1、第五课 GPS全球定位系统一、发展历史五十年代未，原苏联发射了人类的第一颗人造地球卫星，美国科学家在对其的跟踪研究中，发现了多普勒频移现象，并利用该原理促成了多普勒卫星导航定位系统 TRANSIT 的建成，在军事和民用方面取得了极大的成功，是导航定位史上的一次飞跃，我国也曾引进了多台多普勒接收机，应用于海岛联测、地球勘探等领域。但由于多普勒卫星轨道高度低、信号载波频率低，轨道精度难以提高，使得定位精度较低，以满足大地测量或工程测量的要求，更不可能用于天文地球动力学研究。为了提高卫星定位的精度，美国从 1973 年开始筹建全球定位系统 GPS （Global Positioning System
2、）。在经过了方案论证、系统试验阶段后，于 1989 年开始发射正式工作卫星，并于 1994 年全部建成，投入使用，历时 20 年，耗资 200 亿美元，是具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。二、基本组成GPS 系统包括三大部分：空间星座部分-GPS 卫星；地面控制部分-地面监控系统；用户设备部分-GPS 信号接收机。1. 空间星座部分按目前的方案，全球定位系统的空间部分使用 21 颗工作卫星和3 颗在轨备用卫星组成 GPS 卫星星座，记作（21+3）GPS 星座，高度约 2.02 万千米，均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨道
3、面上（每轨道面四颗），轨道倾角为 55 度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。卫星向地面发射两个波段的载波信号，载波信号频率分别为1575.442 兆 赫兹（L1 波段）和 1227.6 兆赫兹（L2 波段），卫星上安装了精度很高的原子钟，以确保频率的稳定性，在载波上调制有表示卫星位置 的广播星历，用于测距的 C/A 码和 P 码，以及其它系统信息，能在全球范围内，向任意多用 户提供高精度的、全天候的、连续的、实时的三维测速、三维定位和授时。2. 地面控制部分GPS 系统的控制部
4、分由设在美国本土的四个监控站、一个上行注入站和一个主控站组成。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地，主要任务是收集各监控站对 GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗 GPS 卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地，它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。3. 用户设备部分用户接收机：GPS 接收机能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号， 并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS 信号进行变换、放大和处理，以便测量出 GPS 信号从卫星 到接收机天线的传播时间，解译出 GP
5、S 卫星所发送的导航电文，实时地计算出用户接收机所处的三维位置，位置，甚至三维速度和时间。GPS 卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量 GPS 信号的接收设备，即 GPS 信号接收机。可以这个 GPS 定位器此刻处于我国哪个城市的什么部位？从显示屏中你还能获得哪些信息？手持式 GPS 定位器在任何时候用 GPS 信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同，用户要求的 GPS 信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产 GPS 接收机，产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。三、定
6、位原理由于卫星的位置精确可知，在 GPS 观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用 3 颗卫星，就可以组成 3 个方程式，解出观测点的位置（X,Y,Z）。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有 4 个未知数，X、Y、Z 和钟差，因而需要引入第 4 颗卫星，形成 4 个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。事实上，接收机往往可以锁住 4 颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组 4 颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。（3）双频法：在 GPS 观测量中包含了卫星和接收机的钟差、大气传播延迟、多路径效应等误差
7、，在定位计算时还要受到卫星广播星历误差的影响，在进行相对定位时大部分公共误差被抵消或削弱，因此定位精度将大大提高，双频接收机可以根据两个频率的观测量抵消大气中电离层误差的主要部分，在精度要求高，接收机间距离较远时（大气有明显差别），应选用双频接收机。（）其它：其他提高精度技术：有联测定位技术；伪卫星技术；无码 GPS 技术；GPS 测角技术；精密星历使用技术；反 SA 技术；GPS/GLONASS 组合接收技术；GPS组合导航技术等。四、应用领域GPS 的应用领域：（1）民用领域车辆自导航：车船管理调度在出租车行业、长途运输业、租车服务业等将能够对车辆进行跟踪、调度管理。在拥挤的停车场、火车调
8、度场能够准确地确定车辆的位置，有效地调动车辆。，邮递服务，民航运输，邮递服务：对重要的货物、包裹与信函等进行跟踪、引导与保护。对货场物品入库与出库的调度能有效地确定货物的存放地点，提高出货效率，增加管理手段、避免积压。民航运输：使飞机着陆时驾驶员通过仪表操作对准跑道。渔业生产：GPS 能满足渔猎对定位的要求。同时能为捕鱼船队在法律上避免发生捕鱼边界的纠纷，提高在经济专属区的作业效率。公路水路维护：能准确地引导维护人员调查需维护的交通设施。火警、警察、救护的应急调遣：提高紧急事件处理部门对火灾现场、犯罪现场、交通事故现场、交通堵塞等紧急事件的响应效率。E911：美国通讯委员会（FCC）要求将所有
9、的移动电话安装无线电定位装置，以便用户在通过移动电话向 911 请求帮助时可找到用户位置，实现快速援助。GPS 将是满足 FCC 要求的一种精确、成本低廉的方式。搜索与求援：将更加有效地对在人迹罕至、条件恶劣的航海、登山探险、滑雪、沙漠作业中失踪的人员进行求援搜索。道路支持：车在路上坏了时，将提高救援车辆找到你的效率。突发事件临战状态准备：如在洪水发生时，需要快速地为救灾工作做好准备，如绘制洪水边界图、排洪国界图、排洪通道、防洪大堤的调查。可随时查找运输车辆的当前位置，可获得车辆的定位数据和状态信息。实施跟踪一个或多个指定的运输车辆，使它们落在电子地图的窗口内。可设定跟踪优先级和时间间隔对目标
10、进行跟踪。对车辆跟踪形成直观的运行轨迹。（2）军用领域GPS 是自动化指挥系统、先进武器系统及新的战役战术理论的一项关键性基本保障技术，能为地面车辆、人员以及航空、航海、航天等领域的飞机、船只、潜艇、卫星、航天飞机进行导航定位；武器发射、侦察、飞机进场着陆、交通管制、搜索营救，战场部队、车辆以及单兵定位；精确制导导弹打击目标坐标定位及弹道导引。五、GPS 系统主要特点1. GPS 系统的实时导航定位精度很高。美国在 1992 年起实行了所谓的 SA 政策，即降低广播星历中卫星位置的精度，降低星钟改正数的精度，对卫星基准频率加上高频的抖动（使伪距和相位的量测精度降低），后又实行了 A-S 政策，
11、即将 P 码改变为 Y 码，即对精密伪距测量进一步限制，而美国军方和特许用户不受这些政策的影响，但美国为了获得更大的商业利益，这些政策终将被取消2. 全球全天候连续无源。GPS 能为全球任何地点或近地空间的各类用户提供连续的全天候全球导航能力。用户不发射信号，因而用户数量无限。六、GPS 的干扰问题GPS 信号很弱，易于干扰。一家俄罗斯公司提供的一种 4 瓦功率的手持 GPS 干扰机，不到 4000 美元就买得到。如果从零售电子商店购买部件组装，花 400 美元就可以造一个干扰半径 16 千米以上的干扰机。伊拉克战争开战之前，美国就已经预料到伊拉克方面会干扰 GPS信号。美国其实早已经给其 GPS 炸弹和导弹装载了抗干扰技术，使这些 GPS 导引的武器能够在干扰的情况下继续使用 GPS 信号；即使GPS 信号丢失，这些武器还可以使用自身的其它导引系统如惯性导航、激光制导等，使自己到达目标。
