1、GPS技术及其新应用的探讨,.GPS的基本概念GPS是全球定位系统(Global Positioning System)，它是由美国上世纪70年代研制的新一代卫星导航和定位系统，耗资200亿美元，于1994年全面建成。它行用导航卫星进行测时和测距，在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力。它是当今世界上最实用、应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。,2. GPS的结构组成GPS主要包括三大组成部分：空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。,2.1 空间星座部分GPS的空间部分由24颗卫星组成（21颗工作卫星、3颗备用卫星），它位于距地表20200km的上空，均匀的分布在6个轨道面上，
2、每个轨道面上有4颗卫星，轨道倾角为55。 。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能在卫星中预存导航信息。,2.2 地面控制部分地面控制系统由监测站、主控制站、地面天线组成。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息，并计算卫星星历、相对距离、大气校正等数据。,2.3 用户设备部分用户设备部分即GPS信号接收机。它的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，并且跟踪这些卫星的运行。等到接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可以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。,.GPS定位原理GPS采用了高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离
3、为基本观测量。为了获得距离观测量，采用了两种方法：伪距测量和载波相位测量。其中伪距测量定位速度最快，而载波相位观测量定位精度最高。按定位方式分为：单点定位和相对定位。单点定位就是根据一台接收机的观测数据来确定接收机位置的方式，它只能采用伪距观测量。相对定位是根据两台以上接收机的观测数据来确定观测点之间的相对位置的方法，它既可以采用伪距观测量也可采用相位观测量。按定位观测时，GPS定位为动态定位和静态定位。,GPS主要特点,GPS的问世标志着电子导航技术发展到了一个更加辉煌的时代。GPS系统与其他导航系统相比，主要特点有如下六个方面,1定位精度高 应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50km以
4、内可达10-6，100500km可达10-7，1000km可达10-9。此外，GPS可为各类用户连续地提供高精度的三维位置、三维速度和时间信息。 2观测时间短 随着GPS系统的不断完善，软件的不断更新，目前，20km以内相对静态定位，仅需1520分钟；快速静态相对定位测量时，当每个流动站与基准站相距在15km以内时，流动站观测时间只需12分钟，然后可随时定位，每站观测只需几秒钟。实时定位速度快。目前GPS接收机的一次定位和测速工作在一秒甚至更小的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。,3执行操作简便 随着GPS接收机不断改进，自动化程度越来越高，有的已达“傻瓜化“的程度；接收机的体积越来
5、越小，重量越来越轻，极大地减轻了测量工作者的工作紧张程度和劳动强度，使野外工作变得轻松愉快。 4全球全天候作业 由于GPS卫星数目较多且分布合理，所以在地球上任何地点均可连续同时观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续实时导航与定位的需要。目前GPS观测可在一天24小时内的任何时间进行，不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响。,5功能多、多用途 GPS系统不仅可用于测量、导航，还可用于测速、测时。测速的精度可达0.1m/s，测时的精度可达几十毫微秒。其应用领域不断扩大。 6抗干扰性能好、保密性强 由于GPS系统采用了伪码扩频技术，因而GPS卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性
6、。,GPS目前应用状况,GPS系统的建立给导航和定位技术带来了巨大的变化，它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足不同用户的需要。用GPS信号可以进行海、空和陆地的导航，导弹的制导，大地测量和工程测量的精密定位，时间的传递和速度的测量等。,1、GPS在绘测领域中的应用 2、GPS在交通运输中的应用 3、GPS在森林方面的应用,GPS在绘测领域中的应用,随着高等级公路的快速发展，对勘测技术也提出了更高的要求。由于公路线路长，已知点少，用常规测量手段不仅布网困难，而且难以满足高精度的要求。当前，国内已逐步采用GPS技术建立线路首级高精度控制网，如沪杭、沪宁高速公路的上海段就是利用GP
7、S建立了首级控制网，然后用常规方法布设导线加密。,GPS技术也同样能有效应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视，能构成较强的网形，提高了点位精度，同时对检测常规测量的支点也十分有效。如在江阴长江大桥的建设中，首先用常规方法建立了高精度边角网，然后利用GPS对该网进行检测，GPS检测网达到了毫米级的精度，与常规精度网的比较符合较好。,GPS技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景，GPS测量无需通视，减少了常规方法的许多中间环节，因此，精度高、速度快，具有明显的经济效益和社会效益。,GPS在交通运输中的应用,（1）车辆跟踪：通过车载GPS接收机，使驾驶员能够随时知道自己的具体位置。通过车载电台将G
8、PS定位信息发送给调度指挥中心，调度指挥中心便可随目标移动，及时掌握各车辆的具体位置，并在大屏幕电子地图上显示出来，还能实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。,（2）话务指挥：指挥中心能够监测区域内车辆运行状况，对被监控车辆进行合理调度。指挥中心还能随时与被跟踪目标通话，进行实时管理。 （3）紧急援助：通过GPS定位及监控管理系统能够对发生事故或遇有险情的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示报警目标和求助信息，规划最优援助方案，并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。 （4）信息查询：为用户提供主要物标，如旅游景点、宾馆、医院等数据库，用户可以在电子地图上根据需要进行查询。查询的资料能以文字、语
9、言和图象的形式显示，并在电子地图上显示其位置。同时，监测中心能够利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询，车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。,（5）提供出行路线规划和导航：提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能，它包括人工线路设计和自动线路规划。人工线路设计是由驾驶者根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等，自动建立线路库。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地，由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线，包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线等的计算。线路规划完毕后，显示器可在电子地图上显示设计线路，并同时显示汽车运行路径与运行方法。,G
10、PS在森林方面的应用,(1）病虫害的监测利用GPS对虫害和病害进行跟踪调查，了解病虫害的发生位置，发展程度及分布状况，从而正确作出判断及时进行防治。 （2）在病虫害防治和农药喷洒中的应用飞机属于高速飞行的动态用户，在飞机上加装GPS，不仅可使其在全球范围内获得连续实时的导航能力，而且还能够得到高精度的三维定位和速度信息，这对于飞机的升空、着陆、飞行方向及速度的确定，空中准确投掷及空中交通管制有重要的意义。,（3）GPS在林火信息管理中的应用GPS和地理信息系统、卫星遥感技术相结合，可以建立高效、实时、实用的林火信息管理系统，一旦发生森林火灾，只需输入利用遥感技术获得的火点坐标，系统即可自动选定
11、最佳的行进线路，利用GPS接收机对扑火队进行实时的导向和定位，从而及时、准确到达火场，组织扑救工作。另外，GPS还可以简单精确地测定受灾林地面积，估计森林火灾的损失，并输出森林火灾受害图、火险等级图等，对森林防火有重要的意义。,采用手持GPS进行火场定位、火场布兵、火场测面积、火灾损失估算，精确度高、安全性强，能够实时、快速、准确地测定火险位置和范围，为防火指挥部门提供决策依据，已为国内外防火机构广泛采用。,GPS发展趋势与创新思路,全球四大GPS定位系统： 美国GPS定位系统 欧盟的伽利略卫星定位系统（GNSS），性能优于美国GPS定位系统，并与GPS和GLONASS兼容 俄罗斯的格洛纳斯（
12、GLONASS，全球卫星导航系统） 中国北斗卫星导航系统(BeiDou（COMPASS）Navigation Satellite System)：是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统。系统建设目标是：建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠的覆盖全球的北斗卫星导航系统，促进卫星导航产业链形成，形成完善的国家卫星导航应用产业支撑、推广和保障体系，推动卫星导航在国民经济社会各行业的广泛应用。,格洛纳斯卫星,GPS目前的发展趋势： 1、采用创新轨道设计 目前采用创新轨道设计的“伽利略”方案(也可以成为伽利略系统)被认为是能够实现最少投入而达到理想应用目的的最佳方案。这种系统还将在民
13、航选择最佳航线、飞机安全进场着陆等领域有新的应用突破。 2、大力开发抗干扰和干扰技术 3、提高GPS导航信号性能的技术措施 4、车载定位系统 飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航,2D3D地图发展,GPS最初应用于军事战争，但随着GPS技术的发展和成熟，在航海航天，测量和探测方面GPS也得到了广泛的应用。如：船舶远洋导航和进港引水，飞机航路引导和进场降落 ，汽车自主导航 ，地面车辆跟踪和城市智能交通管理，长途客运车辆管理 另外，GPS定位系统还应用于工程机械、精细农业 个人定位：个人旅游及野外探险 、个人通讯终端（与手机，PDA，电子地图等集成一体,GPS的应用前景,1
14、GPS在综合服务系统中的应用 2GPS在电离层监测中的应用 3GPS在对流层监测中的应用 4GPS在卫星测高仪中的应用 5GPS在卫星追踪技术中的应用,GPS在综合服务系统中的应用,在全球地基GPS连续运行站（约200个）的基础上所组成的IGS（International GPS），是GPS连续运行站网和综合服务系统的范例。它无偿向全球用户提供GPS各种信息，如GPS精密星历、快速星历、预报星历、IGS站坐标及其运动速率、IGS站所接收的GPS信号的相位和伪距数据、地球自转速率等。这些信息在大地测量和地球动力学方面支持了无数的科学项目，包括电离层、气象、参考框架、精密时间传递、高分辨的推算地球
15、自转速率及其变化、地壳运动等。,(1) IGS现在提供的轨道有三类：一是最终(精密)轨道，要在1012天以后得到它，常用于精密定位；二是快报轨道，要在1天以后得到，它常用于大气的水汽含量、电离层计算等；还有一类是预报轨道。 关于对GPS星钟偏差方面的估计，目前只有两个IGS分析中心提供。IGS目前近200个永久连续运行的全球跟踪站中，使用的外部频率标准近70个，其中约30个使用氢钟，约20个使用铯原子钟，约20个使用铷原子钟，其余的使用GPS内部的晶体震荡器。,(2) IGS还提供极移和世界时信息。IGS公布的最终的每日极坐标(x，y)，其精度为0.1mas，快报的相应精度为0.2mas。GP
16、S作为一种空间大地测量技术，本身并不具备测定世界时(UT)的功能，但由于一方面GPS卫星轨道参数和UT相关，另一方面，也和测定地球自转速率有关，而自转速率又是UT的时间导数，因此IGS仍能给出每天的日长(LOD)值。IGS现在还能进一步求定章动项和高分辨率的极移(达每2小时1次，而不是现在的1天1次)，后者主要源于IGS各观测站观测质量的提高，数据传输迅速和及时，以及数据处理方法的改进，并没有本质的改变，而前者却是技术上的一个跨跃。,(3) IGS提供的一个极为有用和重要的信息是IGS的那些连续运行站(跟踪站)的坐标、相应的框架、历元和站移动速度。前者精度好于1cm，后者精度好于1mm/y。I
17、GS站坐标所采用的坐标参考框架是和IERS互相协调的。1993年末开始使用ITRF91，1994年使用ITRF92，1995年到1996年中期使用ITRF93，1996年中期到1998年4月一直使用ITRF94，1998年3月1日转而采用ITRF96，1999年8月1日开始IGS采用ITRF97。,GPS在电离层监测中的应用,GPS在监测电离层方面的应用，也是GPS空间气象学的开端。太空中充满了等离子体、宇宙射线粒子、各种波段的电磁辐射，由于太阳常在1秒钟内抛出百万吨量级的带电物，电离层由此而受到强烈的干扰，这是空间气象学研究的一个对象。通过测定电离层对GPS信号的延迟来确定在单位体积内总自由
18、电子含量（TEC），以建立全球的电离层数字模型。,当人们建立地区或全球电离层数字模型时，总是作简化的假定，所有自由电子含量都表示在一个单层面上，该面离地面高为H。这样的话，电子含量正可以用在接收机和卫星连线与此单层面交点(刺入点)处的电子含量Es表示，它可以视为E与刺入点处天顶距Z的函数Ecos Z=Es。可以将在球面上的电子浓度Es加以模型化，例如写成经纬度的球谐函数等，这方面有很多专家提出了各种模型。IGS提出了一种电离层地图的交换格式(10nosphere Map Exchange Format，IONEXFormat)，它的作用是使基于各种理论和技术所获得的电离层地图能在统一规格的基础
19、上进行综合和比较。电离层模型有各不相同的理论基础，而取得的数据来源的技术也不同，数据覆盖面也不完整，所以目前只能将IGS和全球各种TEC的图和GPS卫星讯号的差分码偏差(differential code biasesDCBS)用IONEX形式向全世界用户提供，下一步将通过比较，逐步联合起来。,GPS在对流层监测中的应用,GPS在监测对流层方面的应用，早期主要是由于轨道误差影响定位精度，而且早期的GPS基线相对来说比较短，高差（亦称“比高“，即两点间的高度差）不大，因此对对流层的研究没有给予很大的重视。直到近期由于GPS轨道精度大大提高后，当对流层折射已经成为限制GPS定位精度提高的一个重要障
20、碍时，才开始认真的对对流层的监测研究。我们可以假设在一个高程（亦即“海拔“，一般指由平均海平面算起的地面点高度），基本为零的地区，并且如果接收机所接收的GPS信号是从天顶方向传来的话，那么其延迟就可以达到2.22.6m这一量级，而2小时内这一延迟变化可达10cm并不少见（所以IGS分析中心所提供的对流层参数是采用2小时间隔一次）。也正是由于这个实际情况，对流层折射要顾及其随机过程的变化来加以模型化。,在GPS应用于对流层研究中，IGS的快速轨道和预报轨道信息对于天气预报会起重大作用。此外，IGS通过德国GFZ的“IGS对流层比较和协调中心”提供的每2小时的对流层天顶延迟系列就象是控制点，对于区
21、域性或局部性的对流层研究来说，可以起到对流层延迟绝对值的标定作用。,与地基GPS大气监测不同，星基或空基GPS掩星法测定气象的技术有覆盖面广，垂直分辨好，数据获取速度快的优点。这一技术的原理是将GPS接收机放在某一低轨卫星(LEO)或飞行器的平台上，该GPS接收机一方面起到对该卫星(或飞行器)精确定轨的作用，同时又应用GPS掩星技术起到大气探测器的作用。在1997年进行的GPS/MET研究项目，证实了这个设想是可行的。预定于2000年4月发射的CHAMP卫星要利用GPS掩星法进行全球对流层折射(包括大气可降水分)的测定。,在今后几年中，还有阿根廷的SACC，我国台湾的COSMIC，这些LEO卫
22、星都要用星载GPS来定轨和利用掩星法测大气。 今后利用星载GPS的气象和电子浓度截面数值，结合地面GPS站数据，作成层折图像提供使用。今后3年中GPS/MET项目研究还要进行6次，预计它将在天气预报、空间天气预报、气象监测方面做出巨大贡献。,GPS在卫星测高仪中的应用,多路径效应是GPS定位中的一种噪音，至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易排除的“干扰“。过去几年来利用大气对GPS信号延迟的噪声发展了GPS大气学，目前也正在利用GPS定位中的多路径效应发展GPS测高技术，即利用空载GPS作为测高仪进行测高。它是通过利用海面或冰面所反射的GPS信号，求定海面或冰面地形，测定波浪形态，洋流速度和
23、方向。通常卫星测高或空载测高所测的是一个点，连续测量结果在反向面上是一个截面，而GPS测高则是测量有一定宽度的带，因此可以测定反射表面的起伏（地形）。据报道，试验时空载平面安装2台GPS接收机，1台天线向上用于对载体的定位，1台天线向下，用于接收GPS在反射面上的信号。,GPS在卫星追踪技术中的应用,卫星对卫星的追踪（SST）技术的实质是以高分辨率测定两颗卫星间的距离变化，一般它分为两类，即高低卫星追踪和低低卫星追踪。前一类是高轨卫星（如对地静止卫星，GPS卫星等）追踪低轨（LEO）卫星或空间飞行器，后一类是处于大体为同一低轨道上的两颗卫星之间的追踪，两颗卫星间可以相距数百千米，这两类SST技术都将LEO卫星作为地球重力场的传感器，以卫星间单向或双向的微波测距系统测定卫星间的相对速度及其变率。这一速度的不规则变化所产生的信息中，就包含了地球重力场信息。卫星轨道愈低，这一速度变化受重力场的影响愈明显，所反映重力场的分辨率也愈高。,本组成员：陈静，白绍洋，孙鹏，李玉敬，檀凤娟 工作分布：李玉敬：摘要、关键字、系统综述白绍洋：GPS主要特点陈静：GPS目前应用状况檀凤娟：GPS发展趋势与创新思路孙鹏：GPS应用前景,
