GPS

【名詞簡(jiǎn)介】 [編輯本段]

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（Globle Positioning System）是一種結(jié)合衛(wèi)星及通訊發(fā)展的技術(shù)，利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)GPS）是美國(guó)從本世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，歷時(shí)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(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)近十年我國(guó)測(cè)繪等部門(mén)的使用表明，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等特點(diǎn)，成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)測(cè)量、工程變形測(cè)量、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，取得了好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

【發(fā)展歷程】 [編輯本段]

自1978年以來(lái)已經(jīng)有超過(guò)50顆GPS和NAVSTAR衛(wèi)星進(jìn)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(jì)劃在聯(lián)合計(jì)劃局的領(lǐng)導(dǎo)下誕生了，該方案將24顆衛(wèi)星放置在互成120度的三個(gè)軌道上。每個(gè)軌道上有8顆衛(wèi)星，地球上任何一點(diǎn)均能觀測(cè)到6至9顆衛(wèi)星。這樣，粗碼精度可達(dá)100m，精碼精度為10m。由于預(yù)算壓縮，GPS計(jì)劃部得不減少衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量，改為將18顆衛(wèi)星分布在互成60度的6個(gè)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(jìn)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(xiàn)在GPS衛(wèi)星所使用的工作方式。

GPS計(jì)劃的實(shí)施共分三個(gè)階段：

第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)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(yàn)衛(wèi)星，衛(wèi)星運(yùn)行軌道長(zhǎng)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(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)，結(jié)果令人滿(mǎn)意。

第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段。

從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆稱(chēng)為BLOCK I 的試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用粗碼定位，其精度就可達(dá)14米。

第三階段為實(shí)用組網(wǎng)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(chēng)為BLOCK II 和 BLOCK II A。此階段宣告GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)狀態(tài)。1993年底實(shí)用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)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(hù)設(shè)備部分—GPS信號(hào)接收機(jī)。

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(gè)軌道面上（每個(gè)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(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)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(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰�。GPS衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼， 一組稱(chēng)為C/A碼（Coarse/Acquisition Code11023MHz）；一組稱(chēng)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(guó)軍方管制，并設(shè)有密碼，一般民間無(wú)法解讀，主要為美國(guó)軍方服務(wù)。C/A碼人為采取措施而刻意降低精度后，主要開(kāi)放給民間使用。

2、地面控制部分

地面控制部分由一個(gè)主控站，5個(gè)全球監(jiān)測(cè)站和3個(gè)地面控制站組成。監(jiān)測(cè)站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測(cè)量到所有可見(jiàn)衛(wèi)星的接受機(jī)。監(jiān)測(cè)站將取得的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括電離層和氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)初步處理后，傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測(cè)站收集跟蹤數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù)，然后將結(jié)果送到3個(gè)地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)，把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS衛(wèi)星每天一次，并在衛(wèi)星離開(kāi)注入站作用范圍之前進(jìn)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(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時(shí)間，但導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。

對(duì)于導(dǎo)航定位來(lái)說(shuō)，GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的 的參數(shù)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(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測(cè) 各顆衛(wèi)星的時(shí)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(dǎo)航電文發(fā)給用戶(hù)設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。

3、用戶(hù)設(shè)備部分

用戶(hù)設(shè)備部分即GPS信號(hào)接收機(jī)。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(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，即可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率，解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶(hù)所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶(hù)設(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類(lèi)型的接受機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于野外觀測(cè)使用。

【GPS衛(wèi)星】 [編輯本段]

在測(cè)試架上的GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星是由洛克菲爾國(guó)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(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為1.5m。衛(wèi)星兩側(cè)裝有兩塊雙葉對(duì)日定向太陽(yáng)能電池帆板（BLOCK I），全長(zhǎng)5.33m接受日光面積為7.2m2。對(duì)日定向系統(tǒng)控制兩翼電池帆板旋轉(zhuǎn)，使板面始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，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(gè)單元的多波束定向天線，能發(fā)射張角大約為30度的兩個(gè)L波段（19cm和24cm波）的信號(hào)。在星體的兩端面上裝有全向遙測(cè)遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)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(dāng)?shù)母叨群徒嵌�，�?zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星的可見(jiàn)地面。

【差分技術(shù)】 [編輯本段]

為了使民用的精確度提升，科學(xué)界發(fā)展另一種技術(shù)，稱(chēng)為差分全球定位系統(tǒng)（Differential GPS）， 簡(jiǎn)稱(chēng)DGPS。亦即利用附近的已知參考坐標(biāo)點(diǎn)（由其它測(cè)量方法所得），來(lái)修正GPS的誤差。再把這個(gè)即時(shí)（real time）誤差值加入本身坐標(biāo)運(yùn)算的考慮，便可獲得更精確的值。

GPS有2D導(dǎo)航和3D導(dǎo)航分，在衛(wèi)星信號(hào)不夠時(shí)無(wú)法提供3D導(dǎo)航服務(wù)，而且海拔高度精度明顯不夠，有時(shí)達(dá)到10倍誤差。但是在經(jīng)緯度方面經(jīng)改進(jìn)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(hào)要花較長(zhǎng)時(shí)間。

【特點(diǎn)】 [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(dá)98%）；

第三，七維定點(diǎn)定速定時(shí)高精度；

第四，快速、省時(shí)、高效率；

第五，應(yīng)用廣泛、多功能；

第六，可移動(dòng)定位。