2017-03-22 10:48:51
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GPS

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卫星导航系统

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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,并用于情报搜集、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%的24颗GPS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)。另外一种含义为G/s(GB per second)。GPS(Generalized Processor Sharing)广义为处理器分享,网络服务质量控制中的专用术语。

基本信息

  • 中文名

    全球定位系统

  • 外文名

    Global Positioning System

  • 简称

    GPS

  • 使用时间

    1964

  • 研发单位

    美国政府

折叠 编辑本段 ​基本简介

全球定位系统(英语:Global Positioning System,通常简称GPS),又称全球卫星定位系统,是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护,可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星;地面上1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中3颗卫星,就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度;所能收联接到的卫星数越多,解码出来的位置就越精确。

该系统由全球定位系统全球定位系统美国政府于1970年代开始进行研制并于1994年全面建成。使用者只需拥有GPS接收机即可使用该服务,无需另外付费。GPS信号分为民用的标准定位服务(SPS,Standard Positioning Service)和军规的精确定位服务(PPS,Precise Positioning Service)两类。由于SPS无须任何授权即可任意使用,原本美国因为担心敌对国家或组织会利用SPS对美国发动攻击,故在民用讯号中人为地加入选择性误差(即SA政策,Selective Availability)以降低其精确度,使其最终定位精确度大概在100米左右;军规的精度在十米以下。2000年以后,克林顿政府决定取消对民用讯号的干扰。因此,现在民用GPS也可以达到十米左右的定位精度。

GPS系统拥有如下多种优点:使用低频讯号,纵使天候不佳仍能保持相当的讯号穿透性;全球覆盖(高达98%);三维定速定时高精度;快速、省时、高效率;应用广泛、多功能;可移动定位;不同于双星定位系统,使用过程中接收机不需要发出任何信号增加了隐蔽性,提高了其军事应用效能。

折叠 编辑本段 发展历程

折叠 前身

GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统,1958年研制,1964年正式投入使用。该系统用5到6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,全球定位系统全球定位系统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提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000公里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4到5颗卫星组成3至4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为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。

折叠 计划

最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了,该方案将24个卫星放置在互成120度的六个轨道上。每个轨道上有4个卫星,地球上任何一点均能观测到6至9个卫星。这样,粗码精度可达100m,精码精度为10m。 由于预算紧缩,GPS计划得减少发射卫星,改为将18个卫星分布在互成60度的6个轨道上。然而这一方案不能确保卫星可靠性。1988年又进行了最后一次修改:在互成30度的6条轨道上有21个运作卫星和3个备份卫星。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

GPS计划的实施共分三个阶段:

第一阶段为方案论证和初步设计阶段。

从1978年到1979年,全球定位系统全球定位系统由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星,卫星运行轨道长半轴为26560km,倾角64度。轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网,结果令人满意。

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颗称为BLOCK I的试验卫星,研制了各种用途的接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准,利用粗码定位,其精度就可达14米。

第三阶段为实用组网阶段。

1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,这一阶段的卫星称为BLOCK II 和 BLOCK IIA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年底使用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。

折叠 编辑本段 系统组成

GPS系统主要由空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分组成。

折叠 空间星座部分

GPS卫星星座由24颗卫星组成,其中21颗为工作卫星,3颗为备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面上,即每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对于地球赤道面的轨道倾角为55°,各轨道平面的升交点的赤经相差60° ,一个轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星升交角距超前30°。这种布局的目的是保证在全球任何地点、任何时刻至少可以观测到4颗卫星。

GPS卫星全球定位系统全球定位系统是由洛克菲尔国际公司空间部研制的,卫星重774kg,使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构,主体呈柱形,直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板(BLOCK I),全长5.33m接受日光面积为7.2。对日定向系统控制两翼电池帆板旋转,使板面始终对准太阳,为卫星不断提供电力,并给三组15Ah镍镉电池充电,以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线,能发射张角大约为30度的两个L波段(19cm和24cm波)的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线,用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统,以便使卫星保持在适当的高度和角度,准确对准卫星的可见地面。

由GPS系统的工作原理可知,星载时钟的精确度越高,其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器,相对频率稳定度为/秒。误差为14m。1974年以后,GPS卫星采用铷原子钟,相对频率稳定度达到/秒,误差8m。1977年,BOKCK II型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到/秒,误差则降为2.9m。1981年,休斯公司研制的相对稳定频率为/秒的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差仅为1m。

折叠 地面监控部分

地面监控部分主要由1个主控站(Master Control Station ,简称MCS)、4个地面天线站(Ground Antenna)和6个监测站(Monitor Station)组成。

主控站全球定位系统全球定位系统位于美国科罗拉多州的谢里佛尔空军基地,是整个地面监控系统的管理中心和技术中心。另外还有一个位于马里兰州盖茨堡的备用主控站,在发生紧急情况时启用。

注入站目前有4个,分别位于南太平洋马绍尔群岛的瓜加林环礁,大西洋上英国属地阿森松岛,英属印度洋领地的迪戈加西亚岛和位于美国本土科罗拉多州的科罗拉多斯普林斯。注入站的作用是把主控站计算得到的卫星星历、导航电文等信息注入到相应的卫星。

注入站同时也是监测站,另外还有位于夏威夷和卡纳维拉尔角2处监测站,故监测站目前有6个。监测站的主要作用是采集GPS卫星数据和当地的环境数据,然后发送给主控站。

折叠 用户设备部分

用户设备主要为GPS接收机,主要作用是从GPS卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。

折叠 编辑本段 基本种类

GPS卫星接收机种类很多,根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型;根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。

折叠 按接收机的用途分类

1.导航型接收机

此类型接收机主要用于运动载体的导航,它可以实时给出载体的位置和速度。这类接收机一般采用C/A码伪距测量,单点实时定位精度较低,一般为±10m,有SA影响时为±100m。这类接收机价格便宜,应用广泛。根据应用领域的不同,此类接收机还可以进一步分为:

车载型——用于车辆导航定位;

航海型——用于船舶导航定位;

航空型——用于飞机导航定位。由于飞机运行速度快,因此,在航空上用的接收机要求能适应高速运动。

星载型——用于卫星的导航定位。由于卫星的速度高达7km/s以上,因此对接收机的要求更高。

2.测地型接收机

测地型接收机主要用于精密大地测量和精密工程测量。这类仪器主要采用载波相位观测值进行相对定位,定位精度高。仪器结构复杂,价格较贵。

3. 授时型接收机

这类接收机主要利用GPS卫星提供的高精度时间标准进行授时,常用于天文台及无线电通讯中时间同步。

折叠 按接收机的载波频率分类

单频接收机

单频接收机只能接收L1载波信号,测定载波相位观测值进行定位。由于不能有效消除电离层延迟影响,单频接收机只适用于短基线(<15km)的精密定位。

双频接收机

双频接收机可以同时接收L1,L2载波信号。利用双频对电离层延迟的不一样,可以消除电离层对电磁波信号的延迟的影响,因此双频接收机可用于长达几千公里的精密定位。

折叠 按接收机通道数分类

GPS接收机能同时接收多颗GPS卫星的信号,为了分离接收到的不同卫星的信号,以实现对卫星信号的跟踪、处理和量测,具有这样功能的器件称为天线信号通道。根据接收机所具有的通道种类可分为:

多通道接收机

序贯通道接收机

多路多用通道接收机

折叠 按接收机工作原理分类

码相关型接收机

码相关型接收机是利用码相关技术得到伪距观测值。

平方型接收机

平方型接收机是利用载波信号的平方技术去掉调制信号,来恢复完整的载波信号,通过相位计测定接收机内产生的载波信号与接收到的载波信号之间的相位差,测定伪距观测值。

混合型接收机

这种仪器是综合上述两种接收机的优点,既可以得到码相位伪距,也可以得到载波相位观测值。

干涉型接收机

这种接收机是将GPS卫星作为射电源,采用干涉测量方法,测定两个测站间距离。

经过20余年的实践证明,GPS系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。GPS技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。

折叠 编辑本段 基本功能

1、精确定时:广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中

2、工程施工:道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量

3、勘探测绘:野外勘探及城区规划中都有用到

4、导航:

武器导航:全球定位系统全球定位系统精确制导导弹、巡航导弹

车辆导航:车辆调度、监控系统

船舶导航:远洋导航、港口/内河引水

飞机导航:航线导航、进场着陆控制

导航:卫星轨道定位

个人导航:个人旅游及野外探险

5、定位:

车辆防盗系统

手机,PDA,PPC等通信移动设备防盗,电子地图,定位系统

儿童及特殊人群的防走失系统

精准农业:农机具导航、自动驾驶,土地高精度平整

6、提供时间数据:用于给电信基站、电视发射站等提供精确同步时钟源

折叠 编辑本段 基本特点

1、全天候,不易受任何天气的影响

2、全球覆盖(高达98%)

3、三维定点定速定时高精度

4、测站间无需通视

5、快速、省时、高效率

6、应用广泛、多功能

7、可移动定位。

折叠 编辑本段 基本原理

24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上,以12小时的周期环绕地球运行,使得在任意时刻,在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。

由于卫星的位置精确可知,在GPS观测中,我们可得到卫星到接收机的距离,利用三维坐标中的距离公式,利用3颗卫星,就可以组成3个方程式,解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差,实际上有4个未知数,X、Y、Z和钟差,因而需要引入第4颗卫星,形成4个方程式进行求解,从而得到观测点的经纬度和高程。

事实上,接收机往往可以锁住4颗以上的卫星,这时,接收机可按卫星的星座分布分成若干组,每组4颗,然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位,从而提高精度。由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差,大气对流层、电离层对信号的影响,以及人为的SA保护政策,使得民用GPS的定位精度只有100米。为提高定位精度,普遍采用差分GPS(DGPS)技术,建立基准站(差分台)进行GPS观测,利用已知的基准站精确坐标,与观测值进行比较,从而得出一修正数,并对外发布。接收机收到该修正数后,与自身的观测值进行比较,消去大部分误差,得到一个比较准确的位置。实验表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。

折叠 编辑本段 实际运用

折叠 道路工程中的应用

GPS在道路工程中的应用,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,以知点少,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。中国已逐步采用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。

折叠 巡更应用

GPS是英文GlobalPositioningSystem(全球定位系统)的简称。GPS运用到电子巡更里的优势是如果一个比较长比较远的巡检线路,不需要安装巡检点,直接从卫星上取得坐标信号,主要适用于长距离巡更巡检如电信、森林防火、石化油气管道勘查等。澳普门禁的左光智介绍:“但是GPS容易受环境的影响,比如因为阴天的森林天上有云、电离层都会对卫星信号产生影响甚至有可能定位不到。”加上GPS耗电量大,成本高;最大的局限性是GPS不能在封闭的空间内比如大楼里面使用,而巡更产品大部分是用于室内的[4]。

折叠 汽车导航和交通管理中的应用

(1)车辆跟踪

利用GPS和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置,并可任意放大、缩小、还原、换图;可以随目标移动,使目标始终保持在屏幕上;还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。

(2)提供出行路线规划和导航

提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要的辅助功能,它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地,由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线,包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线的计算。人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等,自动建立路线库。线路规划完毕后,显示器能够在电子地图上显示设计路线,并同时显示汽车运行路径和运行方法。

(3)信息查询

为用户提供主要物标、如旅游景点、宾馆、医院等数据库,用户能够在电子地图上显示其位置。同时,监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询,车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。

(4)话务指挥

指挥中心可以监测区域内车辆运行状况,对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话,实行管理。

(5)紧急援助

通过GPS定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标,规划最优援助方案,并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。

折叠 其它应用

GPS除了用于导航、定位、测量外,由于GPS系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息,因此,以空间卫星上的精确时钟为基础,在地面监测站的监控下,传送精确时间和频率是GPS的另一重要应用,应用该功能可进行精确时间或频率的控制,可为许多工程实验服务。此外,据国外资料显示,还可利用GPS获得气象数据,为某些实验和工程应用。

时间服务以GPS的时间为基准,为领域内的设备提供时间服务,是时间服务器基准时间重要来源。

全球卫星定位系统GPS是开发的最具有开创意义的高新技术之一,其全球性、全能性、全天侯性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。在发达国家,GPS技术已经开始应用于交通运输和交通工程。GPS技术在中国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步,随着我国经济的发展,高等级公路的快速修建和GPS技术的应用研究的逐步深入,其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入,并发挥更大的作用。

折叠 编辑本段 发展前景

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10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,而在中国,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。[1]

折叠 编辑本段 我国前景

随着汽车、手机等高档消费品的普及,中国正在成为全球卫星定位导航系统(GPS)产业增长最快的市场之一。“十一五”期间,GPS在多个领域将会拥有更大的发展空间。然而,由于GPS在我国尚处于起步阶段,与产业发展相配套的环境还不完善,制约了企业的创新和发展。致力于GPS产业发展的有识之士时刻关注着这些问题,并亲自实践探索其发展和突破之道。北京东方联星科技有限公司总经理张峻林是众多探索者中的一员。有了更多这样的有识之士,中国GPS产业的明天值得期待。

中国投资咨询网《2007年中国GPS导航市场分析及投资咨询报告》称,截至2005年底,中国安装车载导航设备的车辆不足10万辆,普及率不到1%。随着中国市场的高速发展及新品牌的层出不穷,预计GPS产业产值在2007年可接近10亿元。“十一五”期间,GPS在航空、海路、铁路、建筑、电信、电力等领域的应用都会有很大的发展空间。然而,由于GPS在我国处于起步阶段,与产业发展相配套的环境还不尽完善,制约了企业的创新和发展。

参考资料

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