GPS系統(tǒng)及其新應(yīng)用探討

　　本文簡單介紹全球定位系統(tǒng)GPS的基本概念、結(jié)構(gòu)組成以及工作原理，同時對其主要特點進(jìn)行較為全面的闡述，并且在此基礎(chǔ)上重點分析目前GPS在各方面的應(yīng)用狀況，最后詳盡描述未來技術(shù)發(fā)展趨勢和創(chuàng)新思路以及展望新世紀(jì)GPS的廣闊應(yīng)用前景。


一、系統(tǒng)綜述


1．GPS基本概念


　　全球定位系統(tǒng)（Globa Positioning System-GPS）是美國從上世紀(jì)70年代開始研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成。該系統(tǒng)利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測時和測距，具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力。GPS是繼阿波羅登月計劃、航天飛機(jī)后的美國第三大航天工程，如今，它已成為當(dāng)今世界上最實用，也是應(yīng)用最廣泛的全球精密導(dǎo)航、指揮和調(diào)度系統(tǒng)。


2．GPS結(jié)構(gòu)組成


　　GPS系統(tǒng)主要包括有三大組成部分：即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。


　�。�1）空間星座部分


　　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，亦即（21+3）GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道平面相對于赤道平面的傾角為55度，各個軌道平面之間交角60度。每個軌道平面內(nèi)的各衛(wèi)星之間的交角90度，任一軌道平面上的衛(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)厍蛳鄬τ诤阈亲赞D(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。每顆衛(wèi)星每天約有5個小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)量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，為了計算觀測站的三維坐標(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。


　�。�2）地面監(jiān)控部分


　　GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)目前主要由分布在全球的一個主控站、三個信息注入站和五個監(jiān)測站組成。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，即描述衛(wèi)星運(yùn)動及其軌道的參數(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，求出時鐘差。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的空間部分和地面監(jiān)控部分是用戶廣泛應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ)，均為美國所控制。


　�。�3）用戶設(shè)備部分


　　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，實時地計算出觀測站的三維位置，甚至三維速度和時間，最終實現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。


　　靜態(tài)定位時，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。裝載GPS信號接收機(jī)的運(yùn)動物體叫做載體（如航行中的船艦，空中的飛機(jī)，行駛的車輛等）。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。對于觀測地型接收機(jī)來說，兩個單元一般分成兩個獨(dú)立的部件，觀測時將天線單元安置在觀測站上，接收單元置于觀測站附近的適當(dāng)?shù)胤�，用電纜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)一般用蓄電池供電。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)亞米級甚至厘米級。


　　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。


3．GPS定位原理


　　GPS系統(tǒng)采用高軌測距體制，以觀測站至GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測量。為了獲得距離觀測量，主要采用兩種方法：一是測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)用戶接收機(jī)的傳播時間，即偽距測量；一是測量具有載波多普勒頻移的GPS衛(wèi)星載波信號與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差，即載波相位測量。采用偽距觀測量定位速度最快，而采用載波相位觀測量定位精度最高。通過對4顆或4顆以上的衛(wèi)星同時進(jìn)行偽距或相位的測量即可推算出接收機(jī)的三維位置。


　　按定位方式，GPS定位分為單點定位和相對定位（差分定位）。單點定位就是根據(jù)一臺接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測量。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量。


　　在定位觀測時，GPS定位分為動態(tài)定位和靜態(tài)定位。若接收機(jī)相對于地球表面運(yùn)動，則稱為動態(tài)定位。若接收機(jī)相對于地球表面靜止，則稱為靜態(tài)定位。


二、GPS主要特點


　　GPS的問世標(biāo)志著電子導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展到了一個更加輝煌的時代。GPS系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，主要特點有如下六個方面：


1．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)10-6，100～500km可達(dá)10-7，1000km可達(dá)10-9。此外，GPS可為各類用戶連續(xù)地提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息。


2．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。實時定位速度快。目前GPS接收機(jī)的一次定位和測速工作在一秒甚至更小的時間內(nèi)便可完成，這對高動態(tài)用戶來講尤其重要。


3．執(zhí)行操作簡便


　　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，極大地減輕了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。


4．全球全天候作業(yè)


　　由于GPS衛(wèi)星數(shù)目較多且分布合理，所以在地球上任何地點均可連續(xù)同時觀測到至少4顆衛(wèi)星，從而保障了全球、全天候連續(xù)實時導(dǎo)航與定位的需要。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。


5．功能多、多用途


　　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。


6．抗干擾性能好、保密性強(qiáng)


　　由于GPS系統(tǒng)采用了偽碼擴(kuò)頻技術(shù)，因而GPS衛(wèi)星所發(fā)送的信號具有良好的抗干擾性和保密性。


三、GPS目前應(yīng)用狀況


　　GPS系統(tǒng)的建立給導(dǎo)航和定位技術(shù)帶來了巨大的變化，它從根本上解決了人類在地球上的導(dǎo)航和定位問題，可以滿足不同用戶的需要。
用GPS信號可以進(jìn)行海、空和陸地的導(dǎo)航，導(dǎo)彈的制導(dǎo)，大地測量和工程測量的精密定位，時間的傳遞和速度的測量等。對于測繪領(lǐng)域，GPS衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)用于建立高精度的全國性的大地測量控制網(wǎng)，測定全球性的地球動態(tài)參數(shù)；用于建立陸地海洋大地測量基準(zhǔn)，進(jìn)行高精度的海島陸地聯(lián)測以及海洋測繪；用于監(jiān)測地球板塊運(yùn)動狀態(tài)和地殼形變；用于工程測量，成為建立城市與工程控制網(wǎng)的主要手段；用于測定航空航天攝影瞬間的相機(jī)位置，實現(xiàn)僅有少量地面控制或無地面控制的航測快速成圖，導(dǎo)致地理信息系統(tǒng)、全球環(huán)境遙感監(jiān)測的技術(shù)革命。


　　總之，GPS技術(shù)已發(fā)展成多領(lǐng)域（陸地、海洋、航空航天），多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS等），多用途（在途導(dǎo)航、精密定位、精確定時、衛(wèi)星定軌、災(zāi)害監(jiān)測、資源調(diào)查、工程建設(shè)、市政規(guī)劃、海洋開發(fā)、交通管制等），多機(jī)型（測地型、定時型、手持型、集成型、車載式、船載式、機(jī)載式、星載式、彈載式等）高新技術(shù)國際性產(chǎn)業(yè)。GPS的應(yīng)用領(lǐng)域，上至航空航天器，下至捕魚、導(dǎo)游和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，已經(jīng)無所不在了，正如人們所說的"今后GPS的應(yīng)用，將只受人類想象力的制約"。


四、GPS發(fā)展趨勢與創(chuàng)新思路


　　1991年的海灣戰(zhàn)爭中，裝在上衣口袋里的GPS接收機(jī)為無地圖沙漠作戰(zhàn)發(fā)揮了巨大作用。在"盟軍行動"中，把慣導(dǎo)/GPS集成系統(tǒng)裝入導(dǎo)彈和制導(dǎo)導(dǎo)彈，使命中精度達(dá)到9m，而且使機(jī)載炸彈具備了在夜間和惡劣天氣條件下的精確打擊能力。由此可見，GPS早已成為高技術(shù)武器平臺不可缺少的關(guān)鍵組成部分。


　　在新世紀(jì)以及未來軍事戰(zhàn)爭中GPS將發(fā)揮更加巨大的作用。在這樣的形勢下， GPS技術(shù)不得不有新的突破。經(jīng)過不懈的努力鉆研，如今已經(jīng)取得些成績而呈現(xiàn)出以下的技術(shù)發(fā)展趨勢：


1．采用創(chuàng)新軌道設(shè)計


　　歐洲多年來從未中斷對導(dǎo)航定位衛(wèi)星的研究、論證。在第一代中，有"全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)"（GNSS）以及"歐洲靜止軌道導(dǎo)航重疊業(yè)務(wù)系統(tǒng)"（EGNOS）等，它們都是結(jié)合利用GPS和靜止軌道通信衛(wèi)星的方案。在第二代中，目前采用創(chuàng)新軌道設(shè)計的"伽利略"方案被認(rèn)為是能夠?qū)崿F(xiàn)最少投入而達(dá)到理想應(yīng)用目的的最佳方案。它既是獨(dú)立系統(tǒng)，又有開放性特點，可與GPS兼容。這種系統(tǒng)還將在民航選擇最佳航線、飛機(jī)安全進(jìn)場著陸等領(lǐng)域有新的應(yīng)用突破。


2．大力開發(fā)抗干擾和干擾技術(shù)


　　GPS集成到高技術(shù)武器平臺，使GPS應(yīng)用概念發(fā)生全新變化。


　　為防止地方干擾，美國將在2005年發(fā)射的第7顆GPS-2F衛(wèi)星上開始使用新型信號結(jié)構(gòu)。這樣，除更加保密外，還可實現(xiàn)6dB的信號/干擾比的改善。為此，正在研制不受干擾和欺騙的GPS接收機(jī)應(yīng)用模塊（GRAM）和選擇利用抗欺騙模塊（SAASM），同時裝有這兩種模塊的接收機(jī)被稱為"國防部高級GPS接收機(jī)"（DARG）。


　　美國還在開發(fā)抗干擾的軍事偽系統(tǒng)（Millitary Pseudolites），它可為地域發(fā)射GPS差分信號，以改進(jìn)信號捕獲并提高質(zhì)量。為保護(hù)軍用飛機(jī)使用GPS，美國還在開發(fā)微帶自適應(yīng)天線陣。


　　為使敵方不能使用GPS，美國已開發(fā)出GPS干擾機(jī)，只有可口可樂瓶大小的干擾機(jī)可使敵方無法接收GPS信號。


3．提高GPS導(dǎo)航信號性能的技術(shù)措施


　　目前使用的模擬銫鐘，其性能預(yù)測困難，而且輸出頻率會隨著衛(wèi)星運(yùn)行過程溫度和磁場變化而變化，因此正在開發(fā)計算機(jī)控制的數(shù)字化銫鐘，通過調(diào)整內(nèi)部參數(shù)和補(bǔ)償環(huán)境影響使銫鐘性能達(dá)到最佳化。


五、GPS應(yīng)用前景廣闊


　　進(jìn)入21世紀(jì)，GPS在各方面的應(yīng)用都將加強(qiáng)和發(fā)展。本文對GPS走向21世紀(jì)時的最新發(fā)展情況有選擇地作一介紹。


1．GPS在綜合服務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用


　　在全球地基GPS連續(xù)運(yùn)行站（約200個）的基礎(chǔ)上所組成的IGS（International GPS），是GPS連續(xù)運(yùn)行站網(wǎng)和綜合服務(wù)系統(tǒng)的范例。它無償向全球用戶提供GPS各種信息，如GPS精密星歷、快速星歷、預(yù)報星歷、IGS站坐標(biāo)及其運(yùn)動速率、IGS站所接收的GPS信號的相位和偽距數(shù)據(jù)、地球自轉(zhuǎn)速率等。這些信息在大地測量和地球動力學(xué)方面支持了無數(shù)的科學(xué)項目，包括電離層、氣象、參考框架、精密時間傳遞、高分辨的推算地球自轉(zhuǎn)速率及其變化、地殼運(yùn)動等。


2．GPS在電離層監(jiān)測中的應(yīng)用


　　GPS在監(jiān)測電離層方面的應(yīng)用，也是GPS空間氣象學(xué)的開端。太空中充滿了等離子體、宇宙射線粒子、各種波段的電磁輻射，由于太陽常在1秒鐘內(nèi)拋出百萬噸量級的帶電物，電離層由此而受到強(qiáng)烈的干擾，這是空間氣象學(xué)研究的一個對象。通過測定電離層對GPS信號的延遲來確定在單位體積內(nèi)總自由電子含量（TEC），以建立全球的電離層數(shù)字模型。


3．GPS在對流層監(jiān)測中的應(yīng)用


　　GPS在監(jiān)測對流層方面的應(yīng)用，早期主要是由于軌道誤差影響定位精度，而且早期的GPS基線相對來說比較短，高差（亦稱"比高"，即兩點間的高度差）不大，因此對對流層的研究沒有給予很大的重視。直到近期由于GPS軌道精度大大提高后，當(dāng)對流層折射已經(jīng)成為限制GPS定位精度提高的一個重要障礙時，才開始認(rèn)真的對對流層的監(jiān)測研究。我們可以假設(shè)在一個高程（亦即"海拔"，一般指由平均海平面算起的地面點高度），基本為零的地區(qū)，并且如果接收機(jī)所接收的GPS信號是從天頂方向傳來的話，那么其延遲就可以達(dá)到2.2～2.6m這一量級，而2小時內(nèi)這一延遲變化可達(dá)10cm并不少見（所以IGS分析中心所提供的對流層參數(shù)是采用2小時間隔一次）。也正是由于這個實際情況，對流層折射要顧及其隨機(jī)過程的變化來加以模型化。


4．GPS在衛(wèi)星測高儀中的應(yīng)用


　　多路徑效應(yīng)是GPS定位中的一種噪音，至今仍是高精度GPS定位中一個很不容易排除的"干擾"。過去幾年來利用大氣對GPS信號延遲的噪聲發(fā)展了GPS大氣學(xué)，目前也正在利用GPS定位中的多路徑效應(yīng)發(fā)展GPS測高技術(shù)，即利用空載GPS作為測高儀進(jìn)行測高。它是通過利用海面或冰面所反射的GPS信號，求定海面或冰面地形，測定波浪形態(tài)，洋流速度和方向。通常衛(wèi)星測高或空載測高所測的是一個點，連續(xù)測量結(jié)果在反向面上是一個截面，而GPS測高則是測量有一定寬度的帶，因此可以測定反射表面的起伏（地形）。據(jù)報道，試驗時空載平面安裝2臺GPS接收機(jī)，1臺天線向上用于對載體的定位，1臺天線向下，用于接收GPS在反射面上的信號。


5．GPS在衛(wèi)星追蹤技術(shù)中的應(yīng)用


　　衛(wèi)星對衛(wèi)星的追蹤（SST）技術(shù)的實質(zhì)是以高分辨率測定兩顆衛(wèi)星間的距離變化，一般它分為兩類，即高低衛(wèi)星追蹤和低低衛(wèi)星追蹤。前一類是高軌衛(wèi)星（如對地靜止衛(wèi)星，GPS衛(wèi)星等）追蹤低軌（LEO）衛(wèi)星或空間飛行器，后一類是處于大體為同一低軌道上的兩顆衛(wèi)星之間的追蹤，兩顆衛(wèi)星間可以相距數(shù)百千米，這兩類SST技術(shù)都將LEO衛(wèi)星作為地球重力場的傳感器，以衛(wèi)星間單向或雙向的微波測距系統(tǒng)測定衛(wèi)星間的相對速度及其變率。這一速度的不規(guī)則變化所產(chǎn)生的信息中，就包含了地球重力場信息。衛(wèi)星軌道愈低，這一速度變化受重力場的影響愈明顯，所反映重力場的分辨率也愈高。




摘自　衛(wèi)星通信廣播電視