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GPS全球卫星定位系统

全球定位系统(GlobalPositioningSystem,通常简称GPS)是一个中距离圆型轨道卫星导航系统。它可以为地球表面绝大部分地区(98%)提供准确的定位、测速和高精度的时间标准。系统由美国国防部研制和维护,可满足位于全球任何地方或近地空间的军事用户连续精确的确定三维位置、三维运动和时间的需要。该系统包括太空中的24颗GPS卫星;地面上的1个主控站、3个数据注入站和5个监测站及作为用户端的GPS接收机。最少只需其中4颗卫星,就能迅速确定用户端在地球上所处的位置及海拔高度;所能收联接到的卫星数越多,解码出来的位置就越精确。

武器性能

  • 中文名:全球定位系统
  • 简称:GPS
  • 外文名:GPSCalculator
  • 特点:全天候、实时性
  • 全程:定时测距导航卫星全球定位系统
  • 组成部分:空间部分、地面监控部分和用户设备部分
  • 目录

    GPS信息编辑本段

    GPS全称全球卫星定位系统,即利用人造卫星传送的电波测定当时所在位置的系统。在日本和欧美国家,此技术被运用于汽车,为驾驶员创造了一位绝佳的助
    美国GPS全球卫星定位系统 美国GPS全球卫星定位系统
    手——汽车导航仪。当然单纯利用GPS测定位置误差太大,为了实现为汽车导航的目的,研究人员利用FM频道收发器首先接收从卫星上发来的电波,进行误差修正后再发送给汽车上的接收器,经过误差修正后的信息我们称为D-GPS,它使测定误差降至原来的1/10,精度控制在10 米之内。可以说GPS是实现汽车导航的最重要技术之一。
    VICS(道路交通情报通信系统)也是支持汽车导航仪的一项重要技术。在日本,道路交通情报系统已覆盖全国80%的地区,所有高速公路及主干道均能收到VICS信息报道。
    有了以上两套系统的支持,几年前,汽车导航仪首先在日本被开发出来。面世后风靡日本。驾驶员一旦拥有,立即能感受到它的巨大作用。
    可见,汽车导航仪在日本已拥有广阔的市场,在欧美,巨大的潜在市场还未被完全开发。为了争夺这块市场,日本多家著名企业阿尔派、索尼、松下、三菱、歌乐、富士通、建伍等都在生产、销售汽车导航产品。经过几年的研制和改进,各品牌汽车导航产品已日臻完善,所提供的服务也越来越周到。

    GPS前景编辑本段

    由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。
    随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展,美国政府宣布2000年至2006年期间,在保证美国国家安全不受威胁的前提下,取消SA政策,GPS民用信号精度在全球范围内得到改善,利用
    GPS系统相关原理图 GPS系统相关原理图
    C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米,这将进一步推动GPS技术的应用,提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量,刺激GPS市场的增长。据有关专家预测,在美国,单单是汽车GPS导航系统,2000年后的市场将达到30亿美元,而在我国,汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见,GPS技术市场的应用前景非常可观。

    GPS原理编辑本段

    GPS系统的组成

    GPS由三个独立的部分组成:
    空间部分:21颗工作卫星,3颗备用卫星。
    地面支撑系统:1个主控站,3个注入站,5个监测站。
    用户设备部分:接收GPS卫星发射信号,以获得必要的导航和定位信息,经数据处理,完成导航和定位工作。GPS接收机硬件一般由主机、天线和电源组成。

    GPS定位原理

    GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如图所示,假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机,可以测定GPS信号到达接收机的时间△t,再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式:
    上述四个方程式中待测点坐标x、y、z和Vto为未知参数,其中di=
    NAVSTAR卫星 NAVSTAR卫星
    c△ti(i=1、2、3、4)。
    di(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。
    △ti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。
    c为GPS信号的传播速度(即光速)。
    四个方程式中各个参数意义如下:
    x、y、z为待测点坐标的空间直角坐标。
    xi、yi、zi(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标,
    可由卫星导航电文求得。
    Vti(i=1、2、3、4)分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差,由卫星星历提供。
    Vto为接收机的钟差。
    由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z和接收机的钟差Vto。
    目前GPS系统提供的定位精度是优于10米,而为得到更高的定位精度,我们通常采用差分GPS技术:将一台GPS接收机安置在基准站上进行观测。根据基准站已知精密坐标,计算出基准站到卫星的距离改正数,并由基准站实时将这一数据发送出去。用户接收机在进行GPS观测的同时,也接收到基准站发出的改正数,并对其定位结果进行改正,从而提高定位精度。差分GPS分为两大类:伪距差分和载波相位差分。
    1.伪距差分原理
    这是应用最广的一种差分。在基准站上,观测所有卫星,根据基准站已知坐标和各卫星的坐标,求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。再与测得的伪距比较,得出伪距改正数,将其传输至用户接收机,提高定位精度。这种差分,能得到米级定位精度,如沿海广泛使用的“信标差分”。
    2.载波相位差分原理
    载波相位差分技术又称RTK(RealTimeKinematic)技术,是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机,进行求差解算坐标。载波相位差分可使定位精度达到厘米级。大量应用于动态需要高精度位置的领域。

    GPS发展编辑本段

    1957年由苏联发射的史波尼克(Sputnik)人造卫星,它是人类历史上的第一颗人造卫星,至第二次大战时,美国麻省理工学院无线电实验室成功的开发了精密导航系统,以利用陆地上的无线电基地台为架构,计算无线电波长及电波到达的时间并以三角定位法计算出自己所在的位置,以当时的技术来说,虽然误差到达一公里以上,但在当时的运用却是相当广泛。
    当苏联成功的发射第一颗人造卫星时,美国约翰霍普金斯大学(JohnHopkimsUniver--sity)展示了可以由人造卫星的无线电讯号的杜卜勒移动现象来定出个别的卫星运行轨道参数,虽然这只是逻辑上的一点小进展,但假如我们能够得到卫星运行轨道参数,那么我们就能计算出在地球上的位置。
    1960~1970年之间,美国和苏联开始研究利用军事卫星来做导航用途,到了1974年,军方对GPS做了整合,即是我们现在所熟知的Navstar系统。
    1980年代后期开始,所有Navstar系统的商业运用均归美国海岸防卫队负责,现在GPS已和地面基地台为架构的LORAN和OMEGA无线电导航系统结合,成为美国国家导航信息服务的一环。
    GPS实施计划
    第一阶段为方案论证和初步设计阶段。从1973年到1979年,共发射了4颗试验卫星。研制了地面接收机及建立地面跟踪网。
    第二阶段为全面研制和试验阶段。从1979年到1984年,又陆续发射了
    测试架上的GPS卫星 测试架上的GPS卫星
    7颗试验卫星,研制了各种用途接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准。
    第三阶段为实用组网阶段。1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,表明GPS系统进入工程建设阶段。1993年底实用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。
    全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点,是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进,硬、软件的不断完善,应用领域正在不断地开拓,目前已遍及国民经济各种部门,并开始逐步深入人们的日常生活。经近10年我国测绘等部门的使用表明,GPS以全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点,赢得广大测绘工作者的信赖,并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科,从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

    美国GPS编辑本段

    前身

    GPS(又称全球卫星导航系统或全球卫星定位系统)系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统(Transit),1958年研制,1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作,每天最多绕过地球13次,并且无法给出高度信息,在定位精度方面也不尽如人意。然而,子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验,并验证了由卫星系统进行定位的可行性,为GPS系统的研制埋下了铺垫。
    由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此,美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划,并于67年、69年和74年各发射了一颗试验卫星,在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统,这是GPS系统精确定位的基础。
    而美国空军则提出了621-B的以每星群4到5颗卫星组成3至4个星群的计划,这些卫星中除1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为24h的倾斜轨道该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号,其强大的功能,当信号密度低于环境噪声的1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPS系统得以取得成功的一个重要基础。
    海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2维定位,空军的计划能供提供高动态服务,然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用,而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的,所以1973年美国国防部将2者合二为一,并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导,还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多,包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

    计划

    最初的GPS计划在联合计划局的领导下诞生了,该方案将24颗卫星放置在互成120度的三个轨道上。每个轨道上有8颗卫星,地球上任何一点均能观测到6至9颗卫星。这样,粗码精度可达100m,精码精度为10m。由于预算压缩,GPS计划不得不减少卫星发射数量,改为将18颗卫星分布在互成60度的6个轨道上。然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。1988年又进行了最后一次修改:21颗工作星和3颗备份星工作在互成30度的6条轨道上。这也是现在GPS卫星所使用的工作方式。

    计划实施

    GPS计划的实施共分三个阶段:
    第一阶段为方案论证和初步设计阶段。
    从1978年到1979年,由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星,卫星运行轨道长半轴为26560km,倾角64度。轨道高度20000km。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网,结果令人满意。
    第二阶段为全面研制和试验阶段。
    从1979年到1984年,又陆续发射了7颗称为BLOCKI的试验卫星,研制了各种用途的接收机。实验表明,GPS定位精度远远超过设计标准,利用粗码定位,其精度就可达14米。
    第三阶段为实用组网阶段。
    1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功,这一阶段的卫星称为BLOCKII和BLOCKIIA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。1993年底使用的GPS网即(21+3)GPS星座已经建成,今后将根据计划更换失效的卫星。

    GPS卫星编辑本段

    GPS卫星是由洛克菲尔国际公司空间部研制的,卫星重774kg,使用寿命为7年。卫星采用蜂窝结构,主体呈柱形,直径为1.5m。卫星两侧装有两块双叶对日定向太阳能电池帆板(BLOCKI),全长5.33m接受日光面积为7.2m2。
    对日定向系统控制两翼电池帆板旋转,使板面始终对准太阳,为卫星不断提供电力,并给三组15Ah镉镍电池充电,以保证卫星在地球阴影部分能正常工作。在星体底部装有12个单元的多波束定向天线,能发射张角大约为30度的两个L波段(19cm和24cm波)的信号。在星体的两端面上装有全向遥测遥控天线,用于与地面监控网的通信。此外卫星还装有姿态控制系统和轨道控制系统,以便使卫星保持在适当的高度和角度,准确对准卫星的可见地面。
    由GPS系统的工作原理可知,星载时钟的精确度越高,其定位精度也越高。早期试验型卫星采用由霍普金斯大学研制的石英振荡器,相对频率稳定度为10−11/秒。误差为14米。1974年以后,gps卫星采用铷原子钟,相对频率稳定度达到10−12/秒,误差8m。1977年,BOKCKII型采用了马斯频率和时间系统公司研制的铯原子钟后相对稳定频率达到10−13/秒,误差则降为2.9m。1981年,休斯公司研制的相对稳定频率为10−14/秒的氢原子钟使BLOCKIIR型卫星误差仅为1m。

    GPS功能编辑本段

    1.精确定时:广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中
    2.工程施工:道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量
    3.勘探测绘:野外勘探及城区规划中都有用到

    导航

    1.武器导航:精确制导导弹、巡航导弹
    2.车辆导航:车辆调度、监控系统
    3.船舶导航:远洋导航、港口/内河引水
    4.飞机导航:航线导航、进场着陆控制
    5.星际导航:卫星轨道定位
    6.个人导航:个人旅游及野外探险

    定位

    车辆防盗系统
    手机,PDA,PPC等通信移动设备防盗,电子地图,定位系统
    儿童及特殊人群的防走失系统
    精准农业:农机具导航、自动驾驶,土地高精度平整

    GPS特点编辑本段

    第一,全天候,不受任何天气的影响;
    第二,全球覆盖(高达98%);
    第三,三维定点定速定时高精度;
    第四,快速、省时、高效率;
    第五,应用广泛、多功能;
    第六,可移动定位。
    目前正在运行的全球卫星定位系统有美国的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统。
    欧盟1999年初正式推出“伽利略”计划,部署新一代定位卫星。该方案由27颗运行卫星和3颗预备卫星组成,可以覆盖全球,位置精度达几米,亦可与美国的GPS系统兼容,总投资为35亿欧元。该计划预计于2010年投入运行。
    中国还独立研制了一个区域性的卫星定位系统——北斗导航系统。该系统的覆盖范围限于中国及周边地区,不能在全球范围提供服务,主要用于军事用途。

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