GPS

【名詞簡介】 [編輯本段]

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Globle Positioning System）是一種結合衛(wèi)星及通訊發(fā)展的技術，利用導航衛(wèi)星進行測時和測距。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（簡稱GPS）是美國從本世紀70年代開始研制，歷時20余年，耗資200億美元，于1994年全面建成。具有海陸空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。經過近十年我國測繪等部門的使用表明，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以全天候、高精度、自動化、高效益等特點，成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影、運載工具導航和管制、地殼運動測量、工程變形測量、資源勘察、地球動力學等多種學科，取得了好的經濟效益和社會效益。

【發(fā)展歷程】 [編輯本段]

自1978年以來已經有超過50顆GPS和NAVSTAR衛(wèi)星進入軌道。

系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Transit），1958年研制，64年正式投入使用。

最初的GPS計劃在聯(lián)合計劃局的領導下誕生了，該方案將24顆衛(wèi)星放置在互成120度的三個軌道上。每個軌道上有8顆衛(wèi)星，地球上任何一點均能觀測到6至9顆衛(wèi)星。這樣，粗碼精度可達100m，精碼精度為10m。由于預算壓縮，GPS計劃部得不減少衛(wèi)星發(fā)射數量，改為將18顆衛(wèi)星分布在互成60度的6個軌道上。然而這一方案使得衛(wèi)星可靠性得不到保障。1988年又進行了最后一次修改：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(wèi)星所使用的工作方式。

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，由位于加利福尼亞的范登堡空軍基地采用雙子座火箭發(fā)射4顆試驗衛(wèi)星，衛(wèi)星運行軌道長半軸為26560km，傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研制了地面接收機及建立地面跟蹤網，結果令人滿意。

第二階段為全面研制和試驗階段。

從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆稱為BLOCK I 的試驗衛(wèi)星，研制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(wèi)星發(fā)射成功，這一階段的衛(wèi)星稱為BLOCK II 和 BLOCK II A。此階段宣告GPS系統(tǒng)進入工程建設狀態(tài)。1993年底實用的GPS網即（21+3）GPS星座已經建成，今后將根據計劃更換失效的衛(wèi)星。

【組成部分】 [編輯本段]

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成：空間部分—GPS星座（GPS星座是由24顆衛(wèi)星組成的星座，其中21顆是工作衛(wèi)星，3顆是備份衛(wèi)星）；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)； 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(wèi)星組成，它位于距地表20200km的上空，均勻分布在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(wèi)星在軌運行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛(wèi)星，并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(xù)的全球導航能力。GPS衛(wèi)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，并設有密碼，一般民間無法解讀，主要為美國軍方服務。C/A碼人為采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(jiān)測站和3個地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接受機。監(jiān)測站將取得的衛(wèi)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(jiān)測站收集跟蹤數據，計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數，然后將結果送到3個地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運行至上空時，把這些導航數據及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆GPS衛(wèi)星每天一次，并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障，那么在衛(wèi)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。

對于導航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。星的位置是依據衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運動及其軌道的 的參數算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預定軌道運行，都要由地面設備進行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng) 另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準—GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測 各顆衛(wèi)星的時間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導航電文發(fā)給用戶設備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。

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(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后，即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調出衛(wèi)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。接收機硬件和機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包構成完整的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。接收機一般采用機內和機外兩種直流電源。設置機內電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)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，便于野外觀測使用。

【GPS衛(wèi)星】 [編輯本段]

在測試架上的GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星是由洛克菲爾國際公司空間部研制的，衛(wèi)星重774kg，使用壽命為7年。衛(wèi)星采用蜂窩結構，主體呈柱形，直徑為1.5m。衛(wèi)星兩側裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板（BLOCK I），全長5.33m接受日光面積為7.2m2。對日定向系統(tǒng)控制兩翼電池帆板旋轉，使板面始終對準太陽，為衛(wèi)星不斷提供電力，并給三組15Ah鎘鎳電池充電，以保證衛(wèi)星在地球陰影部分能正常工作。在星體底部裝有12個單元的多波束定向天線，能發(fā)射張角大約為30度的兩個L波段（19cm和24cm波）的信號。在星體的兩端面上裝有全向遙測遙控天線，用于與地面監(jiān)控網的通信。此外衛(wèi)星還裝有姿態(tài)控制系統(tǒng)和軌道控制系統(tǒng)，以便使衛(wèi)星保持在適當的高度和角度，準確對準衛(wèi)星的可見地面。

【差分技術】 [編輯本段]

為了使民用的精確度提升，科學界發(fā)展另一種技術，稱為差分全球定位系統(tǒng)（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(wèi)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(wèi)星定位儀在高樓林立的地區(qū)撲捉衛(wèi)星信號要花較長時間。

【特點】 [編輯本段]

第一，全天候，不受任何天氣的影響；

第二，全球覆蓋（高達98%）；

第三，七維定點定速定時高精度；

第四，快速、省時、高效率；

第五，應用廣泛、多功能；

第六，可移動定位。