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GPS即全球定位系統(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。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。

1 GPS -發展歷程

前身
GPSGPS

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。

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計劃不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GPS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:

1、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。

2、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。

3、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年底使用的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。

民用發展

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。

2 GPS -車載gps

車載GPS由「車載」和「GPS」兩個片語成。「車載」顧名思義,就是裝在車上或在車上使用的東西或動作,車由汽車、火車、自行車、摩托車等等,這說明只要與車有關的都有可能涉及的到。GPS就是全球衛星定位系統,這個系統就是天空中地球一圈有24顆衛星,這個24顆衛星中有21顆可以正常運行,對整個地球進行定位,之所美國可以用導彈這麼精確的導入咱們中國大使館的5層樓,全靠GPS給定位。地球上裸露的任何一個地方都可以定位,目前山洞和隧道難以定位。

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3 GPS -組成結構

GPS組成GPS組成

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。

 

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。

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。

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。

4 GPS -系統原理

GPSGPS

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。

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.

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。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。

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 GPS -GPS特點

GPSGPS

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。

6 GPS -GPS功用

(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。

7 GPS -相關理論

GPSGPS
相對論

為GPS提供了所需的修正:全球定位系統GPS衛星的定時信號提供緯度、經度和高度的信息,精確的距離測量需要精確的時鐘。因此精確的GPS接受器就要用到相對論效應。準確度在30米之內的GPS接受器就意味著它已經利用了相對論效應。相對論認為快速移動物體隨時間的流逝比靜止的要慢。Will計算出,每個GPS衛星每小時跨過大約1.4萬千米的路程,這意味著它的星載原子鐘每天要比地球上的鐘慢7微秒。

而引力對時間施加了更大的相對論效應。大約2萬千米的高空,GPS衛星經受到的引力拉力大約相當於地面上的四分之一。結果就是星載時鐘每天快45微秒,GPS要計入共38微秒的偏差。

介紹
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)

差分技術

為了使民用的精確度提昇,科學界發展另一種技術,稱為差分全球定位系統(Differential GPS), 簡稱DGPS。亦即利用附近的已知參考坐標點(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運算的考慮,便可獲得更精確的值。

GPS有2D導航和3D導航分,在衛星信號不夠時無法提供3D導航服務,而且海拔高度精度明顯不夠,有時達到10倍誤差。但是在經緯度方面經改進誤差很小。衛星定位儀在高樓林立的地區撲捉衛星信號要花較長時間。

8 GPS -技術發展

美國準備從2014年開始發射新一代全球定位系統衛星。這是一項耗資55億美元的升級計劃的一部分。首顆樣品衛星已經交付洛克希德-馬丁公司進行測試。

這些被稱為「布洛克Ⅲ」的新衛星將使美國的全球定位系統衛星群更加強大、可靠和精確。「布洛克Ⅲ」衛星將使定位誤差降至3英尺(約合0.9米)以內。如果把信號增強還能增加穿透力並擴大覆蓋範圍,使處於樹蔭下或所謂「城市峽谷」中的地面接收機表現更精確。還能改善全球定位系統在室內的表現。

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