全球定位系統(tǒng)

百科解釋

目錄·GPS系統(tǒng)的組成
·GPS系統(tǒng)發(fā)展歷程
·GPS衛(wèi)星
·GPS系統(tǒng)原理
·差分技術(shù)
·GPS的功能
·GPS的六大特點
·應(yīng)用

GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機(jī)。

GPS衛(wèi)星星座：

由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座記作（21+3）GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)軌道傾角為55度各個軌道平面之間相距60度即軌道的升交點赤經(jīng)各相差60度。每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。

在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時它們繞地球運(yùn)行二周即繞地球一周的時間為12恒星時。這樣對于地面觀測者來說每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點的不同而不同最少可見到4顆最多可見到11顆。在用GPS信號導(dǎo)航定位時為了結(jié)算測站的三維坐標(biāo)必須觀測4顆GPS衛(wèi)星稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時甚至不能測得精確的點位坐標(biāo)這種時間段叫做“間隙段”。但這種時間間隙段是很短暫的并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實時的導(dǎo)航定位測量。GPS工作衛(wèi)星的編號和試驗衛(wèi)星基本相同。

地面監(jiān)控系統(tǒng)：

對于導(dǎo)航定位來說GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運(yùn)動及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。

GPS信號接收機(jī)：

GPS信號接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時間解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文實時地計算出測站的三維位置位置甚至三維速度和時間。

GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備即GPS信號接收機(jī)�？梢栽谌魏螘r候用GPS信號進(jìn)行導(dǎo)航定位測量。根據(jù)使用目的的不同用戶要求的GPS信號接收機(jī)也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機(jī)產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來分類。

靜態(tài)定位中GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變接收機(jī)高精度地測量GPS信號的傳播時間利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測定一個運(yùn)動物體的運(yùn)行軌跡。GPS信號接收機(jī)所位于的運(yùn)動物體叫做載體（如航行中的船艦空中的飛機(jī)行走的車輛等）。載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運(yùn)動接收機(jī)用GPS信號實時地測得運(yùn)動載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。

接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機(jī)來說兩個單元一般分成兩個獨立的部件觀測時將天線單元安置在測站上接收單元置于測站附近的適當(dāng)?shù)胤接秒娎|線將兩者連接成一個整機(jī)。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體觀測時將其安置在測站點上。

GPS接收機(jī)一般用蓄電池做電源。同時采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。在用機(jī)外電池的過程中機(jī)內(nèi)電池自動充電。關(guān)機(jī)后機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲器供電以防止丟失數(shù)據(jù)。

近幾年國內(nèi)引進(jìn)了許多種類型的GPS測地型接收機(jī)。各種類型的GPS測地型接收機(jī)用于精密相對定位時其雙頻接收機(jī)精度可達(dá)5MM+1PPM.D單頻接收機(jī)在一定距離內(nèi)精度可達(dá)10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可達(dá)亞米級至厘米級。

目前各種類型的GPS接收機(jī)體積越來越小重量越來越輕便于野外觀測。GPS和GLONASS兼容的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)接收機(jī)已經(jīng)問世。

GPS系統(tǒng)發(fā)展歷程

自1978年以來已經(jīng)有超過50顆GPS和NAVSTAR衛(wèi)星進(jìn)入軌道.

前身

GPS(又稱全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過地球13次，并且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗，并驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位的可行性，為GPS系統(tǒng)的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導(dǎo)航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。為此,美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)計劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆試驗衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上初步試驗了原子鐘計時系統(tǒng)，這是GPS系統(tǒng)精確定位的基礎(chǔ)。而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛(wèi)星組成3至4個星群的計劃，這些衛(wèi)星中除1顆采用同步軌道外其余的都使用周期為24h的傾斜軌道該計劃以偽隨機(jī)碼(PRN)為基礎(chǔ)傳播衛(wèi)星測距信號，其強(qiáng)大的功能，當(dāng)信號密度低于環(huán)境噪聲的１％時也能將其檢測出來。偽隨機(jī)碼的成功運(yùn)用是GPS系統(tǒng)得以取得成功的一個重要基礎(chǔ)。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態(tài)的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態(tài)服務(wù)，然而系統(tǒng)過于復(fù)雜。由于同時研制兩個系統(tǒng)會造成巨大的費(fèi)用，而且這里兩個計劃都是為了提供全球定位而設(shè)計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，并由國防部牽頭的衛(wèi)星導(dǎo)航定位聯(lián)合計劃局（JPO)領(lǐng)導(dǎo)，還將辦事機(jī)構(gòu)設(shè)立在洛杉磯的空軍航天處。該機(jī)構(gòu)成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。

計劃

最初的GPS計劃在聯(lián)合計劃局的領(lǐng)導(dǎo)下誕生了，該方案將24顆衛(wèi)星放置在互成120度的三個軌道上。每個軌道上有8顆衛(wèi)星，地球上任何一點均能觀測到6至9顆衛(wèi)星。這樣，粗碼精度可達(dá)100m，精碼精度為10m。由于預(yù)算壓縮，GPS計劃不得不減少衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量，改為將18顆衛(wèi)星分布在互成60度的6個軌道上。然而這一方案使得衛(wèi)星可靠性得不到保障。1988年又進(jìn)行了最后一次修改：21顆工作星和3顆備份星工作在互成30度的6條軌道上。這也是現(xiàn)在GPS衛(wèi)星所使用的工作方式。

計劃實施

GPS計劃的實施共分三個階段：

第一階段為方案論證和初步設(shè)計階段。

從1978年到1979年，由位于加利福尼亞的范登堡空軍基地采用雙子座火箭發(fā)射4顆試驗衛(wèi)星，衛(wèi)星運(yùn)行軌道長半軸為26560km，傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)，結(jié)果令人滿意。

第二階段為全面研制和試驗階段。

從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆稱為BLOCK I的試驗衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機(jī)。實驗表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，利用粗碼定位，其精度就可達(dá)14米。

第三階段為實用組網(wǎng)階段。

1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，這一階段的衛(wèi)星稱為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)狀態(tài)。1993年底使用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。

GPS衛(wèi)星

在測試架上的GPS衛(wèi)星

GPS衛(wèi)星是由洛克菲爾國際公司空間部研制的，衛(wèi)星重774kg，使用壽命為7年。衛(wèi)星采用蜂窩結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為1.5m。衛(wèi)星兩側(cè)裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板(BLOCK I)，全長5.33m接受日光面積為7.2m2。對日定向系統(tǒng)控制兩翼電池帆板旋轉(zhuǎn)，使板面始終對準(zhǔn)太陽，為衛(wèi)星不斷提供電力，并給三組15Ah鎘鎳電池充電，以保證衛(wèi)星在地球陰影部分能正常工作。在星體底部裝有12個單元的多波束定向天線，能發(fā)射張角大約為30度的兩個L波段（19cm和24cm波）的信號。在星體的兩端面上裝有全向遙測遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)的通信。此外衛(wèi)星還裝有姿態(tài)控制系統(tǒng)和軌道控制系統(tǒng)，以便使衛(wèi)星保持在適當(dāng)?shù)母叨群徒嵌�，�?zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星的可見地面。

由GPS系統(tǒng)的工作原理可知，星載時鐘的精確度越高，其定位精度也越高。早期試驗型衛(wèi)星采用由霍普金斯大學(xué)研制的石英振蕩器，相對頻率穩(wěn)定度為10 ? 11/秒。誤差為14米。1974年以后，gps衛(wèi)星采用銣原子鐘，相對頻率穩(wěn)定度達(dá)到10 ? 12/秒，誤差8m。1977年，BOKCK II型采用了馬斯頻率和時間系統(tǒng)公司研制的銫原子鐘后相對穩(wěn)定頻率達(dá)到10 ? 13/秒,誤差則降為2.9m。1981年，休斯公司研制的相對穩(wěn)定頻率為10 ? 14/秒的氫原子鐘使BLOCK IIR型衛(wèi)星誤差僅為1m。

GPS系統(tǒng)原理

當(dāng)蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后，美國約翰·霍布斯金大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的研究人員提出既然可以已知觀測站的位置知道衛(wèi)星位置，那么如果已知衛(wèi)星位置，應(yīng)該也能測量出接收者的所在位置。這是導(dǎo)航衛(wèi)星的基本設(shè)想。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中解調(diào)制出來，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼；每30秒重復(fù)一次，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知�？梢奊PS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機(jī)使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個Δt即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時間差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。

差分技術(shù)

為了使民用的精確度提升，科學(xué)界發(fā)展另一種技術(shù)，稱為差分全球定位系統(tǒng)(Differential GPS), 簡稱DGPS。亦即利用附近的已知參考坐標(biāo)點(由其它測量方法所得), 來修正 GPS 的誤差。再把這個即時(real time)誤差值加入本身坐標(biāo)運(yùn)算的考慮, 便可獲得更精確的值。
GPS有2D導(dǎo)航和3D導(dǎo)航分，在衛(wèi)星信號不夠時無法提供3D導(dǎo)航服務(wù)，而且海拔高度精度明顯不夠，有時達(dá)到10倍誤差。但是在經(jīng)緯度方面經(jīng)改進(jìn)誤差很小。衛(wèi)星定位儀在高樓林立的地區(qū)撲捉衛(wèi)星信號要花較長時間。

GPS的功能

精確定時：廣泛應(yīng)用在天文臺、通信系統(tǒng)基站、電視臺中
工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量采用GPS設(shè)備進(jìn)行工程測量
勘探測繪：野外勘探及城區(qū)規(guī)劃中都有用到

導(dǎo)航：

武器導(dǎo)航：精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈
車輛導(dǎo)航：車輛調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)
船舶導(dǎo)航：遠(yuǎn)洋導(dǎo)航、港口/內(nèi)河引水
飛機(jī)導(dǎo)航：航線導(dǎo)航、進(jìn)場著陸控制
星際導(dǎo)航：衛(wèi)星軌道定位
個人導(dǎo)航：個人旅游及野外探險

定位：

車輛防盜系統(tǒng)
手機(jī)，PDA，PPC等通信移動設(shè)備防盜，電子地圖，定位系統(tǒng)
兒童及特殊人群的防走失系統(tǒng)
精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)：農(nóng)機(jī)具導(dǎo)航、自動駕駛，土地高精度平整

GPS的六大特點

第一，全天候，不受任何天氣的影響；
第二，全球覆蓋（高達(dá)98%）；
第三，三維定點定速定時高精度；
第四，快速、省時、高效率；
第五，應(yīng)用廣泛、多功能；
第六，可移動定位。

定位精度高應(yīng)用實踐已經(jīng)證明GPS相對定位精度在50KM以內(nèi)可達(dá)10-6100-500KM可達(dá)10-71000KM可達(dá)10-9。在300-1500M工程精密定位中1小時以上觀測的解其平面其平面位置誤差小于1mm與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長比較其邊長較差最大為0.5mm校差中誤差為0.3mm。

觀測時間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善軟件的不斷更新目前20KM以內(nèi)相對靜態(tài)定位僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時當(dāng)每個流動站與基準(zhǔn)站相距在15KM以內(nèi)時流動站觀測時間只需1-2分鐘然后可隨時定位每站觀測只需幾秒鐘。

測站間無須通視GPS測量不要求測站之間互相通視只需測站上空開闊即可因此可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用。由于無需點間通視點位位置可根據(jù)需要可稀可密使選點工作甚為靈活也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點、過渡點的測量工作。

可提供三維坐標(biāo)經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。GPS可同時精確測定測站點的三維坐標(biāo)。目前GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測量的精度。

操作簡便隨著GPS接收機(jī)不斷改進(jìn)自動化程度越來越高有的已達(dá)“傻瓜化”的程度；接收機(jī)的體積越來越小重量越來越輕極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強(qiáng)度。使野外工作變得輕松愉快。
全天候作業(yè)目前GPS觀測可在一天24小時內(nèi)的任何時間進(jìn)行不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響功能多、應(yīng)用廣。

從這些特點中可以看出GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導(dǎo)航還可用于測速、測時。測速的精度可達(dá)0.1M/S測時的精度可達(dá)幾十毫微秒。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。GPS系統(tǒng)的應(yīng)用前景當(dāng)初設(shè)計GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航收集情報等軍事目的。但是后來的應(yīng)用開發(fā)表明GPS系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到上述目的而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航定位信號能夠進(jìn)行厘米級甚至毫米級精度的靜態(tài)相對定位米級至亞米級精度的動態(tài)定位亞米級至厘米級精度的速度測量和毫微秒級精度的時間測量。因此GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景。

目前正在運(yùn)行的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)有美國的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)。
歐盟1999年初正式推出“伽利略”計劃，部署新一代定位衛(wèi)星。該方案由27顆運(yùn)行衛(wèi)星和3顆預(yù)備衛(wèi)星組成，可以覆蓋全球，位置精度達(dá)幾米，亦可與美國的GPS系統(tǒng)兼容，總投資為35億歐元。該計劃預(yù)計于2010年投入運(yùn)行。
中國還獨立研制了一個區(qū)域性的衛(wèi)星定位系統(tǒng)——北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。該系統(tǒng)的覆蓋范圍限于中國及周邊地區(qū)，不能在全球范圍提供服務(wù)，主要用于軍事用途。

應(yīng)用

軍事洲際彈道導(dǎo)彈
物流管理
地理信息系統(tǒng)
移動電話
數(shù)碼相機(jī)
航空
衛(wèi)星地圖
航空

通信詞典解釋