GPS技術(shù)

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     GPS又稱為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning SystemGPS）是美國(guó)從上世紀(jì)70年代開(kāi)始研制歷時(shí)20年耗資200億美元于1994年3月完成其整體部署實(shí)現(xiàn)其全天候、高精度和全球的覆蓋能力現(xiàn)在GPS于現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合使得測(cè)定地球表面三維坐標(biāo)的方法叢靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài)叢數(shù)據(jù)后處理發(fā)展到實(shí)時(shí)的定位與導(dǎo)航極大地?cái)U(kuò)展了它地應(yīng)用廣度和深度?！?/strong>

  一、GPS的概念

    GPS是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，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)。GPS是由空間星座、地面控制和用戶設(shè)備等三部分構(gòu)成的。GPS測(cè)量技術(shù)能夠快速、高效、準(zhǔn)確地提供點(diǎn)、線、面要素的精確三維坐標(biāo)以及其他相關(guān)信息，具有全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于軍事、民用交通(船舶、飛機(jī)、汽車等)導(dǎo)航、大地測(cè)量、攝影測(cè)量、野外考察探險(xiǎn)、土地利用調(diào)查、精確農(nóng)業(yè)以及日常生活(人員跟蹤、休閑娛樂(lè))等不同領(lǐng)域。
 　
  
  二、GPS系統(tǒng)的組成

  GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分—GPS信號(hào)接收機(jī)。

 1， GPS衛(wèi)星星座：

   由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座記作（21+3）GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)軌道傾角為55度各個(gè)軌道平面之間相距60度即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。
 
  在兩萬(wàn)公里高空的GPS衛(wèi)星當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵?lái)說(shuō)自轉(zhuǎn)一周時(shí)它們繞地球運(yùn)行二周即繞地球一周的時(shí)間為12恒星時(shí)。這樣對(duì)于地面觀測(cè)者來(lái)說(shuō)每天將提前4分鐘見(jiàn)到同一顆GPS衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同最少可見(jiàn)到4顆最多可見(jiàn)到11顆。在用GPS信號(hào)導(dǎo)航定位時(shí)為了結(jié)算測(cè)站的三維坐標(biāo)必須觀測(cè)4顆GPS[1]衛(wèi)星稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測(cè)過(guò)程中的幾何位置分布對(duì)定位精度有一定的影響。對(duì)于某地某時(shí)甚至不能測(cè)得精確的點(diǎn)位坐標(biāo)這種時(shí)間段叫做“間隙段”。但這種時(shí)間間隙段是很短暫的并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實(shí)時(shí)的導(dǎo)航定位測(cè)量。GPS工作衛(wèi)星的編號(hào)和試驗(yàn)衛(wèi)星基本相同。
 　　
   2， 地面監(jiān)控系統(tǒng)：
 
   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，GPS信號(hào)接收機(jī)：

 　　GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置位置甚至三維速度和時(shí)間。

 　　GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的信息資源。對(duì)于陸地、海洋和空間的廣大用戶只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備即GPS信號(hào)接收機(jī)?？梢栽谌魏螘r(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量。根據(jù)使用目的的不同用戶要求的GPS信號(hào)接收機(jī)也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機(jī)產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來(lái)分類。

 　　靜態(tài)定位中GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過(guò)程中固定不變接收機(jī)高精度地測(cè)量GPS信號(hào)的傳播時(shí)間利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動(dòng)態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。GPS信號(hào)接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦空中的飛機(jī)行走的車輛等）。載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過(guò)程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)接收機(jī)用GPS信號(hào)實(shí)時(shí)地測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。

 　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大部分。對(duì)于測(cè)地型接收機(jī)來(lái)說(shuō)兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨(dú)立的部件觀測(cè)時(shí)將天線單元安置在測(cè)站上接收單元置于測(cè)站附近的適當(dāng)?shù)胤接秒娎|線將兩者連接成一個(gè)整機(jī)。也有的將天線單元和接收單元制作成一個(gè)整體觀測(cè)時(shí)將其安置在測(cè)站點(diǎn)上。

 　GPS接收機(jī)一般用蓄電池做電源。同時(shí)采用機(jī)內(nèi)機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電池的過(guò)程中機(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)器供電以防止丟失數(shù)據(jù)。

 　近幾年國(guó)內(nèi)引進(jìn)了許多種類型的GPS測(cè)地型接收機(jī)。各種類型的GPS測(cè)地型接收機(jī)用于精密相對(duì)定位時(shí)其雙頻接收機(jī)精度可達(dá)5MM+1PPM.D單頻接收機(jī)在一定距離內(nèi)精度可達(dá)10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可達(dá)亞米級(jí)至厘米級(jí)。 

  目前各種類型的GPS[2]接收機(jī)體積越來(lái)越小重量越來(lái)越輕便于野外觀測(cè)。GPS和GLONASS兼容的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)接收機(jī)已經(jīng)問(wèn)世。
 　　
  三、GPS的定位原理

 GPS的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息用戶接收到這些信息后經(jīng)過(guò)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。
 
  四、GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)

 　GPS系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣泛等。

 　定位精度高應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明GPS相對(duì)定位精度在50KM以內(nèi)可達(dá)10-6100-500KM可達(dá)10-71000KM可達(dá)10-9。在300-1500M工程精密定位中1小時(shí)以上觀測(cè)的解其平面其平面位置誤差小于1mm與ME-5000電磁波測(cè)距儀測(cè)定得邊長(zhǎng)比較其邊長(zhǎng)較差最大為0.5mm校差中誤差為0.3mm。

 　觀測(cè)時(shí)間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善軟件的不斷更新目前20KM以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15KM以內(nèi)時(shí)流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)間只需1-2分鐘然后可隨時(shí)定位每站觀測(cè)只需幾秒鐘。

 　測(cè)站間無(wú)須通視GPS測(cè)量不要求測(cè)站之間互相通視只需測(cè)站上空開(kāi)闊即可因此可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用。由于無(wú)需點(diǎn)間通視點(diǎn)位位置可根據(jù)需要可稀可密使選點(diǎn)工作甚為靈活也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)、過(guò)渡點(diǎn)的測(cè)量工作。

 　可提供三維坐標(biāo)經(jīng)典大地測(cè)量將平面與高程采用不同方法分別施測(cè)。GPS可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。

 　操作簡(jiǎn)便隨著GPS接收機(jī)不斷改進(jìn)自動(dòng)化程度越來(lái)越高有的已達(dá)“傻瓜化”的程度；接收機(jī)的體積越來(lái)越小重量越來(lái)越輕極大地減輕測(cè)量工作者的工作緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)度。使野外工作變得輕松愉快。
 　全天候作業(yè)目前GPS觀測(cè)可在一天24小時(shí)內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響功能多、應(yīng)用廣。

 　從這些特點(diǎn)中可以看出GPS系統(tǒng)不僅可用于測(cè)量、導(dǎo)航還可用于測(cè)速、測(cè)時(shí)。測(cè)速的精度可達(dá)0.1M/S測(cè)時(shí)的精度可達(dá)幾十毫微秒。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。GPS系統(tǒng)的應(yīng)用前景當(dāng)初設(shè)計(jì)GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航收集情報(bào)等軍事目的。但是后來(lái)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)表明GPS系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到上述目的而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來(lái)的導(dǎo)航定位信號(hào)能夠進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對(duì)定位米級(jí)至亞米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)定位亞米級(jí)至厘米級(jí)精度的速度測(cè)量和毫微秒級(jí)精度的時(shí)間測(cè)量。因此GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景。
 　　
  五、GPS的用途

   GPS最初就是為軍方提供精確定位而建立的至今它仍然由美國(guó)軍方控制。軍用GPS產(chǎn)品主要用來(lái)確定并跟蹤在野外行進(jìn)中的士兵和裝備的坐標(biāo)給海中的軍艦導(dǎo)航為軍用飛機(jī)提供位置和導(dǎo)航信息等。

   目前GPS系統(tǒng)的應(yīng)用已將十分廣泛我們可以應(yīng)用GPS信號(hào)可以進(jìn)行海、空和陸地的導(dǎo)航導(dǎo)彈的制導(dǎo)大地測(cè)量和工程測(cè)量的精密定位時(shí)間的傳遞和速度的測(cè)量等。對(duì)于測(cè)繪領(lǐng)域GPS衛(wèi)星定位技術(shù)已經(jīng)用于建立高精度的全國(guó)性的大地測(cè)量控制網(wǎng)測(cè)定全球性的地球動(dòng)態(tài)參數(shù)；用于建立陸地海洋大地測(cè)量基準(zhǔn)進(jìn)行高精度的海島陸地聯(lián)測(cè)以及海洋測(cè)繪；用于監(jiān)測(cè)地球板塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地殼形變；用于工程測(cè)量成為建立城市與工程控制網(wǎng)的主要手段。用于測(cè)定航空航天攝影瞬間的相機(jī)位置實(shí)現(xiàn)僅有少量地面控制或無(wú)地面控制的航測(cè)快速成圖導(dǎo)致地理信息系統(tǒng)、全球環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)的技術(shù)革命。

   許多商業(yè)和政府機(jī)構(gòu)也使用GPS設(shè)備來(lái)跟蹤他們的車輛位置這一般需要借助無(wú)線通信技術(shù)。一些GPS接收器集成了收音機(jī)、無(wú)線電話和移動(dòng)數(shù)據(jù)終端來(lái)適應(yīng)車隊(duì)管理的需要。

  由于多元化空間資源環(huán)境的出現(xiàn) 使得GPSGLONASSINMARSAT等系統(tǒng)都具備了導(dǎo)航定位功能形成了多元化的空間資源環(huán)境。這一多元化的空間資源環(huán)境促使國(guó)際民間形成了一個(gè)共同的策略即一方面對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)充分利用一方面積極籌建民間GNSS系統(tǒng)待到2010年前后GNSS純民間系統(tǒng)建成全球?qū)⑿纬蒅PS/GLONASS/GNSS三足鼎立之勢(shì)才能從根本上擺脫對(duì)單一系統(tǒng)的依賴形成國(guó)際共有、國(guó)際共享的安全資源環(huán)境。世界才可進(jìn)入將衛(wèi)星導(dǎo)航作為單一導(dǎo)航手段的最高應(yīng)用境界。國(guó)際民間的這一策略反過(guò)來(lái)有影響和迫使美國(guó)對(duì)其GPS使用政策作出更開(kāi)放的調(diào)整?？傊捎诙嘣臻g資源環(huán)境的確立給GPS的發(fā)展應(yīng)用創(chuàng)造了一個(gè)前所未有的良好的國(guó)際環(huán)境。

   車載GPS技術(shù)層面的發(fā)展趨勢(shì) 第一個(gè)大趨勢(shì)就是頻率分集技術(shù)（frequency diversity），實(shí)際上已經(jīng)正在第二代GPS系統(tǒng)替換老化衛(wèi)星過(guò)程中進(jìn)行。完成以后，現(xiàn)代化的衛(wèi)星星座將為民用用戶提供三種新的定位信號(hào)。此外，歐洲聯(lián)盟在2002年3月啟動(dòng)的“伽里略”計(jì)劃也采取了此種技術(shù)。 第二個(gè)大趨勢(shì)就是克服射頻干擾(RFI)。GPS廣播的功率特別低，一般為10到16瓦，很容易就會(huì)被周圍的射頻信號(hào)所干擾，而不能正常工作。GPS接收器將通過(guò)把接收到的測(cè)距碼與儲(chǔ)存在本地的復(fù)制碼的相位進(jìn)行匹配來(lái)穿透噪聲。當(dāng)相位一致時(shí)，接收器就能夠以定時(shí)信號(hào)作為精確的參考，因此就可以準(zhǔn)確的定位。 第三個(gè)大趨勢(shì)就是安裝保證定位誤差小于某一個(gè)特定值的綜合機(jī)械系統(tǒng)。采用微分GPS技術(shù)，系統(tǒng)將獲得來(lái)自地球同步軌道通信衛(wèi)星的最新誤差校正信息，修正數(shù)據(jù)來(lái)自于地面參考接收器。過(guò)去GPS的誤差為2米，現(xiàn)在將更小。