全球定位系统(GPS) (定位系统)

全球定位系统(GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆炸监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

中文名称
全球定位系统
英文名称
GlobalPositioning System
称:定时测距导航卫星全球定位系统
投入使用
1964年

1简介

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全球定位系统(GPS)
全球定位系统(GPS)

GPS是英文Global Positioning System全球定位系统)的简称。GPS起始于1958年美国军方的一个项目,1964年投入使用。20世纪70年代,美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS

主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年,全球覆盖率高达98%24GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义:产品几何技术规范(Geometrical Product Specifications)-简称GPS。另外一种解释为G/sGB per s)。

2前身

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全球定位系统(GPS)

GPS全球定位系统GPS系统的前身为美军研制的一种“子午仪”导航卫星系统(Transit),1958年研制,64年正式投入使用。该系统用56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。

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1218颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划,并于67年、69年和74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。

而美国空军则提出了621-B的以每星群45颗卫星组成34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。

海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2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2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。

3阶段计划

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全球定位系统(GPS)

GPS 实施计划共分三个阶段:

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年,共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。

第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年,又陆续发射了7颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准。

第三阶段为实用组网阶段。198924日第一颗 GPS 工作卫星发射成功,表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的 GPS 网即(21+3GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。

全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点,是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断地开拓,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。

经近 10年中国测绘等部门的使用表明,GPS以全天候高精度、自动化高效益等显著特点,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。

4主要组成

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GPS全球卫星定位系统由三部分组成:

空间部分———GPS星座;

地面控制部分———地面监控系统

用户设备部分———GPS信号接收机。

1.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20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 ) ,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( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P(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。

2.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。

3.用户设备部分

GPS全球定位系统用户设备部分即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。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。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。

5基本原理

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全球定位系统(GPS)
全球定位系统(GPS)

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10二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300mP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123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xyz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0A码测得的伪距称为UA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。

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

6应用范围

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全球定位系统(GPS)
全球定位系统(GPS)

一、GPS的应用都是基于两个基本服务

1.空间位置服务

.定位:如汽车防盗、地面车辆跟踪和紧急救生。

.导航:如船舶远洋导航和进港引水、飞机航路引导和进场降落、智能交通、汽车自主导航及导弹制导。

③测量:主要用于测量时间、速度、及大地测绘,如水下地形测量、地壳形变测量,大坝和大型建筑物变形监测及浮动车数据,利用GPS定期记录车辆的位置和速度信息。从而计算道路的拥堵情况。

2、时间服务

GPS导航仪

①系统同步:如CDMA通信系统和电力系统

②授时:准确时间的授入、准确频率的授入

GPS导航仪

二、实例

1.GPS在巡线车辆管理的运用

巡线车辆监控调度方案服务于需要通过车辆巡逻来监控线路状态的服务型企业或管理型部门。方案将线路的规划和实际的巡线工作结合起来,以业务关键点为核心,通过GPS实时监控获得车辆的位置信息来考察车辆的巡线任务完成情况,通过各车辆距离事发关键点的距离和车辆当前的状态自动进行可调度车辆的选取。最终结合车辆分析和周密的统计报表,行成可计划、可执行、可评价的巡线车辆监控调度方案。该方案由目前行业中的成功实践者提出,并在2010广州亚运会对中国电信巡线车辆成功运用。

2.GPS首次出现在军事应用

1989年,一群认真专注的工程师和一个伟大的产品构想,造就了今日全球卫星定位导航系统的领导品牌GARMIN—兼具最佳的销售成绩与专业技术。由制造当初在波斯湾战争中被联军采用的第一台手持GPS,到现今成为GPS 的第一品牌,GARMIN的产品以更优良的功能和用途远远超越传统GPS接收器,并为GPS立下一崭新的里程碑。

为了缓解当时“沙漠风暴”行动时军用GPS接收装置短缺的问题,美军考虑购买民用GPS接收装置。民用接收装置的导航功能和军用装置完全一样,只不过不能识别

军用加密信号而已。因此,到了“沙漠盾牌”军事行动的时候,美国国防部就提前购买了数千套民用GPS接收装置装备各参战部队,占到了所有的5300套接收装置的85%

3.GPS在道路工程中的应用

GPS在道路工程中的应用,目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展,对勘测技术提出了更高的要求,由于线路长,已知点少,因此,用常规测量手段不仅布网困难,而且难以满足高精度的要求。目前,国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网,然后用常规方法布设导线加密。

实践证明,在几十公里范围内的点位误差只有2厘米左右,达到了常规方法难以实现的精度,同时也大大提前了工期。GPS技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视,可构成较强的网形,提高点位精度,同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景,GPS测量无需通视,减少了常规方法的中间环节,因此,速度快、精度高,具有明显的经济和社会效益。

4.GPS在个人定位中的应用

国内首款语音彩信GPS定位器-- 昱读全资科技语音彩信GPS定位器为列,它内置全国的地图数

语音彩信gps定位器

据,无需后台支持,结合了GPS全球定位系统、GSM通信技术、嵌入式语音播报技术、GIS技术、GIS搜索引擎、图像处理技术和图像传输技术,直接回复终端中文地址、彩信、或语音播报地理位置。

5GPS在汽车导航和交通管理中的应用

三维导航是GPS的首要功能,飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由GPS导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成。GPS导航系统与电子地图、无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合,可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。

7应用前景

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由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展,美国政府宣布2000年至2006年期间,在保证美国国家安全不受威胁的前提下,取消SA政策,GPS民用信号精度在全球范围内得到改善,利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米,这将进一步推动GPS技术的应用,提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量,刺激GPS市场的增长。据有关专家预测,在美国,单单是汽车GPS导航系统,2000年后的市场将达到30亿美元,而在我国,汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见,GPS技术市场的应用前景非常可观。

参考资料

[添加]
[1].电子发烧友网:全球定位系统(GPS)
[2].三亿文库:全球定位系统(GPS)

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  • 更新时间:2015-04-28
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