类决定的政府与私人组织来说,准确和及时地收集信息是一个极大的挑战。全球定位系统(GPS)有助于满足这个需要。

公共安全与灾难救援

任何一个成功的救援行动,其关键因素是时间。了解地标、街道、建筑、紧急服务资源以及救灾地点的准确位置有助于减少延误并拯救生命。对于救援和公共安全人员来说,要保护生命、减少财产损失,这类信息极为重要。作为辅助技术,全球定位系统(GPS)满足了这些需要。

勘测和测绘地图

随着全球技术的进化和扩展,勘测和测绘地图界正在不断地重新开发所需的工具来增加工作能力和得到高度精确的数据。

利用GPS及其地面增强系统提供的针尖般的精确度,测量者可以迅速得到高精度的勘测和地图测绘结果,从而可以大幅减少使用传统测绘技术通常所需的设备和工时。如今,一个勘测员在一天里就可以完成过去一个勘测队数周才能完成的任务。GPS不受雨、风和阳光不足的影响,它正在全世界迅速地被专业勘测员和地图测绘人员采用。

娱乐

全球定位系统(GPS)通过提供精确位置的能力排除了许多常见娱乐活动中的危险。GPS接收机使许多常见的问题简单化,从而扩大了户外活动的范围,增加了乐趣,比如保持行走在正确的山路上或回到最好的钓鱼地点。

户外探险活动本身带有许多危险,其中最重要的一点就是在不熟悉和不安全的区域走失的可能性。徒步旅行者、骑自行车的人和户外探险者越来越依赖GPS而不是传统的纸上地图,指南针或地面标志。纸上地图常常是过时的,指南针和地面标志不一定能提供确切的位置信息以避免误入不熟悉的地区。另外,黑暗和恶劣天气也会造成不确切的导航结果。

全球卫星定位系统(GPS)
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最新更新:2015-08-07 10:55
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