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1、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) 名詞簡(jiǎn)介 　　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

2、會(huì)效益。 發(fā)展歷程 　　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. 　　前身 　　GPS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。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過(guò)地球13次，并且無(wú)法給出高度-{A|zh-cn:信息;zh-tw:資訊}-，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對(duì)衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗(yàn)，并驗(yàn)證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位的可行性，為GPS系統(tǒng)的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導(dǎo)航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對(duì)潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。美國(guó)海陸空三軍及

3、民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。為此,美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)計(jì)劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆試驗(yàn)衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上初步試驗(yàn)了原子鐘計(jì)時(shí)系統(tǒng)，這是GPS系統(tǒng)精確定位的基礎(chǔ)。而美國(guó)空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛(wèi)星組成3至4個(gè)星群的計(jì)劃，這些衛(wèi)星中除1顆采用同步軌道外其余的都使用周期為24h的傾斜軌道 該計(jì)劃以偽隨機(jī)碼(PRN)為基礎(chǔ)傳播衛(wèi)星測(cè)距信號(hào)，其強(qiáng)大的功能，當(dāng)信號(hào)密度低于環(huán)境噪聲的１％時(shí)也能將其檢測(cè)出來(lái)。偽隨機(jī)碼的成功運(yùn)用是GPS系統(tǒng)得以取得成功的一個(gè)重要基礎(chǔ)。海軍的計(jì)

4、劃主要用于為艦船提供低動(dòng)態(tài)的2維定位，空軍的計(jì)劃能供提供高動(dòng)態(tài)服務(wù)，然而系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜。由于同時(shí)研制兩個(gè)系統(tǒng)會(huì)造成巨大的費(fèi)用而且這里兩個(gè)計(jì)劃都是為了提供全球定位而設(shè)計(jì)的，所以1973年美國(guó)國(guó)防部將2者合二為一，并由國(guó)防部牽頭的衛(wèi)星導(dǎo)航定位聯(lián)合計(jì)劃局（JPO)領(lǐng)導(dǎo)，還將辦事機(jī)構(gòu)設(shè)立在洛杉磯的空軍航天處。該機(jī)構(gòu)成員眾多，包括美國(guó)陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、交通部、國(guó)防制圖局、北約和澳大利亞的代表。 　　計(jì)劃 　　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

5、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。 　　計(jì)劃實(shí)施 　　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)果令人滿意。 　

6、　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)星稱為BLOCK II 和 BLOCK IIA。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 　　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

7、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(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20 200km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, 一組稱為C/ A 碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P

8、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

9、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

10、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.用戶設(shè)備部分 　　用戶設(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 用戶設(shè)備。GPS 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天

11、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 　　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

12、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。 　　由GPS系統(tǒng)的工作原理可知，星載時(shí)鐘的精確度越高，其定位精度也越高。早期試驗(yàn)型衛(wèi)星采用由霍普金斯大學(xué)研制的石英振蕩器，相對(duì)頻率穩(wěn)定度為10 ? 11/天。誤差為14米。1974年以后，gps衛(wèi)星采用銣原子鐘，相對(duì)頻率穩(wěn)定度達(dá)到10 ? 12/天，誤

13、差8m。1977年，BOKCK II型采用了馬斯頻率和時(shí)間系統(tǒng)公司研制的銫原子鐘后相對(duì)穩(wěn)定頻率達(dá)到10 ? 13/天,誤差則降為2.9m。1981年，休斯公司研制的相對(duì)穩(wěn)定頻率為10 ? 14/天的氫原子鐘使BLOCK IIR型衛(wèi)星誤差僅為1m。 原理介紹 　　當(dāng)蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后，美國(guó)約翰霍布斯金大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員提出既然可以已知觀測(cè)站的位置知道衛(wèi)星位置，那么如果已知衛(wèi)星位置，應(yīng)該也能測(cè)量出接收者的所在位置。這是導(dǎo)航衛(wèi)星的基本設(shè)想。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星

14、的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過(guò)紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)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,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工

15、作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中-{A|zh-cn:解調(diào)制;zh-tw:解調(diào)變}-出來(lái)，以50b/s-{A|zh-cn:調(diào)制;zh-tw:調(diào)變}-在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s。前三幀各10個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84-{A|zh-cn:大地坐標(biāo)系;

16、zh-tw:大地坐標(biāo)系}-中的位置速度等信息便可得知。可見(jiàn)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維-{A|zh-cn:坐標(biāo);zh-tw:坐標(biāo)}-x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)Δt即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來(lái)。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。 差分技術(shù) 　　為了使民用的精確度提升，科學(xué)界發(fā)展另一種技術(shù)，稱為差分全球定位系統(tǒng)(Differential GPS), 簡(jiǎn)稱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

17、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。 功能介紹 　　精確定時(shí)：廣泛應(yīng)用在天文臺(tái)、通信系統(tǒng)基站、電視臺(tái)中 　　工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量采用GPS設(shè)備進(jìn)行工程測(cè)量 　　勘探測(cè)繪：野外勘探及城區(qū)規(guī)劃中都有用到 　　導(dǎo)航： 武器導(dǎo)航：精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈 　　車輛導(dǎo)航：車輛調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)

18、　　船舶導(dǎo)航：遠(yuǎn)洋導(dǎo)航、港口/內(nèi)河引水 　　飛機(jī)導(dǎo)航：航線導(dǎo)航、進(jìn)場(chǎng)著陸控制 　　星際導(dǎo)航：衛(wèi)星軌道定位 　　個(gè)人導(dǎo)航：個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn) 　　定位： 車輛防盜系統(tǒng) 　　手機(jī)，PDA，PPC等通信移動(dòng)設(shè)備防盜，電子地圖，定位系統(tǒng) 　　兒童及特殊人群的防走失系統(tǒng) 　　農(nóng)業(yè)勘測(cè) 六大特點(diǎn) 　　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。 　　經(jīng)濟(jì)型方案時(shí)我們把服務(wù)中心直接轉(zhuǎn)移到客戶的手機(jī)上，客戶

19、直接用手機(jī)查看到定位短信息（GPS度、分、秒數(shù)據(jù)格式），如果使用城際通電子地圖軟件，它直接支持輸入GPS度、分、秒數(shù)據(jù)定位的功能，如果用北京靈圖的天新者5，可以借助我們的GPS定位大師專用軟件中的手動(dòng)輸入經(jīng)緯度功能進(jìn)行定位，這個(gè)方案比較適合低頻率查車，例如：家庭汽車、單位的自備車。 　　增強(qiáng)型方案時(shí)客戶可以購(gòu)買我們的專用衛(wèi)星定位管理主機(jī)，它不但可以自動(dòng)接收多輛汽車定位短消息，而且自動(dòng)分類保存在電腦內(nèi)，每臺(tái)車輛都建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，輕點(diǎn)鼠標(biāo)就能調(diào)出某輛車的全部定位記錄，只要點(diǎn)擊目標(biāo)數(shù)據(jù)就能自動(dòng)切換到電子地圖上顯示車輛的位置，點(diǎn)擊前進(jìn)或者后退按鈕還能在電子地圖上演示汽車的形式軌跡，每臺(tái)車輛都可以取不同的名稱，便于管理多輛汽車，非常方便，便于多車頻繁查詢，例如：物流公司、汽車租賃公司、車隊(duì)