GPS -衛星導航系統

GPS

GPS是英文Global Positioning System(全球定位系統)的簡稱。GPS起始于1958年美國軍方的一個項目,1964年投入使用。20世紀70年代,美國陸海空三軍聯合研製了新一代衛星定位系統GPS 。主要目的是為陸海空三大領域提供即時、全天候和全球性的導航服務,並用于情報蒐集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的,經過20餘年的研究實驗,耗資300億美元,到1994年,全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座己布設完成。在機械領域GPS則有另外一種含義:產品幾何技術規範(Geometrical Product Specifications, 簡稱GPS)。另外一種含義為G/s(GB per second)。GPS(Generalized Processor Sharing)廣義為處理器分享,網路服務質量控製中的專用術語。good

  • 中文名稱
    全球定位系統
  • 外文名稱
    Global Positioning System
  • 簡稱
    GPS
  • 使用時間
    1964
  • 研發單位
    美國政府

​基本簡介

全球定位系統(英語:Global Positioning System,通常簡稱GPS),又稱全球衛星定位系統,是一個中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區(98%)提供準確的定位、測速和高精度的時間標準。系統由美國國防部研製和維護,可滿足位于全球任何地方或近地空間的軍事使用者連續精確的確定三維位置、三維運動和時間的需要。該系統包括太空中的24顆GPS衛星;地面上1個主控站、3個資料註入站和5個監測站及作為使用者端的GPS接收機。最少隻需其中3顆衛星,就能迅速確定使用者端在地球上所處的位置及海拔高度;所能收聯接到的衛星數越多,解碼出來的位置就越精確。

該系統由美國政府于1970年代開始進行研製並于1994年全面建成。使用者隻需擁有GPS接收機即可使用該服務,無需另外付費。GPS信號分為民用的標準定位服務(SPS,Standard Positioning Service)和軍規的精確定位服務(PPS,Precise Positioning Service)兩類。由于SPS無須任何授權即可任意使用,原本美國因為擔心敵對國家或組織會利用SPS對美國發動攻擊,故在民用訊號中人為地加入選擇性誤差(即SA政策,Selective Availability)以降低其精確度,使其最終定位精確度大概在100米左右;軍規的精度在十米以下。2000年以後,柯林頓政府決定取消對民用訊號的幹擾。因此,現在民用GPS也可以達到十米左右的定位精度。

全球定位系統全球定位系統

GPS系統擁有如下多種優點:使用低頻訊號,縱使天候不佳仍能保持相當的訊號穿透性;全球覆蓋(高達98%);三維定速定時高精度;快速、省時、高效率;套用廣泛、多功能;可移動定位;不同于雙星定位系統,使用過程中接收機不需要發出任何信號增加了隱蔽性,提高了其軍事套用效能。

發展歷程

前身

GPS系統的前身為美軍研製的一種子午儀衛星定位系統,1958年研製,1964年正式投入使用。該系統用5到6顆衛星組成的星網工作,每天最多繞過地球13次,並且無法給出高度信息,在定位精度方面也不盡如人意。然而,子午儀系統使得研發部門對衛星定位取得了初步的經驗,並驗證了由衛星系統進行定位的可行性,為GPS系統的研製埋下了鋪墊。由于衛星定位顯示出在導航方面的巨大優越性及子午儀系統存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。為此,美國海軍研究實驗室提出了名為Tinmation的用12到18顆衛星組成10000公裏高度的全球定位網計畫,並于67年、69年和74年各發射了一顆試驗衛星,在這些衛星上初步試驗了原子鍾計時系統,這是GPS系統精確定位的基礎。

全球定位系統全球定位系統

而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛星組成3至4個星群的計畫,這些衛星中除1顆採用同步軌道外其餘的都使用周期為24h的傾斜軌道 該計畫以偽隨機碼(PRN)為基礎傳播衛星測距信號,其強大的功能,當信號密度低于環境噪聲的1%時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統得以取得成功的一個重要基礎。海軍的計畫主要用于為艦船提供低動態的2維定位,空軍的計畫能供提供高動態服務,然而系統過于復雜。由于同時研製兩個系統會造成巨大的費用,而且這裏兩個計畫都是為了提供全球定位而設計的,所以1973年美國國防部將2者合二為一,並由國防部牽頭的衛星導航定位聯合計畫局(JPO)領導,還將辦事機構設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構成員眾多,包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、交通部、國防製圖局、北約和澳大利亞的代表。

計畫

最初的GPS計畫在聯合計畫局的領導下誕生了,該方案將24個衛星放置在互成120度的六個軌道上。每個軌道上有4個衛星,地球上任何一點均能觀測到6至9個衛星。這樣,粗碼精度可達100m,精碼精度為10m。 由于預算緊縮,GPS計畫得減少發射衛星,改為將18個衛星分布在互成60度的6個軌道上。然而這一方案不能確保衛星可靠性。1988年又進行了最後一次修改:在互成30度的6條軌道上有21個運作衛星和3個備份衛星。這也是現在GPS衛星所使用的工作方式。

GPS計畫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範登堡空軍基地採用雙子座火箭發射4顆試驗衛星,衛星運行軌道長半軸為26560km,傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研製了地面接收機及建立地面跟蹤網,結果令人滿意。

全球定位系統全球定位系統

第二階段為全面研製和試驗階段。

從1979年到1984年,又陸續發射了7顆稱為BLOCK I的試驗衛星,研製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工作衛星發射成功,這一階段的衛星稱為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統進入工程建設狀態。1993年底使用的GPS網即(21+3)GPS星座已經建成,今後將根據計畫更換失效的衛星。

系統組成

GPS系統主要由空間星座部分、地面監控部分和使用者設備部分組成。

空間星座部分

GPS衛星星座由24顆衛星組成,其中21顆為工作衛星,3顆為備用衛星。24顆衛星均勻分布在6個軌道平面上,即每個軌道面上有4顆衛星。衛星軌道面相對于地球赤道面的軌道傾角為55°,各軌道平面的升交點的赤經相差60° ,一個軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星升交角距超前30°。這種布局的目的是保證在全球任何地點、任何時刻至少可以觀測到4顆衛星。

GPS衛星是由洛克菲爾國際公司空間部研製的,衛星重774kg,使用壽命為7年。衛星採用蜂窩結構,主體呈柱形,直徑為1.5m。衛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7.2。對日定向系統控製兩翼電池帆板旋轉,使板面始終對準太陽,為衛星不斷提供電力,並給三組15Ah鎳鎘電池充電,以保證衛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,用于與地面監控網的通信。此外衛星還裝有姿態控製系統和軌道控製系統,以便使衛星保持在適當的高度和角度,準確對準衛星的可見地面。

全球定位系統全球定位系統

由GPS系統的工作原理可知,星載時鍾的精確度越高,其定位精度也越高。早期試驗型衛星採用由霍普金斯大學研製的石英振蕩器,相對頻率穩定度為/秒。誤差為14m。1974年以後,GPS衛星採用銣原子鍾,相對頻率穩定度達到/秒,誤差8m。1977年,BOKCK II型採用了馬斯頻率和時間系統公司研製的銫原子鍾後相對穩定頻率達到/秒,誤差則降為2.9m。1981年,休斯公司研製的相對穩定頻率為/秒的氫原子鍾使BLOCK IIR型衛星誤差僅為1m。

地面監控部分

地面監控部分主要由1個主控站(Master Control Station ,簡稱MCS)、4個地面天線站(Ground Antenna)和6個監測站(Monitor Station)組成。

主控站位于美國科羅拉多州的謝裏佛爾空軍基地,是整個地面監控系統的管理中心和技術中心。另外還有一個位于馬裏蘭州蓋茨堡的備用主控站,在發生緊急情況時啓用。

全球定位系統全球定位系統

註入站目前有4個,分別位于南太平洋馬紹爾群島的瓜加林環礁,大西洋上英國屬地阿森松島,英屬印度洋領地的迪戈加西亞島和位于美國本土科羅拉多州的科羅拉多斯普林斯。註入站的作用是把主控站計算得到的衛星星歷、導航電文等信息註入到相應的衛星。

註入站同時也是監測站,另外還有位于夏威夷和卡納維拉爾角2處監測站,故監測站目前有6個。監測站的主要作用是採集GPS衛星資料和當地的環境資料,然後傳送給主控站。

使用者設備部分

使用者設備主要為GPS接收機,主要作用是從GPS衛星收到信號並利用傳來的信息計算使用者的三維位置及時間。

基本種類

GPS衛星接收機種類很多,根據型號分為測地型、全站型、定時型、手持型、集成型;根據用途分為車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式。

按接收機的用途分類

1.導航型接收機

此類型接收機主要用于運動載體的導航,它可以即時給出載體的位置和速度。這類接收機一般採用C/A碼偽距測量,單點即時定位精度較低,一般為±10m,有SA影響時為±100m。這類接收機價格便宜,套用廣泛。根據套用領域的不同,此類接收機還可以進一步分為:

車載型——用于車輛導航定位;

航海型——用于船舶導航定位;

航空型——用于飛機導航定位。由于飛機運行速度快,因此,在航空上用的接收機要求能適應高速運動。

星載型——用于衛星的導航定位。由于衛星的速度高達7km/s以上,因此對接收機的要求更高。

2.測地型接收機

測地型接收機主要用于精密大地測量和精密工程測量。這類儀器主要採用載波相位觀測值進行相對定位,定位精度高。儀器結構復雜,價格較貴。

3. 授時型接收機

這類接收機主要利用GPS衛星提供的高精度時間標準進行授時,常用于天文台及無線電通訊中時間同步。

按接收機的載波頻率分類

單頻接收機

單頻接收機隻能接收L1載波信號,測定載波相位觀測值進行定位。由于不能有效消除電離層延遲影響,單頻接收機隻適用于短基線(<15km)的精密定位。

雙頻接收機

雙頻接收機可以同時接收L1,L2載波信號。利用雙頻對電離層延遲的不一樣,可以消除電離層對電磁波信號的延遲的影響,因此雙頻接收機可用于長達幾千公裏的精密定位。

按接收機通道數分類

GPS接收機能同時接收多顆GPS衛星的信號,為了分離接收到的不同衛星的信號,以實現對衛星信號的跟蹤、處理和量測,具有這樣功能的器件稱為天線信號通道。根據接收機所具有的通道種類可分為:

多通道接收機

序貫通道接收機

多路多用通道接收機

按接收機工作原理分類

碼相關型接收機

碼相關型接收機是利用碼相關技術得到偽距觀測值。

平方型接收機

平方型接收機是利用載波信號的平方技術去掉調製信號,來恢復完整的載波信號,通過相位計測定接收機內產生的載波信號與接收到的載波信號之間的相位差,測定偽距觀測值。

混合型接收機

這種儀器是綜合上述兩種接收機的優點,既可以得到碼相位偽距,也可以得到載波相位觀測值。

幹涉型接收機

這種接收機是將GPS衛星作為射電源,採用幹涉測量方法,測定兩個測站間距離。

經過20餘年的實踐證明,GPS系統是一個高精度、全天候和全球性的無線電導航、定位和定時的多功能系統。GPS技術已經發展成為多領域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術產業。

基本功能

1、精確定時:廣泛套用在天文台、通信系統基站、電視台中

2、工程施工:道路、橋梁、隧道的施工中大量採用GPS設備進行工程測量

3、勘探測繪:野外勘探及城區規劃中都有用到

4、導航:

武器導航:精確製導飛彈、巡航飛彈

全球定位系統全球定位系統

車輛導航:車輛調度、監控系統

船舶導航:遠洋導航、港口/內河引水

飛機導航:航線導航、進場著陸控製

導航:衛星軌道定位

個人導航:個人旅遊及野外探險

5、定位:

車輛防盜系統

手機,PDA,PPC等通信移動設備防盜,電子地圖,定位系統

兒童及特殊人群的防走失系統

精準農業:農機具導航、自動駕駛,土地高精度平整

6、提供時間資料:用于給電信基站、電視發射站等提供精確同步時鍾源

基本特點

1、全天候,不易受任何天氣的影響

2、全球覆蓋(高達98%)

3、三維定點定速定時高精度

4、測站間無需通視

5、快速、省時、高效率

6、套用廣泛、多功能

7、可移動定位。

基本原理

24顆GPS衛星在離地面1萬2千公裏的高空上,以12小時的周期環繞地球運行,使得在任意時刻,在地面上的任意一點都可以同時觀測到4顆以上的衛星。

由于衛星的位置精確可知,在GPS觀測中,我們可得到衛星到接收機的距離,利用三維坐標中的距離公式,利用3顆衛星,就可以組成3個方程式,解出觀測點的位置(X,Y,Z)。考慮到衛星的時鍾與接收機時鍾之間的誤差,實際上有4個未知數,X、Y、Z和鍾差,因而需要引入第4顆衛星,形成4個方程式進行求解,從而得到觀測點的經緯度和高程。

事實上,接收機往往可以鎖住4顆以上的衛星,這時,接收機可按衛星的星座分布分成若幹組,每組4顆,然後通過演算法挑選出誤差最小的一組用作定位,從而提高精度。由于衛星運行軌道、衛星時鍾存在誤差,大氣對流層、電離層對信號的影響,以及人為的SA保護政策,使得民用GPS的定位精度隻有100米。為提高定位精度,普遍採用差分GPS(DGPS)技術,建立基準站(差分台)進行GPS觀測,利用已知的基準站精確坐標,與觀測值進行比較,從而得出一修正數,並對外發布。接收機收到該修正數後,與自身的觀測值進行比較,消去大部分誤差,得到一個比較準確的位置。實驗表明,利用差分GPS,定位精度可提高到5米。

實際運用

道路工程中的套用

GPS在道路工程中的套用,主要是用于建立各種道路工程控製網及測定航測外控點等。隨著高等級公路的迅速發展,對勘測技術提出了更高的要求,由于線路長,以知點少,因此,用常規測量手段不僅布網困難,而且難以滿足高精度的要求。中國已逐步採用GPS技術建立線路首級高精度控製網,然後用常規方法布設導線加密。實踐證明,在幾十公裏範圍內的點位誤差隻有2釐米左右,達到了常規方法難以實現的精度,同時也大大提前了工期。GPS技術也同樣套用于特大橋梁的控製測量中。由于無需通視,可構成較強的網形,提高點位精度,同時對檢測常規測量的支點也非常有效。GPS技術在隧道測量中也具有廣泛的套用前景,GPS測量無需通視,減少了常規方法的中間環節,因此,速度快、精度高,具有明顯的經濟和社會效益。

巡更套用

GPS是英文GlobalPositioningSystem(全球定位系統)的簡稱。GPS運用到電子巡更裏的優勢是如果一個比較長比較遠的巡檢線路,不需要安裝巡檢點,直接從衛星上取得坐標信號,主要適用于長距離巡更巡檢如電信、森林防火、石化油氣通路勘查等。澳普門禁的左光智介紹:“但是GPS容易受環境的影響,比如因為陰天的森林天上有雲、電離層都會對衛星信號產生影響甚至有可能定位不到。”加上GPS耗電量大,成本高;最大的局限性是GPS不能在封閉的空間內比如大樓裏面使用,而巡更產品大部分是用于室內的[4]。

汽車導航和交通管理中的套用

(1)車輛跟蹤

利用GPS和電子地圖可以即時顯示出車輛的實際位置,並可任意放大、縮小、還原、換圖;可以隨目標移動,使目標始終保持在螢幕上;還可實現多視窗、多車輛、多螢幕同時跟蹤。利用該功能可對重要車輛和貨物進行跟蹤運輸。

(2)提供出行路線規劃和導航

提供出行路線規劃是汽車導航系統的一項重要的輔助功能,它包括自動線路規劃和人工線路設計。自動線路規劃是由駕駛者確定起點和目的地,由電腦軟體按要求自動設計最佳行駛路線,包括最快的路線、最簡單的路線、通過高速公路路段次數最少的路線的計算。人工線路設計是由駕駛員根據自己的目的地設計起點、終點和途經點等,自動建立路線庫。線路規劃完畢後,顯示器能夠在電子地圖上顯示設計路線,並同時顯示汽車運行路徑和運行方法。

(3)信息查詢

為使用者提供主要物標、如旅遊景點、賓館、醫院等資料庫,使用者能夠在電子地圖上顯示其位置。同時,監測中心可以利用監測控製台對區域內的任意目標所在位置進行查詢,車輛信息將以數位形式在控製中心的電子地圖上顯示出來。

(4)話務指揮

指揮中心可以監測區域內車輛運行狀況,對被監控車輛進行合理調度。指揮中心也可隨時與被跟蹤目標通話,實行管理。

(5)緊急援助

通過GPS定位和監控管理系統可以對遇有險情或發生事故的車輛進行緊急援助。監控台的電子地圖顯示求助信息和報警目標,規劃最優援助方案,並以報警聲光提醒值班人員進行應急處理。

其它套用

GPS除了用于導航、定位、測量外,由于GPS系統的空間衛星上傳有的精確時鍾可以發布時間和頻率信息,因此,以空間衛星上的精確時鍾為基礎,在地面監測站的監控下,傳送精確時間和頻率是GPS的另一重要套用,套用該功能可進行精確時間或頻率的控製,可為許多工程實驗服務。此外,據國外資料顯示,還可利用GPS獲得氣象資料,為某些實驗和工程套用。

時間服務以GPS的時間為基準,為領域內的設備提供時間服務,是時間伺服器基準時間重要來源。

全球衛星定位系統GPS是開發的最具有開創意義的高新技術之一,其全球性、全能性、全天侯性的導航定位、定時、測速優勢必然會在諸多領域中得到越來越廣泛的套用。在發達國家,GPS技術已經開始套用于交通運輸和交通工程。GPS技術在中國道路工程和交通管理中的套用還剛剛起步,隨著我國經濟的發展,高等級公路的快速修建和GPS技術的套用研究的逐步深入,其在道路工程中的套用也會更加廣泛和深入,並發揮更大的作用。

發展前景

由于GPS技術所具有的全天候、高精度和自動測量的特點,作為先進的測量手段和新的生產力,已經融入了國民經濟建設、國防建設和社會發展的各個套用領域。

隨著冷戰結束和全球經濟的蓬勃發展,美國政府宣布2000年至2006年期間,在保證美國國家安全不受威脅的前提下,取消SA政策,GPS民用信號精度在全球範圍內得到改善,利用C/A碼進行單點定位的精度由100米提高到10米,這將進一步推動GPS技術的套用,提高生產力、作業效率、科學水準以及人們的生活質量,刺激GPS市場的成長。據有關專家預測,在美國,單單是汽車GPS導航系統,2000年後的市場將達到30億美元,而在中國,汽車導航的市場也將達到50億元人民幣。可見,GPS技術市場的套用前景非常可觀。

我國前景

隨著汽車、手機等高檔消費品的普及,中國正在成為全球衛星定位導航系統(GPS)產業成長最快的市場之一。“十一五”期間,GPS在多個領域將會擁有更大的發展空間。然而,由于GPS在我國尚處于起步階段,與產業發展相配套的環境還不完善,製約了企業的創新和發展。致力于GPS產業發展的有識之士時刻關註著這些問題,並親自實踐探索其發展和突破之道。北京東方聯星科技有限公司總經理張峻林是眾多探索者中的一員。有了更多這樣的有識之士,中國GPS產業的明天值得期待。

中國投資咨詢網《2007年中國GPS導航市場分析及投資咨詢報告》稱,截至2005年底,中國安裝車載導航設備的車輛不足10萬輛,普及率不到1%。隨著中國市場的高速發展及新品牌的層出不窮,預計GPS產業產值在2007年可接近10億元。“十一五”期間,GPS在航空、海路、鐵路、建築、電信、電力等領域的套用都會有很大的發展空間。然而,由于GPS在我國處于起步階段,與產業發展相配套的環境還不盡完善,製約了企業的創新和發展。

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