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    GPS定位系統

    發布時間:2019/12/05

    全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是一种以空中卫星为基础的高精度无线电导航的定位系统,它在全球任何地方以及近地空间都能够提供准确的地理位置、车行速度及精确的时间信息。GPS自问世以来,就以其高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活吸引了众多用户。GPS不仅是汽车的守护神,同时也是物流行业管理的智多星。随着物流业的快速发展,GPS有着举足轻重的作用,成为继汽车市场后的第二大主要消费群体。GPS是美国从20世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位功能的新一代卫星导航与定位系统 [1]  。

    概述

    GPS是美國從20世紀70年代開始研制,曆時20年,耗資200億美元,于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,並成功地應用于大地測量、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,它采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顆衛星均爲近圓形軌道,運行周期約爲11小時58分,分布在6個軌道面上(每軌道面4顆),軌道傾角爲55度。衛星的分布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,美國國防部爲了給陸、海、空三大領域提供實時、全天候和全球性的導航服務,並進行情報收集、核爆監測和應急通訊等一些軍事目的,開始研制“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余年的研究實驗,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] 。

    發展曆史

    GPS是指利用GPS衛星,向全球各地全天候、实时性地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。GPS的前身是1958年美国军方研制的一种子午仪( Transit)卫星定位系统,1964年正式投入使用,该系统用5-6颗卫星组成的星网工作,每天最多绕过地球13圈,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,子午仪卫星定位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,这就为GPS的研制做了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性以及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷,美国陆、海、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。

    20世紀70年代,陸、海、空三軍聯合研制了新一代全球定位系統,GPS主要目的是爲陸、海、空三軍提供實時、全天候和全球性的導航服務,並用于情報搜集、核爆炸監測和應急通信等一些軍事目的,經過20余年的研究實驗,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已經經曆了第一代和第二代,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,精碼精度爲10m。由于預算的壓縮,GPS計劃不得不減少衛星發射數量,改爲將18顆衛星分布在互成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定位包括僞距單點定位、載波相位定位和實時差分定位。

    1.僞距測量及僞距單點定位

    僞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。僞距法單點定位,就是利用GPS接收機在某一時刻測定與4顆以上GPS衛星的僞距,及從衛星導航電文中獲得的衛星瞬時坐標,采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衛星載波上調制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,稱爲重建載波。GPS接收機將衛星重建載波與接收機內由振蕩器産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实时差分定位的原理是在已有的精确地心坐标点上安放GPS接收機(称为基准站),利用已知的地心坐标和星历计算GPS观测值的校正值,并通过无线电通信设备(称为数据链)将校正值发送给运动中的GPS接收機(称为流动站)。流动站利用校正值对自己的GPS观测值进行修正,以消除上述误差,从而提高实时定位精度。GPS动态差分方法有多种,主要有位置差分、伪距差分( RTD)、载波相位实时差分(RTK)和广域差分等。

    GPS信號的接收與測量原理

    主動測距與被動測距

    GPS屬于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,稱爲被動測距。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。這種基于被動測距原理的定位,稱爲被動定位。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,爲其接收設備所接收,進而測得測距信號所經曆的距離。這種發送和接收測距信號位于同一個地方的測距原理,稱爲主動測距。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。這種基于主動測距原理的定位,稱爲主動定位。

    GPS僞距測量

    GPS全球定位系統采用多星高軌測距體制,以距離作爲基本觀測量,通過對4顆衛星同時進行僞距測量,即可推算出接收機的位置。由于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,故可用于動態用戶。

    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,因爲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鍾同步。如果兩個時鍾不同步,那麽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,還包含了兩個時鍾的鍾差。要達到衛星與用戶時鍾同步,在實際工作中很難做到,但可通過適當方法解決。

    僞隨機碼與僞隨機碼測距

    在有噪聲幹擾的情況下,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,全球定位系統采用了僞隨機碼測距技術。僞隨機碼又稱爲僞噪聲碼,是一種可以預先確定並可以重複地産生和複制,又具有隨機統計特性的二進制碼序列。在深空通信場合,利用僞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,利用僞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,在噪聲爲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制信號(稱爲本地信號)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。僞隨機碼測距技術就是這一思想的體現。

    用僞隨機碼測定信號傳播延遲,需檢測相關輸出的極大值。這只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鍾鍾差的情況下,碼越長,所需要的捕獲時間就越長。爲了縮短捕獲時間,GPS衛星還播發一種短碼,即C/A碼,也稱租碼。由于C/A碼是采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于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鍾改正數,進行預報後,再按規定格式編制成導航電文,並通過注入站送往衛星。地面監控系統還能通過注入站向衛星發布各種指令,調整衛星的軌道及時鍾讀數,修複故障或啓用備用件等。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、三維運動速度和鍾差等參數。目前,美國正致力于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衛星的主体呈圆柱形,两侧有太阳能帆板,能自动对日定向。太阳能电池为卫星提供工作用电。每颗卫星都配备有多台原子钟,可为卫星提供高精度的时间标准。卫星上带有燃料和喷管,可在地面控制系统的控制下调整自己的运行轨道。GPS衛星的基本功能是:接收并存储来自地面控制系统的导航电文;在原子钟的控制下自动生成测距码和载波;并将测距码和导航电文调制在载波上播发给用户;按照地面控制系统的命令调整轨道,调整卫星钟,修复故障或启用备用件以维护整个系统的正常工作。不同型号的卫星的外形也各不相同。

    GPS衛星可分为试验卫星和工作卫星两类。各种类型的基本特征如下:

    (1)試驗衛星

    试验卫星也称原型卫星。卫星重774kg(包括310kg的燃料),设计寿命为5年。为满足方案论证和整个系统试验、改进的需要,美国1978-1985年间从加利福尼亚州的范登堡空军基地用 Atlas火箭先后发射了11颗试验卫星。其中第7颗卫星发射失败,未进入预定轨道。1995年底,最后一颗试验卫星停止工作。

    (2)工作衛星

    BlockⅡ卫星重约1.5t,设计寿命为7.5年。每颗卫星耗资4800万美元。1989年2月至190年10月间,从佛罗里达州的肯纳维拉尔空间基地用 DeltaⅡ火箭发射了9颗 BlockⅡ卫星。与试验卫星相比,BlockⅡ卫星作了许多改进,卫星可存储14天的导航电文,并具有实施SA和AS的能力。BlockⅡA卫星(A:Advanced)重约17t,卫星设计寿命为7.5年,卫星具备互相通信的能力。卫星存储导航电文的能力增加至180天。SVN35和SVN36卫星上配备了激光反射棱镜,可以通过激光测距来分析卫星钟和卫星星历的误差,检验GPS测距的精度。反射棱镜的大小为24cm×20cm [5]  。

    控制部分

    地面监控部分是由分布在世界各地的五个地面站组成,按功能可分为监测站、主控站和注入站三种。监测站内设有双频GPS接收機、高精度原子钟、气象参数测试仪和计算机等设备,主要任务是完成对GPS衛星信号的连续观测,并将搜集的数据和当地气象观测资料经过处理后传送到主控站。主控站除了协调管理地面监控系统外,还负责将监测站的观测资料联合处理,推算卫星的星历、卫星钟差和大气修正参数,并将这些数据编制成导航电文送到注入站;另外,它还可以调整偏离轨道的卫星,使之沿预定轨道运行,调度备用卫星,以替代失效的卫星开展工作。注入站的主要任务是将主控站编制的导航电文、计算出的卫星星历和卫星钟差的改正数等,通过直径为3.6m的天线注入相应的卫星。

    用戶部分

    用户设备主要由GPS接收機、硬件和数据处理软件、微处理机及终端设备组成;GPS接收機由主机、天线和电源组成。其主要任务是捕获、跟踪并锁定卫星信号;对接收的卫星信号进行处理,测量出GPS信号从卫星到接收机天线间传播的时间;译出GPS衛星发射的导航电文,实时计算接收机天线的三维位置、速度和时间 [6]  。

    GPS特點

    GPS是目前成用最爲成功的衛星定位系統,被譽爲人類定位技術的一個裏程碑。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能爲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于高動態用戶具有很大的意義,同時能爲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,速度精度爲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,當每個流動站與基准站相距在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%)。由于無需點間通視,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水准可滿足四等水准測量的精度,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,便完成了野外數據采集任務,

    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采集的數據傳送到數據處理中心,實現全自動化的數據采集與處理。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,使野外工作變得更爲輕松。

    (6)抗幹擾能力強、保密性好:GPS采用擴頻技術和僞碼技術,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幹擾。

    (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衛星信号并经过信号放大、变频、锁相处理,测定GPS信号从卫星到接收机天线间的传播时间,解释导航电文,实时计算GPS天线所在位置(三维坐标)及运行速度等。GPS接收機是一种被动式无线电定位设备,按不同用途分为导航型接收机、测地型接收机、授时型接收机和姿态测量型接收机;按接收机通道数可以分为多通道接收机、序贯通道接收机和多路复用通道接收机。

    GPS接收機主要由GPS接收天线、GPS接收機主机和电源三部分组成。

    1.GPS接收機天线

    GPS接收機天线由天线单元和前置放大器两部分组成。天线的作用是将GPS衛星信号的微弱电磁波能量转化为相应电流,并通过前置放大器将接收到的GPS信号放大。

    2.GPS接收機主机

    接收机主机由变频器、信号通道、微处理器、存储器和显示器组成。变频器的主要任务是使接收到的L频段射频信号变成低频信号。信号通道是软硬件结合的电路,是接收机的核心部分,其作用是搜索、牵引并跟踪卫星,对广播电文信号进行解扩、解调成为广播电文,进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频移测量。存储器用于存储一小时一次的卫星星历、卫星历书、接收机采集到的码相位伪距观测值、载波相位观测值及多普勒频移。微处理器是GPS接收機工作的核心,GPS接收機的工作都是在微机指令的统一协同下进行的。GPS接收機都有液晶显示屏,以提供GPS接收機的工作信息,并配有一个控制键盘,以便用户控制接收机的工作。

    3.GPS接收機电源

    GPS接收機电源有两种,一种为内电源,一般采用锂电池,主要对RAM存储器供电;另一种为外接电源,常用可充电的12V直流镍镉电池组 [6]  。

    GPS接收機分类

    GPS接收機按照不同的分类标准,可以分为不同类型。

    (1)按工作原理劃分,可分爲碼相關型接收機、平方型接收機和混合型接收機。碼相關型接收機能夠産生與所測衛星測距碼結構完全相同的複制碼,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制碼,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)根据接收机信号通道类型划分,可分为多通道接收机、序贯通道接收机及多路复用通道接收机。多通道接收机具有多个卫星信号通道,每个通道只连续跟踪一个卫星信号,也称连续跟踪型接收机。序贯通道接收机只有1-2个信号通道,为了跟踪多个卫星,在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测,依次量测一个循环所需时间较长(大于20 m/s),对卫星信号的跟踪是不连续的。多路复用通道接收机与序贯通道接收机相似,也只有1-2个信号通道,在相应软件控制下按时序依次对各卫星信号进行跟踪量测,依次量测一个循环所需时间较短(小于20 m/s),可保持对卫星信号的连续跟踪。

    (3)根据所接收的卫星信号频率划分,可分为单频接收机和双频接收机。单频接收机( L1)只接收调制的L1信号,虽然可利用导航电文提供的参数,对观测量进行电离层影响修正,但由于修正模型尚不完善,精度较差,主要用于小于20 km的短基线精密定位。双频接收机( L1+L2)同时接受L1和L2两种信号,利用双频技术,可消除或减弱电离层折射对观测量的影响,定位精度较高。按信号频率对卫星信号进行划分是使用较多的类型。

    (4)按接收机用途划分,可分为导航型、测量型和授时型。导航型主要用于确定船舶、车辆、飞机等运载体的实时位置和速度,保障按预定路线航行或选择最佳路线,其采用测码伪距为观测量的单点实时定位或差分GPS定位,精度低,结构简单,价格便宜,应用广泛。测量型接收机采用载波相位观测量进行相对定位,精度高,观测数据可测后处理或实时处理( RTK),需配备功能完善的数据处理软件,与导航型相比,结构复杂,价格昂贵。授时型接收机主要用于天文台或地面监控站,进行时频同步测定。

    接收機工作原理

    天線的基本作用是把來自于衛星信號的能量轉化爲相應的電流,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。

    当GPS衛星在用户视界升起时,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,并能够跟踪这些卫星的运行;对所接收到的GPS信号,具有变换、放大和处理的功能,以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间,解译出GPS衛星所发送的导航电文,实时地计算出测站的i维位置,甚至三维速度和时间。GPS信号接收机不仅需要功能较强的机内软件,而且需要一个多功能的GPS数据测后处理软件包。接收机加处理软件包,才是完整的GPS信号用户设备。

    接收設備的誤差

    接收設備誤差主要包括觀測誤差、接收機鍾差、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)观测误差。除分辨误差外,还包括接收天线相对测站点的安置误差。分辨误差一般认为约为信号波长的1%。安置误差主要有天线的置平与对中误差和量取天线相位中心高度(天线高)误差。例如当天线高1.6 m,置平误差0.10,则对中误差为2.10 mm。

    (2)接收机钟差。GPS接收機一般设有高精度的石英钟,日频率稳定度为10-11。如果接收机钟与卫星钟之间的同步差为1s,则引起的等效距离误差为300 m。处理接收机钟差的方法有作为未知数,在数据处理中求解;利用观测值求差方法,减弱接收机钟差影响;定位精度要求较高时,可采用外接频标,如铷、铯原子钟,提高接收机时间标准精度。

    (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曆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幹擾,而産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爲准,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,可達數毫米至數厘米。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

    美国的全球定位系统( GPS)是20世纪70年代由美国陆、海、空三军联合研制的新型空间卫星导航定位系统。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、核爆监测和应急通信等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要組成部分。经过20余年的研究试验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS衛星全部布设完成。

    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。作爲軍民兩用系統,提供兩個等級的服務。近年來,美國政府爲了加強其在全球導航市場的競爭力,撤銷對GPS的SA幹擾技術,標准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爲國際使用的標准。

    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),它們均勻地分布在6個軌道上。每顆衛星距離地面約1.7萬公裏,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于民用的全球衛星導航定位系統,是歐盟爲了打破美國的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,但由于技術等各種原因,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系統將爲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爲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系統采用了性能極爲先進的新技術,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。

    空间星座部分是由分布在三个轨道上的30颗中高度圆轨道卫星构成,卫星分布在三个高度为23616km,倾角为56度的轨道上,每个轨道有9颗工作卫星外加颗备用卫星,备用卫星停留在高于正常轨道300km的轨道上,能使任何人在任何时间、任何地点准确定位,误差不超过3m。Galileo星座具有较好的DOP值分布特性,定位精度也优于GPS定位精度。地面监控与服务设施部分包括两个位于欧盟的伽利略控制中心( Galileo Control Center)和20个分布在全球的伽利略传感器站( Galileo Sensor Station)。除此之外,还有实现卫星和控制中心进行数据交换的5个S波段上行站和10个C波段下行站,伽利略控制中心主要控制卫星的运转和导航任务的管理。20个传感器站通过冗余通信网络向控制中心传送数据。用户设备部分主要由导航定位模块和通信模块组成。

    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鍾內通知客戶。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最早開發于蘇聯時期。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,但由于資金等各種原因,系統仍在持續進行階段。GLONASS至少需要18顆衛星才可以爲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爲23m,就精度而言將處于世界領先水平。

    GLONASS与GPS类似,也由空间星座部分、地面监控部分以及用户设备部分组成。空间星座部分主要由2-4颗卫星组成,均匀分布在三个近圆形的轨道面上,每个轨道面有8颗卫星,轨道高度19100km,运行周期11h15 min,轨道倾角比GPS略大,为64. 8度。地面监控部分以及用户设备部分均与GPS差不多。

    目前,GLONASS与GPS最主要的不同之处是信号结构不同。GLONASS采用的是频分多址( FDMA)技术,即在不同的载波频率上用相同的码来广播导航信号。GLONASS由各自的轨道信号频率区分,有24个间隔点,以1-24命名。而GPS采用的是码分多址( CDMA)技术,所有GPS衛星的载波频率是相同的,均由各自的伪随机码( PRN)区别开来,它的伪随机码1-32,使用其中的24个。最近,俄罗斯官方宣布,在新一代GLONASS-M卫星中将增加CDMA信号(1575. 42MHz和1176. 45 MHz,分别对应GPS的L1和L5载波信号),同时增加卫星数量,扩展地面增强系统,升级地面控制和完整性监测,以拓展市场,从而满足更多用户的需要 [10]  。

    我國北鬥衛星導航系統

    我国的北斗卫星导航系统BeiDou(COMPASS)navigation satellite system(CNSS)。我国建立的自主发展、独立运行的全球卫星导航与通信系统。与美国GPS、俄罗斯格罗纳斯、欧盟伽利略系统并称全球四大卫星导航系统。

    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3颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星,30颗非静止轨道卫星又细分为27颗中轨道(MEO)(含3颗备份卫星)卫星和3颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星组成,27颗MEO卫星平均分布在倾角55度的三个平面上,轨道高度21500km.地面端包括主控站、注入站和监测站等若干个地面站。用户端包括北斗用户终端以及与其他卫星导航系统兼容的终端。北斗卫星导航系统可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠的定位、导航、授时服务,并兼具短报文通信能力。北斗卫星导航系统的建设目标是建成独立自主、开放兼容、技术先进、稳定可靠及覆盖全球的卫星导航系统。北斗卫星导航系统提供开放服务(open service)和授权服务(authorization service)两种服务,其中开放服务是向全球用户免费提供定位、测速和授时服务,定位精度10m,测速精度0.2m/s,授时精度50ns;授权服务是为有高精度、高可靠卫星导航需求的用户提供定位、测速、授时和通信服务以及系统完好性信息。北斗导航终端与GPS、GAL.ILEO和GLONASS相比,优势在于短信服务和导航结合,增加了通信功能;全天候快速定位,极少的通信盲区,精度与GPS相当,而在增强区域即亚太地区,精度甚至会超过GPS;向全世界提供的服务都是免费的,在提供无源导航定位和授时等服务时,用户数量体育路188号限制,且与GPS兼容;自主系统,高强度加密设计,安全、可靠、稳定,适合关键部门应用 [11]  

     

    實際運用

    全球定位系統一般主要是指GPS,盡管俄羅斯、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技術處于先進地位。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

    将应用GPS衛星定位技术建立的控制网叫GPS网,GPS网分为两大类,一类是全球或全国性的高精度GPS网;一类是区域性的GPS网。大地测量的科研任务是研究地球形状及其随时间的变化,利用全球覆盖的高精度GPS网建立起高精度的动态坐标框架。区域GPS网是指国家C、D、E级GPS网或专为工程项目布测的工程GPS网。

    (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爲基礎,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爲公安、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。用于公安、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爲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,可用于獲取時間、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。研究地下断层活动模式、应力场变化,对地震危险值估计和预报。为了进行我国地壳形变监测,由地震局、总参测绘局、国家测绘局、中国科学院承担的“九五”重大科学工程项目“中同地壳运动监测网络工程”已于2000年建成。武汉测绘科技大学利用云南滇西两期GPS监测资料,反演红河断裂带低下断层活动模式,对1996年云南丽江地震作了较为准确的中期预报,其位置误差为27 km,震源深度误差为0-6 km.震级完全准确,揭示了用GPS监测资料做中期地震预报的可能性。

    (4)氣象學中的應用

    利用GPS理论和技术来遥测地球大气、进行气象学的理论和方法研究称为GPS气象学( GPSIMET)i GPS气象学的研究始于20世纪10年代后期,最先在美国起步,在美国取得理想的试验结果后,在其他国家如日本也逐步开始GPS在气象中的应用。GPS/MET探测数据具有覆盖范围广(全球)、高垂直分辨率、高精度和高长期稳定的特点。

    地球的大气相当于一个透镜,电磁波信号(如载波)在大气中的传输路径将因大气折射而发生曲折,气体密度越大,信号折射越强烈,波传输越慢,低轨GPS接收機接收到经折射的信号,可计算出综合信号折射率。经过适当的转换,电磁波的折射路径在各层大气中的垂直结构可以重构。无线电采用微波转换器由GPS衛星向接收机发射信号,传播中需经过某种介质,研究信号传输的性质就可以探清陔介质的性质。大气中有3种GPS信号折射源,即干燥物、水气和电离层物质。

    (5)軍事中的應用

    军事上可用于协同作战、导弹的制导、搜索及救援人员野外定位。协同作战方面,GPS可为各级指挥系统提供各种目标及事件所发生的时间和地点。导弹的制导方面,美伊战争70%左右使用GPS辅助制导,使战斧式巡航导弹从l 600 km的地方准确打击一个小房子的日标。搜索及救援人员野外定位方面,在茫茫的沙漠上,体育路188号任何标志,主要靠导航卫星进行定位,才能知道自己在什么地方。

    (6)農業中的應用

    GPS系统在精细农业实施过程中异常重要:能对农田各种信息给予精确定位,包括对农机车辆导航、平地、精确播种、喷药、撒肥、数据管理以及作物活力检测和变量控制。精准农业中较为成熟的、效益较好的应用包括:自动驾驶、施肥、喷药和播种等。GPS对于土壤养分分布调查、检测作物产量和农田管理在效率、准确率上比人的管理高很多;在联合收割机上配置监视器和GPS接收機,构成作物产量监视系统;通过和土壤养分含量分布罔的综合分析,可以找出影响作物产量的相关因素,从而进行具体的田间施肥等管理工作。利用棕色土壤和绿色作物叶子反射光波波长的差

    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,采集田間雜草信息,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制出田間雜草斑塊分布圖,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

    美国土地管理局于20世纪10年代中叶开发了基于GPS的地理信息系统( Geographic Information System,GIS),美国土地局分季度收集一次野生动物资源的有关信息,如生态条件以及野生动物栖息地分布、野生动物数量等。美国西部生活着数以万计的野马和野牛。建立野生动物管理系统,其主要目的在于:采用声音录入代替旧的手工输入方法;能显示当前和历史的飞行路线,对野生动物分布进行精确定位。实际工作中,在飞机或车辆上安装该系统,在空中寻找野生动物,用声音录入方式记录有关信息,GPS点位数据自动存储到数据库中。必要时可以按照历史航线进行不同时期的对比分析,结合现时与历史资料可以进行野生动物活动区域的动态监测。

    (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。采用雙通道蜂窩通信網,事件發生後,駕駛人員啓動求助系統,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)旅遊中的應用

    随着人们生活质量的提高,GPS服务逐步应用到私人旅游及野外考察中,到风景秀丽的地区去旅游,到原始大森林、雪山峡谷或者大沙漠地区去进行野外考察,安装于车内的GPS接收機将充分发挥其全球定位的功能成为驾驶者最忠实的向导。在驱车游览风景的途中,乘车者可以随时知道车辆所在位置及行走速度和方向,从而避免迷失路途。即使在途中出现麻烦,GPS监控服务中心会及时提供指示、连接最近的救援机构,积极采取行动。通过GPS监控中心提供的友情远程服务,即使乘车者车行万里,仍不失在家的感觉。提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要辅助功能,包括自动线路规划和线路设计。自动线路规划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。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。

    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、地籍及房地産測量,海洋測繪,工程施工測量、大橋施工控制網建立、海上勘探平台沈降監測、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産、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,距離運輸目的地的裏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,爲貨主提供高質量的服務。

    2.与地理信息系统( GIS)结合解决物流配送。物流包括订单管理、运输、仓储、装卸、送递、报关、退货处理、信息服务及增值业务。全过程控制是物流管理的核心问题。供应商必须全面、准确、动态地把握散布在全国各个中转仓库、经销商、零售以及汽车、火车、飞机、轮船等各种运输环节之中的产品流动状况,并据此制订生产和销售计划,及时调整市场策略。因此,对大型供应商而言,体育路188号全过程的物流管理就谈不上建立有效的分销网络;对于大型连锁零售商而言,体育路188号全过程的物流管理就谈不上建立供应配送体系;对于第三方物流服务商、仓储物流中心,体育路188号面向全过程的物流管理服务就很难争取到客户的物流业务;对于普通用户而言,体育路188号快速、准确、安全、可靠的物流配送服务,网上采购几乎是不可想象的。物流配送的过程主要是货物的空间位置转移的过程,在物流配送过程中,要涉及货物的运输、仓储、装卸、送达等业务环节,对各个环节涉及的问题如运输路线的选择、仓库位置的选择、仓库容量设置、合理装卸策略、运输车辆调度和投递路线选择等进行有效管理和决策分析,有助于物流配送企业有效地利用现有资源、降低消耗、提高效率。事实上,仔细分析上述各个环节存在的问题就可以发现,上面的问题都涉及地理要素和地理分布。凡是涉及地理分布的领域都可以应用GIS技术,GPS/GIS技术是全过程物流管理中不可缺少的組成部分 [13]  。