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衛星定位系統

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衛星定位系統 (positioning system by satellite)利用衛星進行無線電定位的系統。可分為靜止衛星定位系統和非靜止衛星定位系統兩大類。

1 衛星定位系統 -基本簡介

衛星定位系統衛星定位系統

衛星定位系統(Global Positioning System)。簡單地說,這是一個由覆蓋全球的24顆衛星組成的衛星系統。這個系統可以保證在任意時刻,地球上任意一點都可以同時觀測到4顆衛星,以保證衛星可以採集到該觀測點的經緯度和高度,以便實現導航、定位、授時等功能。這項技術可以用來引導飛機、船舶、車輛以及個人,安全、準確地沿著選定的路線,準時到達目的地。

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。

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。

GPS定位技術具有高精度、高效率和低成本的優點,使其在各類大地測量控制網的加強改造和建立以及在公路工程測量和大型構造物的變形測量中得到了較為廣泛的應用。

2 衛星定位系統 -發展歷程

衛星定位系統衛星定位系統

前身
gps系統的前身為美軍研製的一種子午儀衛星定位系統(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-{a|zh-cn:信息;zh-tw:資訊}-,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sSbBwW.cOm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,然而系統過於復。由於同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提供全球定位而設計的,所以8ttt81973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。

計劃

最初的gps計劃在聯合計劃局的領導下誕生了,該方案將24顆衛星放置在互成120度的三個軌道上。每個軌道上有8顆衛星,地球上任何一點均能觀測到6至9顆衛星。這樣,粗碼精度可達100m,精碼精度為10m。 由於預算壓縮,gps計劃部得不減少衛星發射數量,改為將18顆衛星分佈在互成60度的6個軌道上。然而這一方案使得衛星可靠性得不到保障。1988年又進行了最後一次修改:21顆工作星和3顆備份星工作在互成30度的6條軌道上。這也是現在衛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計階段。
從1978年到1979年,由位於加利福尼亞的范登堡空軍基地採用雙子座火箭發射4顆試驗衛星,衛星運行軌道長半軸為26560km,傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研製了地面接收機及建立地面跟蹤網,結果令人滿意。

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顆稱為block i的試驗衛星,研製了各種用途的接收機。實驗表明,gps定位精度遠遠超過設計標準,利用粗碼定位,其精度就可達14米。

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,這一階段的衛星稱為block ii 和 block iia。此階段宣告gps系統進入工程建設狀態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。

3 衛星定位系統 -構成

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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

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。

4 衛星定位系統 -原理

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衛星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。

GPS接收機可接收到可用於授時的準確至納秒級的時間信息;用於預報未來幾個月內衛星所處概略位置的預報星曆;用於計算定位時所需衛星坐標的廣播星曆,精度為幾米至幾十米(各個衛星不同,隨時變化);以及GPS系統信息,如衛星狀況等。

GPS接收機對碼的量測就可得到衛星到接收機的距離,由於含有接收機衛星鐘的誤差及大氣傳播誤差,故稱為偽距。對0A碼測得的偽距稱為UA碼偽距,精度約為20米左右,對P碼測得的偽距稱為P碼偽距,精度約為2米左右。

GPS接收機對收到的衛星信號,進行解碼或採用其它技術,將調製在載波上的信息去掉后,就可以恢復載波。嚴格而言,載波相位應被稱為載波拍頻相位,它是收到的受多普勒頻移影響的衛星信號載波相位與接收機本機振蕩產生信號相位之差。一般在接收機鍾確定的曆元時刻量測,保持對衛星信號的跟蹤,就可記錄下相位的變化值,但開始觀測時的接收機和衛星振蕩器的相位初值是不知道的,起始曆元的相位整數也是不知道的,即整周模糊度,只能在數據處理中作為參數解算。相位觀測值的精度高至毫米,但前提是解出整周模糊度,因此只有在相對定位、並有一段連續觀測值時才能使用相位觀測值,而要達到優於米級的定位 精度也只能採用相位觀測值。

按定位方式,GPS定位分為單點定位和相對定位(差分定位)。單點定位就是根據一台接收機的觀測數據來確定接收機位置的方式,它只能採用偽距觀測量,可用於車船等的概略導航定位。相對定位(差分定位)是根據兩台以上接收機的觀測數據來確定觀測點之間的相對位置的方法,它既可採用偽距觀測量也可採用相位觀測量,大地測量或工程測量均應採用相位觀測值進行相對定位。

在GPS觀測量中包含了衛星和接收機的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應等誤差,在定位計算時還要受到衛星廣播星曆誤差的影響,在進行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱,因此定位精度將大大提高,雙頻接收機可以根據兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分,在精度要求高,接收機間距離較遠時(大氣有明顯差別),應選用雙頻接收機。

5 衛星定位系統 -定位方式

衛星定位系統衛星定位系統

利用衛星進行無線電定位的系統。可分為靜止衛星定位系統和非靜止衛星定位系統兩大類。

靜止軌道衛星定位系統 一般採用有源定位方式,是由相距較遠(衛星與地心連線的夾角應大於30°)的2顆或3顆靜止衛星、中心地球站及移動用戶終端組成。當已知靜止衛星的位置、用戶的海拔標高,並能測得2顆或3顆靜止衛星到用戶終端的距離,從而根據幾何學三維坐標確定位置的原理可對移動用戶終端進行定位。2顆靜止衛星構成的定位系統只能獲得用戶的二維坐標,因此需要知道用戶的海拔標高。3顆靜止衛星構成的定位系統可直接獲得用戶的三維坐標。

該系統的定位精度誤差一般在幾十米,距離赤道越近誤差越大,可達百餘米。對衛星的仰角過小的高緯度地區或衛星非覆蓋區,靜止衛星定位系統不能定位。在有源定位方式中,用戶終端應具有收發能力和應答功能。中心站通過測量用戶的應答信號經不同衛星返回的時間,可求出移動用戶的三維空間坐標,自動給出經度和緯度顯示,從而實現中心站對用戶的定位。這種系統,通常在完成定位的同時,還具有一定的雙向數據傳輸功能。適用於大範圍移動車輛的調度。因為是有源定位,移動用戶的數量將受限於系統的設計容量。

中國的「北斗」系統屬於靜止衛星定位系統。
非靜止軌道衛星定位系統 一般是由中、低軌上的多顆衛星(星座)和移動用戶終端構成的無線電定位系統。通常採用無源定位方式,即依靠定位接收機接收來自多顆衛星的導航定位信號進行自定位。典型的系統如美國的GPS和前蘇聯的GLONASS。

6 衛星定位系統 -前景

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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。

7 衛星定位系統 -特點

全球定位系統的主要特點:(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。

8 衛星定位系統 -功用

全球定位系統的主要用途:(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。

9 衛星定位系統 -應用

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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)

1.電力,郵電,通訊等網路的時間同步
2.準確時間的授入
3.準確頻率的授入

1.各種等級的大地測量,控制測量
2.道路和各種線路放樣
3.水下地形測量
4.地殼形變測量,大壩和大型建築物變形監測
5.GIS應用
6.工程機械(輪胎吊,推土機等)控制
7.精細農業

在道路工程中的應用
GPS在道路工程中的應用,目前主要是用於建立各種道路工程式控制制網及測定航測外控點等。隨著高等級公路的迅速發展,對勘測技術提出了更高的要求,由於線路長,已知點少,因此,用常規測量手段不僅布網困難,而且難以滿足高精度的要求。目前,國內已逐步採用GPS技術建立線路首級高精度控制網,然後用常規方法布設導線加密。實踐證明,在幾十公里範圍內的點位誤差只有2厘米左右,達到了常規方法難以實現的精度,同時也大大提前了工期。GPS技術也同樣應用於特大橋樑的控制測量中。由於無需通視,可構成較強的網形,提高點位精度,同時對檢測常規測量的支點也非常有效。GPS技術在隧道測量中也具有廣泛的應用前景,GPS測量無需通視,減少了常規方法的中間環節,因此,速度快、精度高,具有明顯的經濟和社會效益。

GPS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。

(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的其它應用
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是今年以來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。

數據介面格式:這得細談談。GPS可以輸出實時定位數據讓其他的設備使用,這就牽扯到了數據交換協議。幾乎現在所有的GPS接收機都遵循美國國家海洋電子協會(National Marine Electronics Association)所指定的標準規格,這一標準制訂所有航海電子儀器間的通訊標準,其中包含傳輸資料的格式以及傳輸資料的通訊協議。NMEA協議有0180、0182和0183三種,0183可以認為是前兩種的超集,現在正廣泛的使用,0183有幾個版本,V1.5 V2.1。所以,如果大家的GPS接收機如果要聯上筆記本里通用的GPS導航程序,比如OZIEXPLORER和俺的GPSRECEIVER,就應該選擇NEMA V2.0以上的協議。NMEA規定的通訊速度是4800 b/S。現在有些接收機也可以提供更高的速度,但說實話,沒有什麼用,4800就足夠了。

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