1、1GPS现 代 化 演 变 过 程GPS在现在的生活中可谓已经深入到方方面面，GPS系统的使用带来了导航、测量、地图制作行业一系列的革命，并广泛应用于各行各业。GPS 是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，其中文简称为“球位系”。一、发展背景GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。原来其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。上世纪60年代初，美国研制成功潜射弹道导弹后，确定发射导弹的核潜艇位置，成为一个重要
2、的技术难题，促使美国成为世界上最早研制和应用导航卫星的国家。GPS是现代高新技术实现军民两用的一个成功范例。在西方国家，GPS应用呈蓬勃发展之势，自1996年美国将GPS向民用领域开放以来，GPS已向各领域渗透，年平均增长率约为50%。GPS产业在美国、日本、欧洲已经形成，发展中国家，特别是中国已经有了良好的开端。GPS已逐步演变为一种世界性的高新技术产业。二、国内外发展情况如今，世界上有四个定位系统，北斗卫星导航系统是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），美国的全球定位系统（GPS）、俄罗斯的GLONASS卫星导航系统和欧盟伽利略定位系统。北斗卫星导航系统BeiDo
3、u（COMPASS）Navigation Satellite System是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统。北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端三部分组成，空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星，地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地2面站，用户端由北斗用户终端以及与美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧洲GALILEO等其他卫星导航系统兼容的终端组成。中国此前已成功发射四颗北斗导航试验卫星和六颗北斗导航卫星，将在系统组网和试验基础上，逐步扩展为全球卫星导航系统。“格洛纳斯GLONASS”是俄语中“全球卫星导航系统GLOBAL NAVIGATION SATE
4、LLITE SYSTE”的缩写。最早开发于苏联时期，后由俄罗斯继续该计划。俄罗斯 1993年开始独自建立本国的全球卫星导航系统。按计划，该系统将于2007年年底之前开始运营，届时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到2009年年底前，其服务范围将拓展到全球。该系统主要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及运动速度信息等。伽利略定位系统（Galileo Positioning System），是欧盟一个正在建造中的卫星定位系统，有“欧洲版GPS”之称，也是继美国现有的“全球定位系统”（GPS）及俄罗斯的GLONASS系统外，第三个可供民用的定位系统。伽利略系统的基本服务有导航、定位、授时；
5、特殊服务有搜索与救援；扩展应用服务系统有在飞机导航和着陆系统中的应用、铁路安全运行调度、海上运输系统、陆地车队运输调度、精准农业。2010年1月7日，欧盟委员会称，欧盟的伽利略定位系统将从2014年起投入运营。美国的“全球定位系统”(GPS)，是目前世界上应用最广泛的导航定位系统，该系统从提出到组建完毕历时20年，耗资200多亿美元。自海湾战争美军首次使用GPS于实战以来，GPS已成为美军赢得近几场高技术局部战争的重要支持系统。如今，美国正着手对其进行现代化改造，以满足未来的作战需求。三、GPS构成原理1.空间部分GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20200km的上空，均匀分
6、布在6 个轨道面上（每个轨道面4 颗），轨道倾角为55。此外，还有3 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观3测到4 颗以上的卫星,并能在卫星中预存的导航信息。GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。2. 地面控制系统地面控制系统由监测站(Monitor Station)、主控制站(Master Monitor Station)、地面天线(Ground Antenna)所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回之讯息,并计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。3.用户设备部分
7、用户设备部分即GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后，机
8、内电池为RAM存储器供电，以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测使用。其次则为使用者接收器，现有单频与双频两种，但由于价格因素，一般使用者所购买的多为单频接收器。四、发展概况1964年，美国海军初步建成并交付使用的“子午仪”，是美国第一代天基导航定位系统。由于使用卫星数量较少，不能实时定位；运行轨道低，难以精密定轨；导航信号频率较低，难以修正电离层延迟误差等，无法满足动态军事4用户实时、高精度的导航定位需求。为了更有效地满足全球范围精确导航定位的军事需要，1973年，美国国防部批准海陆空联合研制第二代导航定位系统，即能测时测距的“导航星全球定位系统”，简称
9、“全球定位系统”（GPS），1994年3月，由24颗卫星组成的导航“星座”部署完毕，标志着GPS的正式建成。自GPS全部建成以后，它就昼夜不停地向地面发送导航定位信息，提供精确、连续的三维位置和速度、时间信息。通过GPS终端，使用户在地球表面的任何地方，仅需几秒钟到十几秒钟就能够确定自己的位置和精确时间，获得相关的导航信息。由于GPS采用广播的形式发送导航信息，地面用户直接接收信号，因而可向无限多的用户提供服务。美国在GPS设计时提供两种服务。一种为标准定位服务，利用粗码（民码）定位，提供给民间及商业用户使用。目前GPS民码单点定位精度可以达到25米，测速精度0.1米秒，授时精度200纳秒。另
10、一种为精密定位服务，利用精码（军码）定位，提供给军方和得到特许的用户使用，定位精度可达10米。在信息化时代，GPS已成为高技术战争的重要支持系统。它极大地提高了美军的指挥控制、多军兵种协同作战和快速反应能力，大幅度地提高了武器装备的打击精度和效能。具体说来，GPS在军事上的应用主要有以下几个方面：全时域的自主导航。GPS的主要功能就是自主导航，利用接收终端向用户提供位置、时间信息，也可结合电子地图进行移动平台航迹显示、行驶线路规划和行驶时间估算，从而大大提高部队的机动作战和快速反应能力。各种作战平台的指挥监控。GPS的导航定位和数字短报文通信基本功能可以有机结合，利用系统特殊的定位体制，将移动
11、目标的位置信息和其他相关信息传送至指挥所，完成移动目标的动态可视化显示和指挥指令的发送，实现战区移动目标的指挥监控。精确制导和打击效果评估。GPS制导有精度高、制导方式灵活等特点，已成为精确制导武器的一种重要制导方式。在近几场高技术局部战争中，美军使用精确制导导弹和炸弹的比例比海湾战争时增加了近100倍，而它们全部或大5部分都依靠GPS制导。GPS还可以对打击目标命中率进行评估。在装有GPS接收终端的弹药击中目标引爆的瞬间，触发用户机进行定位，并将位置信息和时间信息迅速传送到指挥中心，从而进行命中率评估，其评估效果已在伊拉克战争中得到充分检验。五、存在问题然而，在近几场局部战争中，GPS也暴露
12、出了一些问题。首先是GPS信号的抗干扰能力较弱。因为在一般情况下，从卫星反馈到地面的信号很小，如果对方采取各种干扰措施，就会使GPS接收机无法正常工作，从而使其导航定位精度降低或产生误导。在伊拉克战争中，伊军在其境内部署了一些GPS干扰装置，结果使美军的GPS制导武器大失水准，有部分导弹甚至飞到了伊朗、土耳其境内。另据报道，俄罗斯目前已经研制成功一种手持式GPS干扰器，可干扰150公里范围内的GPS信号。其次，各国目前都高度重视导航定位系统的发展，美国GPS一统天下的时代受到了威胁。俄罗斯和印度合作恢复“格鲁纳斯”系统，欧盟及其他国家合作建立“伽利略”系统，其性能都丝毫不逊色于美国的GPS。在
13、美国看来，其他系统的建立对美国的太空利益构成了重大威胁。六、未来发展从产品结构上看，当前GPS应用市场最红火的是车辆导航、消费产品和跟踪监控，尤其以车辆导航所占份额为最多。2002年，全球车辆导航产品的产值为近40亿美元，约占GPS产品总值的35.4左右。2002年底，在日本装有导航系统的车辆保有量超过了700万台。2002年日本的车载GPS导航仪产量，达到300万套，年增长率为333。北美和欧洲的车载导航仪的销量在2002年内达到200万套，基本是每年都以翻一番的速度增长。为了能使GPS更好地满足军事、民间和商业用户不断增长的应用需求，美国决定用先进技术改进和完善GPS系统。其现代化计划主要
14、包括以下内容：增加新的GPS信号。美国计划在20052008年发射8颗改进的导航卫星，在卫星上播发新的军码和第二民码，同时计划在20062010年发射的导航星上增6设第三民码。新增军码信号将比现在使用的信号强度高得多，具有较强的发射功率、抗干扰能力和保密性能等优点，以便于军用接收机直接捕获。新增军码还使得美军在战时有权对某一地区的其他信号进行干扰或暂时关闭，剥夺对方使用GPS信号的能力。第二民码与以前的民码相比，具有较强的数据恢复和信号跟踪能力，能进一步提高导航定位精度。增设第三民码，主要是为了防止机场的地面引导雷达对民航使用的GPS信号造成干扰。研发新一代军用GPS接收机。为提高GPS的抗干
15、扰能力，美国正在研制新一代军用GPS接收机。在新型GPS接收机中，最重要的两项技术是GPS接收机应用组件和防欺骗模块。其中接收机应用组件是一种标准电子插件，可将其加在未来的飞机、舰艇、导弹和各种武器中，目的是确保安全性、互通性，减少非标准接口、定义和功能的数目。防欺骗模块是第二代的GPS技术产品安全模块，用于保护保密的GPS算法、数据和校准。增强和关闭GPS发射信号。针对GPS信号容易受干扰和被他国战时利用的弱点，目前美军正设法增加GPS导航卫星的1个可控窄波束天线，并通过该窄波束天线增大发射功率来提高信号强度。其中可控天线至少能使4颗卫星的波束指向某一作战区域，而地球上其他区域的接收信号强度
16、却不会明显降低。这样就会迫使敌方提高干扰机的信号功率，以确保其干扰的有效性。随着干扰机体积的增大和干扰功率的增加，干扰机更容易被探测，更容易受到“哈姆”反辐射导弹武器的攻击。同时，美军在战时也可通过控制卫星波束天线的指向，暂时关闭某一地区的GPS信号，从而可使对方军队难以利用GPS系统。改善地面设备。主要工作包括：更新GPS地面测控设备，增加地面测控站的数量；用新的数字接收机和计算机来更新专用的GPS监测站和有关的地面天线；采用新的算法和软件，提高测控系统的数据处理与传输能力等。7GPS计划。当前的GPS现代化工作能使星座维持运行到2010年，为了满足到2030年的军、民用要求，美国已着手开发
17、GPS和相关的地面控制网，以便在2010年后使用。GPS计划的目标是，提供能满足当前和未来军、民两用需要的GPS结构方案。从2004年起，美国国防部开始研究GPS的采购和结构概念，以便验证系统要求。GPS将选择全新的优化设计方案，放弃现有的24颗中轨道卫星，采用全新的33颗高轨道加静止轨道卫星组成。GPS的卫星首次发射计划定于2009年，全部卫星在轨运行将在20152020年实现。据介绍，与现有GPS相比，GPS的信号发射功率将提高100倍，信号抗干扰能力提高1000倍以上，授时精度将达到1纳秒，定位精度提高到0.20.5米，这样可以使GPS制导弹药的精度达到1米以内。通过实施现代化计划，GPS的定位、导航和授时能力将得到进一步提高。改善后的GPS将为美军提供抗干扰能力更高和信号安全性更好的服务，同时可在未来作战中剥夺其他国家使用GPS的权力。姓名：XX学号：XX
