GPS全球定位系統

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更新時間: 2013-09-12

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GPS全球定位系統始於1958年美國軍方的一個項目,主要目的是為陸海空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務,並用於情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的,經過20餘年的研究實驗,耗資300億美元。

GPS全球定位系統自1978年以來已經有超過50顆GPS和NAVSTAR衛星進入軌道.

GPS是英文Global Positioning System(全球定位系統)的簡稱。GPS起始於1958年美國軍方的一個項目,1964年投入使用。20世紀70年代,美國陸海空三軍聯合研製了新一代衛星定位系統GPS 。主要目的是為陸海空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務,並用於情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的,經過20餘年的研究實驗,耗資300億美元,到1994年,全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。在機械領域GPS則有另外一種含義:產品幾何技術規範(Geometrical Product Specifications)-簡稱GPS。另外一種解釋為G/s(GB per s)
GPS全球定位系統是以衛星定位為基礎的無線導航系統,其定位是通過使用24顆衛星組成的星座來實現,最開始只是用于軍事,隨著當今科技的逐步發展,GPS也廣泛運用在商業以及人們的生活中,它最主要的特點在於GPS通過衛星導航定位可實現全能性(海洋、陸地、航空、航天)、全球性、全天候、連續性和實時性導航、定位功能,為用戶提供精密的位置與速度信息。

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GPS全球定位系統 -簡介

全球定位系統(GPS)是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研製的新一代空間衛星導航定位系統。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務,並用於情報收集、核爆炸監測和應急通訊等一些軍事目的,是美國獨霸全球戰略的重要組成。經過20餘年的研究實驗,耗資300億美元,到1994年3月,全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。

前身

GPS全球定位系統GPS全球定位系統

GPS系統的前身為美軍研製的一種「子午儀」導航衛星系統(Transit),1958年研製,64年正式投入使用。該系統用5到6顆衛星組成的星網工作,每天最多繞過地球13次,並且無法給出高度信息,在定位精度方面也不盡如人意。然而,子午儀系統使得研發部門對衛星定位取得了初步的經驗,並驗證了由衛星系統進行定位的可行性,為GPS系統的研製埋下了鋪墊。由於衛星定位顯示出在導航方面的巨大優越性及子午儀系統存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。為此,美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛星組成10000km高度的全球定位網計劃,並於67年、69年和74年各發射了一顆試驗衛星,在這些衛星上初步試驗了原子鐘計時系統,這是GPS系統精確定位的基礎。而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛星組成3至4個星群的計劃,這些衛星中除1顆採用同步軌道外其餘的都使用周期為24h的傾斜軌道 該計劃以偽隨機碼(PRN)為基礎傳播衛星測距信號,其強大的功能,當信號密度低於環境雜訊的1%時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統得以取得成功的一個重要基礎。海軍的計劃主要用於為艦船提供低動態的2維定位,空軍的計劃能供提供高動態服務,然而系統過於複雜。由於同時研製兩個系統會造成巨大的費用而且這裡兩個計劃都是為了提供全球定位而設計的,所以1973年美國國防部將2者合二為一,並由國防部牽頭的衛星導航定位聯合計劃局(JPO)領導,還將辦事機構設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構成員眾多,包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、交通部、國防製圖局、北約和澳大利亞的代表。

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GPS全球定位系統 -階段計劃
GPS 實施計劃共分三個階段:

第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年,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。
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第二階段為全面研製和試驗階段。從1979年到1984年,又陸續發射了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,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年中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。
GPS全球定位系統 -主要組成

GPS全球衛星定位系統由三部分組成:
空間部分———GPS星座;
地面控制部分———地面監控系統;
用戶設備部分———GPS信號接收機。

1.空間部分

GPS的空間部分是由24顆工作衛星組成,它位於距地表20 200km的上空,均勻分佈在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆) ,軌道傾角為55°。此外,還有4顆有源備份衛星在軌運行。衛星的分佈使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛星,並能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時間上連續的全球導航能力。GPS衛星產生兩組電碼, 一組稱為C/A碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P碼(Procise Code 10123MHz) ,P碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國軍方管制,並設有密碼,一般民間無法解讀,主要為美國軍方服務。C/A碼人為採取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。

2.地面控制部分

地面控制部分由一個主控站,5個全球監測站和3個地面控制站組成。監測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續測量到所有可見衛星的接受機。監測站將取得的衛星觀測數據,包括電離層和氣象數據,經過初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監測站收集跟蹤數據,計算出衛星的軌道和時鐘參數,然後將結果送到3個地面控制站。地面控制站在每顆衛星運行至上空時,把這些導航數據及主控站指令注入到衛星。這種注入對每顆GPS衛星每天一次,並在衛星離開注入站作用範圍之前進行最後的注入。如果某地面站發生故障,那麼在衛星中預存的導航信息還可用一段時間,但導航精度會逐漸降低。

3.用戶設備部分

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GPS全球定位系統GPS全球定位系統

用戶設備部分即GPS信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛星截止角所選擇的待測衛星,並跟蹤這些衛星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛星信號后,即可測量出接收天線至衛星的偽距離和距離的變化率,解調出衛星軌道參數等數據。根據這些數據,接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算,計算出用戶所在地理位置的經緯度、高度、速度、時間等信息。

接收機硬體和機內軟體以及GPS 數據的后處理軟體包構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般採用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在於更換外電源時不中斷連續觀測。在用機外電源時機內電池自動充電。關機后,機內電池為RAM存儲器供電,以防止數據丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小,重量越來越輕,便於野外觀測使用。

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GPS全球定位系統 -分類原理

分類

GPS衛星接收機種類很多,根據型號分為測地型、全站型、定時型、手持型、集成型;根據用途分為車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式。

經過20餘年的實踐證明,GPS系統是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統。 GPS技術已經發展成為多領域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術產業。

原理

GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離,然後綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。

要達到這一目的,衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星曆中查出。而用戶到衛星的距離則通過紀錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間,再將其乘以光速得到(由於大氣層電離層的干擾,這一距離並不是用戶與衛星之間的真實距離,而是偽距(PR):當GPS衛星正常工作時,會不斷地用1和0二進位碼元組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發射導航電文。

GPS系統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,重複周期一毫秒,碼間距1微秒,相當於300m;P碼頻率10.23MHz,重複周期266.4天,碼間距0.1微秒,相當於30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的,保密性能更佳。導航電文包括衛星星曆、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛星信號中解調製出來,以50b/s調製在載頻上發射的。導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;每三十秒重複一次,每小時更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數據塊,其中最重要的則為星曆數據。當用戶接受到導航電文時,提取出衛星時間並將其與自己的時鐘做對比便可得知衛星與用戶的距離,再利用導航電文中的衛星星曆數據推算出衛星發射電文時所處位置,用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。

可見GPS導航系統衛星部分的作用就是不斷地發射導航電文。然而,由於用戶接受機使用的時鐘與衛星星載時鐘不可能總是同步,所以除了用戶的三維坐標x、y、z外,還要引進一個Δt即衛星與接收機之間的時間差作為未知數,然後用4個方程將這4個未知數解出來。所以如果想知道接收機所處的位置,至少要能接收到4個衛星的信號。

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GPS全球定位系統 -系統原理

當蘇聯發射了第一顆人造衛星后,美國約翰·霍布斯金大學應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星位置,那麼如果已知衛星位置,應該也能測量出接收者的所在位置。這是導航衛星的基本設想。GPS導航

系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶接收機之間的距離,然後綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的,衛星的位置可以根據星載時鐘所記錄的時間在衛星星曆中查出。而用戶到衛星的距離則通過紀錄衛星信號傳播到用戶所經歷的時間,再將其乘以光速得到(由於大氣層電離層的干擾,這一距離並不是用戶與衛星之間的真實距離,而是偽距(PR):當GPS衛星正常工作時,會不斷地用1和0二進位碼元組成的偽隨機碼(簡稱偽碼)發射導航電文。GPS系統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,重複周期一毫秒,碼間距1微秒,相當於300m;P碼頻率10.23MHz,重複周期266.4天,碼間距0.1微秒,相當於30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的,保密性能更佳。導航電文包括衛星星曆、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛星信號中解調製出來,以50b/s調製在載頻上發射的。導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;每三十秒重複一次,每小時更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數據塊,其中最重要的則為星曆數據。當用戶接受到導航電文時,提取出衛星時間並將其與自己的時鐘做對比便可得知衛星與用戶的距離,再利用導航電文中的衛星星曆數據推算出衛星發射電文時所處位置,用戶在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知。可見GPS導航系統衛星部分的作用就是不斷地發射導航電文。然而,由於用戶接受機使用的時鐘與衛星星載時鐘不可能總是同步,所以除了用戶的三維坐標x、y、z外,還要引進一個Δt即衛星與接收機之間的時間差作為未知數,然後用4個方程將這4個未知數解出來。所以如果想知道接收機所處的位置,至少要能接收到4個衛星的信號。

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GPS全球定位系統 -特點用途

特點

GPS全球定位系統在測試架上的GPS衛星

(1)全天候;(2) 全球覆蓋;(3)三維定速定時高精度;(4)快速省時高效率:(5)應用廣泛多功能。

主要用途

(1)陸地應用:主要包括車輛導航、應急反應、大氣物理觀測、地球物理資源勘探、工程測量、變形監測、地殼運動監測、市政規劃控制等;

(2)海洋應用:包括遠洋船最佳航程航線測定、船隻實時調度與導航、海洋救援、海洋探寶、水文地質測量以及海洋平台定位、海平面升降監測等;

(3)航空航天應用:包括飛機導航、航空遙 感姿態控制、低軌衛星定軌、導彈制導、航空救援和載人航天器防護探測等。

GPS全球定位系統 -應用範圍

主要是為船舶,汽車,飛機等運動物體進行定位導航。例如:
1.船舶遠洋導航和進港引水
2.飛機航路引導和進場降落
3.汽車自主導航
4.地面車輛跟蹤和城市智能交通管理
5.緊急救生
6.個人旅遊及野外探險
7.個人通訊終端(與手機,PDA,電子地圖等集成一體)
8.電力,郵電,通訊等網路的時間同步
9.準確時間的授入
10.準確頻率的授入
11.各種等級的大地測量,控制測量
12.道路和各種線路放樣
13.水下地形測量
14.地殼形變測量,大壩和大型建築物變形監測
15.GIS應用
16.工程機械(輪胎吊,推土機等)控制
17.精細農業

GPS全球定位系統 -應用舉例

在汽車導航和交通管理中的應用

三維導航是GPS的首要功能,飛機、輪船、地面車輛以及步行者都可以利用GPS導航器進行導航。汽車導航系統是在全球定位系統GPS基礎上發展起來的一門新型技術。汽車導航系統由GPS導航、自律導航、微處理機、車速感測器、陀螺感測器、CD-ROM驅動器、LCD顯示器組成。GPS導航系統與電子地圖、無線電通信網路、計算機車輛管理信息系統相結合,可以實現車輛跟蹤和交通管理等許多功能。

GPS全球定位系統GPS全球定位系統

(1)車輛跟蹤:利用GPS和電子地圖可以實時顯示出車輛的實際位置,並可任意放大、縮小、還原、換圖;可以隨目標移動,使目標始終保持在屏幕上;還可實現多窗口、多車輛、多屏幕同時跟蹤。利用該功能可對重要車輛和貨物進行跟蹤運輸。

(2)提供出行路線規劃和導航:提供出行路線規劃是汽車導航系統的一項重要的輔助功能,它包括自動線路規劃和人工線路設計。自動線路規劃是由駕駛者確定起點和目的地,由計算機軟體按要求自動設計最佳行駛路線,包括最快的路線、最簡單的路線、通過高速公路路段次數最少的路線的計算。人工線路設計是由駕駛員根據自己的目的地設計起點、終點和途經點等,自動建立路線庫。線路規劃完畢后,顯示器能夠在電子地圖上顯示設計路線,並同時顯示汽車運行路徑和運行方法。 

(3)信息查詢:為用戶提供主要物標、如旅遊景點、賓館、醫院等資料庫,用戶能夠在電子地圖上顯示其位置。同時,監測中心可以利用監測控制台對區域內的任意目標所在位置進行查詢,車輛信息將以數字形式在控制中心的電子地圖上顯示出來。

(4)話務指揮:指揮中心可以監測區域內車輛運行狀況,對被監控車輛進行合理調度。指揮中心也可隨時與被跟蹤目標通話,實行管理。

(5)緊急援助:通過GPS定位和監控管理系統可以對遇有險情或發生事故的車輛進行緊急援助。監控台的電子地圖顯示求助信息和報警目標,規劃最優援助方案,並以報警聲光提醒值班人員進行應急處理。

GPS全球定位系統 -其它應用

GPS除了用於導航、定位、測量外,由於GPS系統的空間衛星上載有的精確時鐘可以發布時間和頻率信息,因此,以空

GPS全球定位系統GPS全球定位系統

間衛星上的精確時鐘為基礎,在地面監測站的監控下,傳送精確時間和頻率是GPS的另一重要應用,應用該功能可進行精確時間或頻率的控制,可為許多工程實驗服務。此外,還可利用GPS獲得氣象數據,為某些實驗和工程應用。

全球衛星定位系統GPS開發的最具有開創意義的高新技術之一,其全球性、全能性、全天侯性的導航定位、定時、測速優勢必然會在諸多領域中得到越來越廣泛的應用。在發達國家,GPS技術已經開始應用於交通運輸和交通工程。目前,GPS技術在中國道路工程和交通管理中的應用還剛剛起步,隨著中國經濟的發展,高等級公路的快速修建和GPS技術的應用研究的逐步深入,其在道路工程中的應用也會更加廣泛和深入,併發揮更大的作用。

GPS全球定位系統 -前景用途

由於GPS技術所具有的全天候、高精度和自動測量的特點,作為先進的測量手段和新的生產力,已經融入了國民經濟建設、國防建設和社會發展的各個應用領域。

隨著冷戰結束和全球經濟的蓬勃發展,美國政府宣布2000年至2006年期間,在保證美國國家安全不受威脅的前提下,取消SA政策,GPS民用信號精度在全球範圍內得到改善,利用C/A碼進行單點定位的精度由100米提高到20米,這將進一步推動GPS技術的應用,提高生產力、作業效率、科學水平以及人們的生活質量,刺激GPS市場的增長。據有關專家預測,在美國,單單是汽車GPS導航系統,2000年後的市場將達到30億美元,而在中國,汽車導航的市場也將達到50億元人民幣。可見,GPS技術市場的應用前景非常可觀。

GPS全球定位系統 -其他系統

正在運行的全球衛星定位系統有美國的GPS系統和俄羅斯的GLONASS系統。

歐盟1999年初正式推出「伽利略」計劃,部署新一代定位衛星。該方案由27顆運行衛星和3顆預備衛星組成,可以覆蓋全球,位置精度達幾米,亦可與美國的GPS系統兼容,總投資為35億歐元。該計劃預計於2010年投入運行。

另外,中國還獨立研製了一個區域性的衛星定位系統——北斗導航系統。該系統的覆蓋範圍限於中國及周邊地區,不能在全球範圍提供服務,主要用于軍事用途。

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