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      GPS定位系統

      發佈時間:2019/12/05

      全球定位系統(Global Positioning System,GPS)是一種以空中衛星為基礎的高精度無線電導航的定位系統,它在全球任何地方以及近地空間都能夠提供準確的地理位置、車行速度及精確的時間信息。GPS自問世以來,就以其高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活吸引了眾多用戶。GPS不僅是汽車的守護神,同時也是物流行業管理的智多星。隨著物流業的快速發展,GPS有著舉足輕重的作用,成為繼汽車市場後的第二大主要消費群體。GPS是美國從20世紀70年代開始研製,歷時20年,耗資200億美元,於1994年全面建成,具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位功能的新一代衛星導航與定位系統 [1]  。

      概述

      GPS是美國從20世紀70年代開始研製,歷時20年,耗資200億美元,於1994年全面建成,具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位功能的新一代衛星導航與定位系統。經近10年我國測繪等部門的使用表明,GPS以全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點,贏得了廣大測繪工作者的信賴,併成功地應用於大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科中,從而給測繪領域帶來了一場深刻的技術革命。

      GPS是美國第二代衛星導航系統。它是在子午儀衛星導航系統的基礎上發展起來的,它採納了子午儀系統的成功經驗。按目前的方案,GPS的空間部分使用24顆高度約2.02萬千米的衛星組成衛星星座。24顆衛星均為近圓形軌道,運行周期約為11小時58分,分佈在6個軌道面上(每軌道面4顆),軌道傾角為55度。衛星的分佈使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4顆以上的衛星,並能保持良好定位解算精度的幾何圖形。這就提供了在時間上連續的全球導航能力。

      GPS主要由三大組成部分:空間部分、地面監控部分和用戶設備部分。GPS系統具有高精度、全天候、用廣泛等特點 [1]  。

      全球定位系統的發明

      20世紀70年代,美國國防部為了給陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務,併進行情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的,開始研製“導航衛星定時和測距全球定位系統”,簡稱全球定位系統。1973年,美國國防部開始設計、試驗。1989年2月4日,第一顆GPS衛星發射成功,到1993年底建成了實用的GPS網,即(21+3GPS)星座,並開始投入商業運營。經過20餘年的研究實驗,耗資300億美元,到1994年3月,全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星星座已經布設完成 [2] 。

      發展歷史

      GPS是指利用GPS衛星,向全球各地全天候、實時性地提供三維位置、三維速度等信息的一種無線電導航定位系統。GPS的前身是1958年美國軍方研製的一種子午儀( Transit)衛星定位系統,1964年正式投入使用,該系統用5-6顆衛星組成的星網工作,每天最多繞過地球13圈,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,子午儀衛星定位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,這就為GPS的研製做了鋪墊。由於衛星定位顯示出在導航方面的巨大優越性以及子午儀系統存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷,美國陸、海、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。

      20世紀70年代,陸、海、空三軍聯合研製了新一代全球定位系統,GPS主要目的是為陸、海、空三軍提供實時、全天候和全球性的導航服務,並用於情報搜集、核爆炸監測和應急通信等一些軍事目的,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衛星星座已布設完成。GPS已經經歷了第一代和第二代,現在已升級到第三代,以保持其在導航定位系統的霸主地位,從目前來看,GPS是全球範圍內精度最高、覆蓋範圍最廣的導航定位系統。

      最初的GPS計劃是在美國聯合計劃局的領導下制定的,該方案將24顆衛星放置在互成1200的三個軌道上。每個軌道上有8顆衛星,地球上任何一點均能觀測到6-9顆衛星。這樣,粗碼精度可達100m,精碼精度為10m。由於預算的壓縮,GPS計劃不得不減少衛星發射數量,改為將18顆衛星分佈在互成600的6個軌道上,然而這一方案保障不了衛星的可靠性。1988年又進行了最後一次修改:21顆工作衛星和3顆備用衛星工作在互成600的6個軌道上。這也是目前GPS衛星所使用的工作方式 [3]  。

      工作原理

      定位原理

      GPS定位包括偽距單點定位、載波相位定位和實時差分定位。

      1.偽距測量及偽距單點定位

      偽距測量就是測定衛星到接收機的距離,即由衛星發射的測距碼信號到達GPS接收機的傳播時間乘以光速所得的距離。偽距法單點定位,就是利用GPS接收機在某一時刻測定與4顆以上GPS衛星的偽距,及從衛星導航電文中獲得的衛星瞬時坐標,採用距離交會法求出天線在WGS-84坐標系中的三維坐標。

      2.載波相位測量及載波相位定位

      載波相位測量是測定GPS衛星載波信號到接收機天線之間的相位延遲。GPS衛星載波上調製了測距碼和導航電文,接收機接收到衛星信號後,先將載波上的測距碼和衛星電文去掉,重新獲得載波,稱為重建載波。GPS接收機將衛星重建載波與接收機內由振蕩器產生的本振信號通過相位計比相,即可得到相位差。

      3.實時差分定位

      GPS實時差分定位的原理是在已有的精確地心坐標點上安放GPS接收機(稱為基準站),利用已知的地心坐標和星曆計算GPS觀測值的校正值,並通過無線電通信設備(稱為數據鏈)將校正值發送給運動中的GPS接收機(稱為流動站)。流動站利用校正值對自己的GPS觀測值進行修正,以消除上述誤差,從而提高實時定位精度。GPS動態差分方法有多種,主要有位置差分、偽距差分( RTD)、載波相位實時差分(RTK)和廣域差分等。

      GPS信號的接收與測量原理

      主動測距與被動測距

      GPS屬於被動式衛星導航系統,在被動式測距系統中,用戶天線只需要接收來自這些衛星的導航定位信號,從而就可測得用戶天線至衛星的距離或距離差。這種發送測距信號和接收測距信號分別位居兩個不同地方的測距方式,稱為被動測距。用它所測得的站星距離,並利用已知的衛星在軌位置,可推算出用戶天線的三維位置。這種基於被動測距原理的定位,稱為被動定位。如果發送設備所發射的測距信號經過反射器的反射或轉發,又返回到發送點,為其接收設備所接收,進而測得測距信號所經歷的距離。這種發送和接收測距信號位於同一個地方的測距原理,稱為主動測距。用它所測得的站星距離和已知的衛星在軌位置,也可推算出用戶現時的三維位置。這種基於主動測距原理的定位,稱為主動定位。

      GPS偽距測量

      GPS全球定位系統採用多星高軌測距體制,以距離作為基本觀測量,通過對4顆衛星同時進行偽距測量,即可推算出接收機的位置。由於測距可在極短的時間內完成,即定位是在極短的時間內完成的,故可用於動態用戶。

      現代測距實質上是使用無線電信號測量其傳播時間來推算距離。可以測量往返傳播延遲,也可以測量單程傳播延遲。往返傳播測距即主動測距,要求衛星與用戶均具備收發能力。對用戶來說,這不僅大大增加了儀器的複雜程度,而且從隱蔽性來看也是十分不利的,因為發射信號易造成暴露。單程測距(即被動測距)則在很大程度上避免了上述的缺點。但單程測距要求衛星與用戶接收機的時鐘同步。如果兩個時鐘不同步,那麼在所測量的傳播延時時間中,除了因衛星至用戶接收機之間距離所引起的傳播延遲之外,還包含了兩個時鐘的鐘差。要達到衛星與用戶時鐘同步,在實際工作中很難做到,但可通過適當方法解決。

      偽隨機碼與偽隨機碼測距

      在有噪聲干擾的情況下,綜合考慮測距精度、信號帶寬、所需功率及不同衛星識別等問題,全球定位系統採用了偽隨機碼測距技術。偽隨機碼又稱為偽噪聲碼,是一種可以預先確定並可以重覆地產生和複製,又具有隨機統計特性的二進制碼序列。在深空通信場合,利用偽隨機編碼信號可以實現低信噪比接收,大大改善了通信的可靠性,且可實現碼分多址通信。此外,利用偽隨機編碼信號可以實現高性能的保密通信。這些特點正符合GPS系統的技術要求。

      根據信號檢測理論的普遍結果,在噪聲為具有均勻功率譜的白噪聲條件下,測距的最佳接收機是一個相關接收機。這種接收方式是用發射信號的複製信號(稱為本地信號)和所接收到的信號與噪聲之和進行相關計算,然後通過測量相關函數的最大值的位置來確定目標的距離。從相關接收的方式來看,要求測距信號具有類似白噪聲的自相關特性。偽隨機碼測距技術就是這一思想的體現。

      用偽隨機碼測定信號傳播延遲,需檢測相關輸出的極大值。這隻能靠逐碼位地移動本地碼進行檢測。考慮到檢測是在積分器進行積分之後進行的,積分時間又不宜太短,這樣檢測到最大相關輸出就要花費一定的時間,即需要一定的捕獲時間。在事先不知道待測距離及站鐘鐘差的情況下,碼越長,所需要的捕獲時間就越長。為了縮短捕獲時間,GPS衛星還播發一種短碼,即C/A碼,也稱租碼。由於C/A碼是採用兩個具有良好互相關特性的同碼序列構成的戈爾德碼族,與P碼保持同步,所以在捕獲C/A碼後,可以很方便地捕獲P碼 [4]  。

      組成部分

      全球定位系統由以下三個部分組成:空間部分(GPS衛星)、地面監控部分和用戶部分。GPS衛星可連續向用戶播發用於進行導航定位的測距信號和導航電文,並接收來自地面監控系統的各種信息和命令以維持系統的正常運轉。地面監控系統的主要功能是:跟蹤GPS衛星,對其進行距離測量,確定衛星的運行軌道及衛星鐘改正數,進行預報後,再按規定格式編製成導航電文,並通過註入站送往衛星。地面監控系統還能通過註入站向衛星發佈各種指令,調整衛星的軌道及時鐘讀數,修複故障或啟用備用件等。用戶則用GPS接收機來測定從接收機至GPS衛星的距離,並根據衛星星曆所給出的觀測瞬間衛星在空間的位置等信息求出自己的三維位置、三維運動速度和鐘差等參數。目前,美國正致力於進一步改善整個系統的功能,如通過衛星間的相互跟蹤來確定衛星軌道,以減少對地面監控系統的依賴程度,增強系統的自主性。

      空間部分

      GPS衛星

      GPS衛星的主體呈圓柱形,兩側有太陽能帆板,能自動對日定向。太陽能電池為衛星提供工作用電。每顆衛星都配備有多台原子鐘,可為衛星提供高精度的時間標準。衛星上帶有燃料和噴管,可在地面控制系統的控制下調整自己的運行軌道。GPS衛星的基本功能是:接收並存儲來自地面控制系統的導航電文;在原子鐘的控制下自動生成測距碼和載波;並將測距碼和導航電文調製在載波上播發給用戶;按照地面控制系統的命令調整軌道,調整衛星鐘,修複故障或啟用備用件以維護整個系統的正常工作。不同型號的衛星的外形也各不相同。

      GPS衛星可分為試驗衛星和工作衛星兩類。各種類型的基本特征如下:

      (1)試驗衛星

      試驗衛星也稱原型衛星。衛星重774kg(包括310kg的燃料),設計壽命為5年。為滿足方案論證和整個系統試驗、改進的需要,美國1978-1985年間從加利福尼亞州的範登堡空軍基地用 Atlas火箭先後發射了11顆試驗衛星。其中第7顆衛星發射失敗,未進入預定軌道。1995年底,最後一顆試驗衛星停止工作。

      (2)工作衛星

      BlockⅡ衛星重約1.5t,設計壽命為7.5年。每顆衛星耗資4800萬美元。1989年2月至190年10月間,從佛羅里達州的肯納維拉爾空間基地用 DeltaⅡ火箭發射了9顆 BlockⅡ衛星。與試驗衛星相比,BlockⅡ衛星作了許多改進,衛星可存儲14天的導航電文,並具有實施SA和AS的能力。BlockⅡA衛星(A:Advanced)重約17t,衛星設計壽命為7.5年,衛星具備互相通信的能力。衛星存儲導航電文的能力增加至180天。SVN35和SVN36衛星上配備了激光反射棱鏡,可以通過激光測距來分析衛星鐘和衛星星曆的誤差,檢驗GPS測距的精度。反射棱鏡的大小為24cm×20cm [5]  。

      控制部分

      地面監控部分是由分佈在世界各地的五個地面站組成,按功能可分為監測站、主控站和註入站三種。監測站內設有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、氣象參數測試儀和計算機等設備,主要任務是完成對GPS衛星信號的連續觀測,並將搜集的數據和當地氣象觀測資料經過處理後傳送到主控站。主控站除了協調管理地面監控系統外,還負責將監測站的觀測資料聯合處理,推算衛星的星曆、衛星鐘差和大氣修正參數,並將這些數據編製成導航電文送到註入站;另外,它還可以調整偏離軌道的衛星,使之沿預定軌道運行,調度備用衛星,以替代失效的衛星開展工作。註入站的主要任務是將主控站編製的導航電文、計算出的衛星星曆和衛星鐘差的改正數等,通過直徑為3.6m的天線註入相應的衛星。

      用戶部分

      用戶設備主要由GPS接收機、硬件和數據處理軟件、微處理機及終端設備組成;GPS接收機由主機、天線和電源組成。其主要任務是捕獲、跟蹤並鎖定衛星信號;對接收的衛星信號進行處理,測量出GPS信號從衛星到接收機天線間傳播的時間;譯出GPS衛星發射的導航電文,實時計算接收機天線的三維位置、速度和時間 [6]  。

      GPS特點

      GPS是目前成用最為成功的衛星定位系統,被譽為人類定位技術的一個裡程碑。歸納起來,系統具有以下特點:

      (1)全球,全天候連續不斷的導航定位能力。GPS能為全球任何地點或近地空間的各類用戶提供連續的、全天候的導航定位能力,用戶不用發射信號,因而能滿足多用戶使用。

      (2)實時導航,定位精度高,觀測時間短。利用GPS定位時,在1s內可以取得幾次位置數據,這種近乎實時的導航能力對於高動態用戶具有很大的意義,同時能為用戶提供連續的三維位置、三維速度和精確的時間信息。目前利用C/A碼的實時定位精度可達20-50m,速度精度為0.1m/s,利用特殊處理可達0.005m/s,相對定位精度可達毫米級。

      隨著GPS系統的不斷完善和軟件的不斷更新,目前20km以內相對靜態定位僅需15-20min,快速靜態相對定位測量時,當每個流動站與基準站相距在15km以內時,流動站觀測時間只需1-2min,然後可隨時定位,每站觀測只需幾秒。

      (3)測站無需通視:GPS測量只要求測站上空開闊,不要求測站之間互相通視,因此可節省大量的造標費用(一般造標費用占總經費的30%、50%)。由於無需點間通視,點位位置可根據需要可疏可密,這樣就使得選點丁作變得非常靈活,也可省去經典測量中的傳算點、過渡點的測量工作,

      (4)可提供全球統一的三維地心坐標:GPS測量可同時精確測定測站平面位置和大地高程。目前GPS水準可滿足四等水準測量的精度,另外,GPS定位是在全球統一的WGS-84坐標系統中計算的,剛此全球不同地點的測量成果是相互關聯的。

      (5)儀器操作簡便:隨著GPS接收機的不斷改進,GPS測量的自動化程度越來越高。在觀測巾測量員只需安置儀器,連接電纜線,量取天線高,監視儀器的工作狀態,而其他觀測工作,如衛星的捕扶,跟蹤觀測和記錄等均由儀器自動完成,結束測量時,僅需關閉電源,收好接收機,便完成了野外數據採集任務,

      如果往一個測站上需做長時間的連續觀測,還可以通過數據通信方式將所採集的數據傳送到數據處理中心,實現全自動化的數據採集與處理。另外,接收機的體積也越來越小,相應的重量也越來越輕,極大地減輕測量作者的勞動強度,使野外工作變得更為輕鬆。

      (6)抗干擾能力強、保密性好:GPS採用擴頻技術和偽碼技術,用戶只需接收GPS信號,自身不會發射信號,出而不會受到外界其他信號源的干擾。

      (7)功能多、應用廣泛:GPS是軍、民兩用系統,其應用範圍十分廣泛。具體的應用實例包括:汽車導航和交通管理、巡線車輛管理、道路工程、個人定位以及導航儀等 [7]  。

      GPS接收機

      GPS接收機的主要功能是接收GPS衛星信號並經過信號放大、變頻、鎖相處理,測定GPS信號從衛星到接收機天線間的傳播時間,解釋導航電文,實時計算GPS天線所在位置(三維坐標)及運行速度等。GPS接收機是一種被動式無線電定位設備,按不同用途分為導航型接收機、測地型接收機、授時型接收機和姿態測量型接收機;按接收機通道數可以分為多通道接收機、序貫通道接收機和多路復用通道接收機。

      GPS接收機主要由GPS接收天線、GPS接收機主機和電源三部分組成。

      1.GPS接收機天線

      GPS接收機天線由天線單元和前置放大器兩部分組成。天線的作用是將GPS衛星信號的微弱電磁波能量轉化為相應電流,並通過前置放大器將接收到的GPS信號放大。

      2.GPS接收機主機

      接收機主機由變頻器、信號通道、微處理器、存儲器和顯示器組成。變頻器的主要任務是使接收到的L頻段射頻信號變成低頻信號。信號通道是軟硬件結合的電路,是接收機的核心部分,其作用是搜索、牽引並跟蹤衛星,對廣播電文信號進行解擴、解調成為廣播電文,進行偽距測量、載波相位測量及多普勒頻移測量。存儲器用於存儲一小時一次的衛星星曆、衛星曆書、接收機採集到的碼相位偽距觀測值、載波相位觀測值及多普勒頻移。微處理器是GPS接收機工作的核心,GPS接收機的工作都是在微機指令的統一協同下進行的。GPS接收機都有液晶顯示屏,以提供GPS接收機的工作信息,並配有一個控制鍵盤,以便用戶控制接收機的工作。

      3.GPS接收機電源

      GPS接收機電源有兩種,一種為內電源,一般採用鋰電池,主要對RAM存儲器供電;另一種為外接電源,常用可充電的12V直流鎳鎘電池組 [6]  。

      GPS接收機分類

      GPS接收機按照不同的分類標準,可以分為不同類型。

      (1)按工作原理劃分,可分為碼相關型接收機、平方型接收機和混合型接收機。碼相關型接收機能夠產生與所測衛星測距碼結構完全相同的複製碼,利用的是C/A碼或P碼,條件是掌握測距碼結構。平方型接收機利用載波信號的平方技術去掉調製碼,獲得載波相位測量所必需的載波信號,該機只利用衛星信號,無須解碼,不必掌握測距碼結構,又稱無碼接收機。混合型接收機綜合利用了碼相關技術和平方技術的優點,同時獲得碼相位和精密載波相位觀測量,目前廣泛使用。

      (2)根據接收機信號通道類型劃分,可分為多通道接收機、序貫通道接收機及多路復用通道接收機。多通道接收機具有多個衛星信號通道,每個通道只連續跟蹤一個衛星信號,也稱連續跟蹤型接收機。序貫通道接收機只有1-2個信號通道,為了跟蹤多個衛星,在相應軟件控制下按時序依次對各衛星信號進行跟蹤量測,依次量測一個循環所需時間較長(大於20 m/s),對衛星信號的跟蹤是不連續的。多路復用通道接收機與序貫通道接收機相似,也只有1-2個信號通道,在相應軟件控制下按時序依次對各衛星信號進行跟蹤量測,依次量測一個循環所需時間較短(小於20 m/s),可保持對衛星信號的連續跟蹤。

      (3)根據所接收的衛星信號頻率劃分,可分為單頻接收機和雙頻接收機。單頻接收機( L1)只接收調製的L1信號,雖然可利用導航電文提供的參數,對觀測量進行電離層影響修正,但由於修正模型尚不完善,精度較差,主要用於小於20 km的短基線精密定位。雙頻接收機( L1+L2)同時接受L1和L2兩種信號,利用雙頻技術,可消除或減弱電離層折射對觀測量的影響,定位精度較高。按信號頻率對衛星信號進行劃分是使用較多的類型。

      (4)按接收機用途劃分,可分為導航型、測量型和授時型。導航型主要用於確定船舶、車輛、飛機等運載體的實時位置和速度,保障按預定路線航行或選擇最佳路線,其採用測碼偽距為觀測量的單點實時定位或差分GPS定位,精度低,結構簡單,價格便宜,應用廣泛。測量型接收機採用載波相位觀測量進行相對定位,精度高,觀測數據可測後處理或實時處理( RTK),需配備功能完善的數據處理軟件,與導航型相比,結構複雜,價格昂貴。授時型接收機主要用於天文臺或地面監控站,進行時頻同步測定。

      接收機工作原理

      天線的基本作用是把來自於衛星信號的能量轉化為相應的電流,並經前置放大器進行頻率變換,以便對信號進行跟蹤、處理和量測。

      當GPS衛星在用戶視界升起時,接收機能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星,並能夠跟蹤這些衛星的運行;對所接收到的GPS信號,具有變換、放大和處理的功能,以便測量出GPS信號從衛星到接收天線的傳播時間,解譯出GPS衛星所發送的導航電文,實時地計算出測站的i維位置,甚至三維速度和時間。GPS信號接收機不僅需要功能較強的機內軟件,而且需要一個多功能的GPS數據測後處理軟件包。接收機加處理軟件包,才是完整的GPS信號用戶設備。

      接收設備的誤差

      接收設備誤差主要包括觀測誤差、接收機鐘差、載波相位觀測的整周不確定性影響和天線相位中心誤差。

      (1)觀測誤差。除分辨誤差外,還包括接收天線相對測站點的安置誤差。分辨誤差一般認為約為信號波長的1%。安置誤差主要有天線的置平與對中誤差和量取天線相位中心高度(天線高)誤差。例如當天線高1.6 m,置平誤差0.10,則對中誤差為2.10 mm。

      (2)接收機鐘差。GPS接收機一般設有高精度的石英鐘,日頻率穩定度為10-11。如果接收機鐘與衛星鐘之間的同步差為1s,則引起的等效距離誤差為300 m。處理接收機鐘差的方法有作為未知數,在數據處理中求解;利用觀測值求差方法,減弱接收機鐘差影響;定位精度要求較高時,可採用外接頻標,如銣、銫原子鐘,提高接收機時間標準精度。

      (3)載波相位觀測的整周未知數。無法直接確定載波相位相應起始歷元在傳播路徑上變化的整周數。同時存在因衛星信號被阻擋和受到干擾,而產生信號跟蹤中斷和整周變跳。

      (4)天線相位中心位置偏差。GPS定位中,觀測值都是以接收機天線的相位中心位置為準,在理論上,天線相位中心與儀器的幾何中心應保持一致,實際中,其隨著信號輸入的強度和方向不同而有所變化,同時與天線的質量有關,可達數毫米至數釐米。如何減小相位中心的偏移,是天線設計的一個迫切問題 [8]  。

      四大導航

      美國全球定位系統

      美國的全球定位系統( GPS)是20世紀70年代由美國陸、海、空三軍聯合研製的新型空間衛星導航定位系統。其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務,並用於情報收集、核爆監測和應急通信等一些軍事目的,是美國獨霸全球戰略的重要組成部分。經過20餘年的研究試驗,耗資300億美元,到1994年3月,全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星全部布設完成。

      GPS是一個全球性、全天候、全天時、高精度的導航定位和時間傳遞系統。作為軍民兩用系統,提供兩個等級的服務。近年來,美國政府為了加強其在全球導航市場的競爭力,撤銷對GPS的SA干擾技術,標準定位服務定位精度雙頻工作時實際可提高到20m、授時精度提高到40ns,以此抑制其他國家建立與其平行的系統,並提倡以GPS和美國政府的增強系統作為國際使用的標準。

      美國的全球定位系統包括繞地球運行的27顆衛星(24顆運行、3顆備用),它們均勻地分佈在6個軌道上。每顆衛星距離地面約1.7萬公里,能連續發射一定頻率的無線電信號。只要持有便攜式信號接收儀,則無論身處陸地、海上還是空中,都能收到衛星發出的特定信號。接收儀中的計算機只要選取4顆或4顆以上衛星發出的信號進行分析,就能確定接收儀持有者的位置。GPS除了導航外,還具有其他多種用途,如科學家可以用它來監測地殼的微小移動,從而幫助預報地震;測繪人員利用它來確定地面邊界;汽車司機在迷途時通過它能找到方向;軍隊依靠它來保證正確的前進方向 [9]  。

      歐盟“伽利略”系統

      歐盟Calileo系統是世界上第一個基於民用的全球衛星導航定位系統,是歐盟為了打破美國的GPS在衛星導航定位這一領域的壟斷而開發的全球導航衛星系統,有歐洲版“GPS”之稱。

      2010年1月7日,歐盟委員會稱,Galileo系統將從2014年起投入運營,耗資30億歐元,韓國、中國、日本、阿根廷、澳大利亞、俄羅斯等國都參與了該計劃,當初的目標完成時間是2008年,但由於技術等各種原因,進展十分緩慢,原定關鍵計劃時間節點一拖再拖,最新消息延長到了2014年。Galileo計劃的目標是建設獨立的、全球性的民用導航和定位系統,中國也向Galileo計劃投資了296萬美元。Galileo系統將為歐盟成員國和中國的公路、鐵路、空中和海洋運輸甚至徒步旅行者有保障地提供精度為Im的定位導航服務,從而也將打破美國獨霸全球衛星導航系統的格局。

      Galileo系統採用了性能極為先進的新技術,保持了系統的獨立性,又考慮了與其他衛星導航系統(重點考慮的是GPS的兼容性和互操作性。

      Galileo系統主要由三大部分組成:空間星座部分、地面監控與服務設施部分以及用戶設備部分。

      空間星座部分是由分佈在三個軌道上的30顆中高度圓軌道衛星構成,衛星分佈在三個高度為23616km,傾角為56度的軌道上,每個軌道有9顆工作衛星外加顆備用衛星,備用衛星停留在高於正常軌道300km的軌道上,能使任何人在任何時間、任何地點準確定位,誤差不超過3m。Galileo星座具有較好的DOP值分佈特性,定位精度也優於GPS定位精度。地面監控與服務設施部分包括兩個位於歐盟的伽利略控制中心( Galileo Control Center)和20個分佈在全球的伽利略傳感器站( Galileo Sensor Station)。除此之外,還有實現衛星和控制中心進行數據交換的5個S波段上行站和10個C波段下行站,伽利略控制中心主要控制衛星的運轉和導航任務的管理。20個傳感器站通過冗餘通信網絡向控制中心傳送數據。用戶設備部分主要由導航定位模塊和通信模塊組成。

      Galileo系統可以發送實時的高精度定位信息,這是現有的衛星導航系統所體育路188號的,同時Galileo系統能夠保證在許多特殊情況下提供服務,如果失敗也能在幾秒鐘內通知客戶。與美國的GPS相比,Galileo系統更先進,也更可靠。美國GPS提供的衛星信號,只能發現地面約10m長的物體,而Galileo系統的衛星則能發現1m長的目標。一位軍事專家形象地比喻說,GPS只能找到街道,而Galileo系統則可找到家門。

      俄羅斯“格洛納斯”系統

      俄羅斯GLONASS最早開發於蘇聯時期。1993年,俄羅斯開始獨自建立本國的全球衛星導航系統,原計劃2007年年底之前開始運營,2009年年底之前將服務範圍拓展到全球,但由於資金等各種原因,系統仍在持續進行階段。GLONASS至少需要18顆衛星才可以為俄羅斯全境提供定位和導航服務,如果要提供全球服務,則需要24顆衛星在軌工作,另有6顆衛星在軌備用。據俄羅斯官方報道,該系統完全建成後,其定位和導航誤差範圍僅為23m,就精度而言將處於世界領先水平。

      GLONASS與GPS類似,也由空間星座部分、地面監控部分以及用戶設備部分組成。空間星座部分主要由2-4顆衛星組成,均勻分佈在三個近圓形的軌道面上,每個軌道面有8顆衛星,軌道高度19100km,運行周期11h15 min,軌道傾角比GPS略大,為64. 8度。地面監控部分以及用戶設備部分均與GPS差不多。

      目前,GLONASS與GPS最主要的不同之處是信號結構不同。GLONASS採用的是頻分多址( FDMA)技術,即在不同的載波頻率上用相同的碼來廣播導航信號。GLONASS由各自的軌道信號頻率區分,有24個間隔點,以1-24命名。而GPS採用的是碼分多址( CDMA)技術,所有GPS衛星的載波頻率是相同的,均由各自的偽隨機碼( PRN)區別開來,它的偽隨機碼1-32,使用其中的24個。最近,俄羅斯官方宣佈,在新一代GLONASS-M衛星中將增加CDMA信號(1575. 42MHz和1176. 45 MHz,分別對應GPS的L1和L5載波信號),同時增加衛星數量,擴展地面增強系統,升級地面控制和完整性監測,以拓展市場,從而滿足更多用戶的需要 [10]  。

      我國北斗衛星導航系統

      我國的北斗衛星導航系統BeiDou(COMPASS)navigation satellite system(CNSS)。我國建立的自主發展、獨立運行的全球衛星導航與通信系統。與美國GPS、俄羅斯格羅納斯、歐盟伽利略系統並稱全球四大衛星導航系統。

      北斗衛星導航系統由空間端、地面端和用戶端三部分組成。空間端包括3顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星,30顆非靜止軌道衛星又細分為27顆中軌道(MEO)(含3顆備份衛星)衛星和3顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星組成,27顆MEO衛星平均分佈在傾角55度的三個平面上,軌道高度21500km.地面端包括主控站、註入站和監測站等若干個地面站。用戶端包括北斗用戶終端以及與其他衛星導航系統兼容的終端。北斗衛星導航系統可在全球範圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠的定位、導航、授時服務,並兼具短報文通信能力。北斗衛星導航系統的建設目標是建成獨立自主、開放兼容、技術先進、穩定可靠及覆蓋全球的衛星導航系統。北斗衛星導航系統提供開放服務(open service)和授權服務(authorization service)兩種服務,其中開放服務是向全球用戶免費提供定位、測速和授時服務,定位精度10m,測速精度0.2m/s,授時精度50ns;授權服務是為有高精度、高可靠衛星導航需求的用戶提供定位、測速、授時和通信服務以及系統完好性信息。北斗導航終端與GPS、GAL.ILEO和GLONASS相比,優勢在於短信服務和導航結合,增加了通信功能;全天候快速定位,極少的通信盲區,精度與GPS相當,而在增強區域即亞太地區,精度甚至會超過GPS;向全世界提供的服務都是免費的,在提供無源導航定位和授時等服務時,用戶數量體育路188號限制,且與GPS兼容;自主系統,高強度加密設計,安全、可靠、穩定,適合關鍵部門應用 [11]  

       

      實際運用

      全球定位系統一般主要是指GPS,儘管俄羅斯、歐洲及中國也紛紛建立自身的全球定位系統,但就技術而言,美國建立的GPS技術處於先進地位。本節所指的定位系統應用主要依據是GPS的應用,我們相信在不久的將來,其他定位系統也將發揮自身的作用,同樣也能實現相應領域的應用。

      (1)精密工程、測量及變形監測中的應用

      將應用GPS衛星定位技術建立的控制網叫GPS網,GPS網分為兩大類,一類是全球或全國性的高精度GPS網;一類是區域性的GPS網。大地測量的科研任務是研究地球形狀及其隨時間的變化,利用全球覆蓋的高精度GPS網建立起高精度的動態坐標框架。區域GPS網是指國家C、D、E級GPS網或專為工程項目布測的工程GPS網。

      (2)交通系統中的應用

      對當前位置的定位以及對目標物的定位是地面車輛導航系統的兩個關鍵技術。前者需要GPS獲取點位根據,而後者則偏重以數字地圖為基礎,確定點位置,這實際上是一個地圖相關分析的問題。

      隨著我國城市建設規模的擴大,車輛日益增多,交通運輸的經營管理和合理調度,警用車輛的指揮和安全管理已成為公安、交通系統的一個重要問題。GPS導航定位技術的出現給車輛、輪船等交通工具的導航定位提供了具體的實時的定位能力。用於公安、交通系統的主要有:車輛GPS定位與無線電通信系統相結合的指揮管理系統;應用GPS差分技術的指揮管理系統。GPS車輛導航應用範圍很廣,如運輸線路導航、突發事件車輛導航、車輛派遣等一一般地,智能型車輛和高速公路系統根據其功能可以分為4種:自動式系統、車隊管理系統、咨詢型導航系統和普查型系統。車隊管理系統可對多輛車進行操作,並設有捌度中心;咨詢型導航系統融合自動式系統和車隊管理系統;普查型系統通常由自動式車輛加載攝像機或數字式的照相機組成,可用於獲取時間、點位特性的道路信息,

      (3)地球動力學中的應用

      用GPS來監測全球和區域板塊運動,監測區域地殼運動,對地球成因及動力機

      制的研究。研究地下斷層活動模式、應力場變化,對地震危險值估計和預報。為了進行我國地殼形變監測,由地震局、總參測繪局、國家測繪局、中國科學院承擔的“九五”重大科學工程項目“中同地殼運動監測網絡工程”已於2000年建成。武漢測繪科技大學利用雲南滇西兩期GPS監測資料,反演紅河斷裂帶低下斷層活動模式,對1996年雲南麗江地震作了較為準確的中期預報,其位置誤差為27 km,震源深度誤差為0-6 km.震級完全準確,揭示了用GPS監測資料做中期地震預報的可能性。

      (4)氣象學中的應用

      利用GPS理論和技術來遙測地球大氣、進行氣象學的理論和方法研究稱為GPS氣象學( GPSIMET)i GPS氣象學的研究始於20世紀10年代後期,最先在美國起步,在美國取得理想的試驗結果後,在其他國家如日本也逐步開始GPS在氣象中的應用。GPS/MET探測數據具有覆蓋範圍廣(全球)、高垂直分辨率、高精度和高長期穩定的特點。

      地球的大氣相當於一個透鏡,電磁波信號(如載波)在大氣中的傳輸路徑將因大氣折射而發生曲折,氣體密度越大,信號折射越強烈,波傳輸越慢,低軌GPS接收機接收到經折射的信號,可計算出綜合信號折射率。經過適當的轉換,電磁波的折射路徑在各層大氣中的垂直結構可以重構。無線電採用微波轉換器由GPS衛星向接收機發射信號,傳播中需經過某種介質,研究信號傳輸的性質就可以探清陔介質的性質。大氣中有3種GPS信號折射源,即乾燥物、水氣和電離層物質。

      (5)軍事中的應用

      軍事上可用於協同作戰、導彈的制導、搜索及救援人員野外定位。協同作戰方面,GPS可為各級指揮系統提供各種目標及事件所發生的時間和地點。導彈的制導方面,美伊戰爭70%左右使用GPS輔助制導,使戰斧式巡航導彈從l 600 km的地方準確打擊一個小房子的日標。搜索及救援人員野外定位方面,在茫茫的沙漠上,體育路188號任何標誌,主要靠導航衛星進行定位,才能知道自己在什麼地方。

      (6)農業中的應用

      GPS系統在精細農業實施過程中異常重要:能對農田各種信息給予精確定位,包括對農機車輛導航、平地、精確播種、噴藥、撒肥、數據管理以及作物活力檢測和變量控制。精準農業中較為成熟的、效益較好的應用包括:自動駕駛、施肥、噴藥和播種等。GPS對於土壤養分分佈調查、檢測作物產量和農田管理在效率、準確率上比人的管理高很多;在聯合收割機上配置監視器和GPS接收機,構成作物產量監視系統;通過和土壤養分含量分佈罔的綜合分析,可以找出影響作物產量的相關因素,從而進行具體的田間施肥等管理工作。利用棕色土壤和綠色作物葉子反射光波波長的差

      可辨別土壤、作物和雜草。利用反射光波的差別,鑒別缺乏營養或感染病蟲害的作物葉子。施加除草劑有兩種方法,①利用雜草檢測傳感器,採集田間雜草信息,通過變量噴灑設備的控制系統,控制除草劑的噴施量;②事先用雜草傳感器繪製出田間雜草斑塊分佈圖,由電子地圖輸出處方,通過變量噴藥機械實施。

      (7)野生動物保護中的應用

      美國土地管理局於20世紀10年代中葉開發了基於GPS的地理信息系統( Geographic Information System,GIS),美國土地局分季度收集一次野生動物資源的有關信息,如生態條件以及野生動物棲息地分佈、野生動物數量等。美國西部生活著數以萬計的野馬和野牛。建立野生動物管理系統,其主要目的在於:採用聲音錄入代替舊的手工輸入方法;能顯示當前和歷史的飛行路線,對野生動物分佈進行精確定位。實際工作中,在飛機或車輛上安裝該系統,在空中尋找野生動物,用聲音錄入方式記錄有關信息,GPS點位數據自動存儲到數據庫中。必要時可以按照歷史航線進行不同時期的對比分析,結合現時與歷史資料可以進行野生動物活動區域的動態監測。

      (8)在突發事件中的應用

      對突發事件的反應時間長短某種程度上影響了事件的損失程度。在突發事件如醫療、火警、交通事故的快速反應中.GPS和GIS起到決定性作用。一般地,建立突發事件救助系統可大致包括:①車載部分.,載有GPS設備,通過適當軟件處理,獲得地理坐標;②通信系統。採用雙通道蜂窩通信網,事件發生後,駕駛人員啟動求助系統,請求幫助種類(報警、醫療等)及傷害程度等;③處理中心。可接收用戶信號,在GIS的輔助下,迅速對事發地點進行查詢、定位,並根據用戶提供的求助信息類別,確定相應的急救措施。GIS包括數字化的地圖和屬性信息,可以進行突發事件的發生地點在數字地圖上的查詢和定位以及調度人員對最短路線的選擇,GPS則可以使急救車輛的點位等信息及時反饋到主控中心,以便調度。

      (9)旅游中的應用

      隨著人們生活質量的提高,GPS服務逐步應用到私人旅游及野外考察中,到風景秀麗的地區去旅游,到原始大森林、雪山峽谷或者大沙漠地區去進行野外考察,安裝於車內的GPS接收機將充分發揮其全球定位的功能成為駕駛者最忠實的嚮導。在驅車游覽風景的途中,乘車者可以隨時知道車輛所在位置及行走速度和方向,從而避免迷失路途。即使在途中出現麻煩,GPS監控服務中心會及時提供指示、連接最近的救援機構,積極採取行動。通過GPS監控中心提供的友情遠程服務,即使乘車者車行萬里,仍不失在家的感覺。提供出行路線規劃是汽車導航系統的一項重要輔助功能,包括自動線路規劃和線路設計。自動線路規劃由計算機軟件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等的計算。人工線路設計是由駕駛者根據自己的目的地設計起點、終點和途經點等,自動建立線路庫。

      全球定位系統的應用還包括航空攝影測量,線路勘測及隧道貫通測量,地形、地籍及房地產測量,海洋測繪,工程施工測量、大橋施工控制網建立、海上勘探平臺沉降監測、大橋動態實時形變監測、高層建築實時變形監測。GPS更高效的服務將在生產、生活中的各個領域得到應用 [12]  。

      GPS在物流領域的應用主要體現在以下方面:

      1.貨物跟蹤GPS計算機信息管理系統可以通過GPS和計算機網絡實時收集全路列車、機車、車輛、集裝箱及所運貨物的動態信息,實現對陸運、水運貨物的跟蹤管理。只要知道貨車的車型、車號或船舶的編號就可以立即從鐵路網或水運網中找到該貨車或船舶,知道它們所處的位置,距離運輸目的地的里程以及所有裝運貨物的信息。運用這項技術可以大大提高運營的精確性和透明度,為貨主提供高質量的服務。

      2.與地理信息系統( GIS)結合解決物流配送。物流包括訂單管理、運輸、倉儲、裝卸、送遞、報關、退貨處理、信息服務及增值業務。全過程控制是物流管理的核心問題。供應商必須全面、準確、動態地把握散佈在全國各個中轉倉庫、經銷商、零售以及汽車、火車、飛機、輪船等各種運輸環節之中的產品流動狀況,並據此制訂生產和銷售計劃,及時調整市場策略。因此,對大型供應商而言,體育路188號全過程的物流管理就談不上建立有效的分銷網絡;對於大型連鎖零售商而言,體育路188號全過程的物流管理就談不上建立供應配送體系;對於第三方物流服務商、倉儲物流中心,體育路188號面向全過程的物流管理服務就很難爭取到客戶的物流業務;對於普通用戶而言,體育路188號快速、準確、安全、可靠的物流配送服務,網上採購幾乎是不可想象的。物流配送的過程主要是貨物的空間位置轉移的過程,在物流配送過程中,要涉及貨物的運輸、倉儲、裝卸、送達等業務環節,對各個環節涉及的問題如運輸路線的選擇、倉庫位置的選擇、倉庫容量設置、合理裝卸策略、運輸車輛調度和投遞路線選擇等進行有效管理和決策分析,有助於物流配送企業有效地利用現有資源、降低消耗、提高效率。事實上,仔細分析上述各個環節存在的問題就可以發現,上面的問題都涉及地理要素和地理分佈。凡是涉及地理分佈的領域都可以應用GIS技術,GPS/GIS技術是全過程物流管理中不可缺少的組成部分 [13]  。