全球定位系统

       全球卫星定位系统(Globle Positioning System) 是一种结合卫星及通讯发展的技术,利用导航卫星进行测时和测距。全球卫星定位系统(简称GPS) 是美国从上世纪70 年代开始研制,历时20 余年,耗资200 亿美元,于1994 年全面建成。具有海陆空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。经过近十年我国测绘等部门的使用表明,全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点,成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影、运载工具导航和管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动力学等多种学科,取得了好的经济效益和社会效益。　　现有的卫星导航定位系统有美国的全球卫星定位系统(GPS) 和俄罗斯的全球卫星定位系统( Globle Naviga2tion Satellite System) ,简称GLONASS"格洛纳斯" ，以及中国北斗星，欧洲伽利略。　　美国的GPS系统　　GPS全球卫星定位系统由三部分组成:空间部分—GPS星座;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.空间部分　　GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55°。此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。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,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码, 一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。　　2.地面控制部分　　地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。　　3.用户设备部分　　用户设备部分即GPS 信号接收机。其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,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可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。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及GPS 数据的后处理软件包构成完整的GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后,机内电池为RAM存储器供电,以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。　　俄罗斯GLONASS系统"格洛纳斯"　　俄罗斯GLONASS系统系统也由卫星星座、地面支持系统和用户设备三部分组成。　　1.GLONASS星座　　GLONASS星座由24颗工作星和3颗备份星组成， 所以GLONASS星座共由24颗卫星组成。24颗星均匀地分布在3个近圆形的轨道平面上，这三个轨道平面两两相隔120度，每个轨道面有8颗卫星，同平面内的卫星之间相隔45度， 轨道高度1.91万公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8度　　2 地面支持系统　　地面支持系统由系统控制中心、中央同步器、遥测遥控站（含激光跟踪站）和外场导航控制设备组成。地面支持系统的功能由前苏联境内的许多场地来完成。随着苏联的解体，GLONASS系统由俄罗斯航天局管理， 地面支持段已经减少到只有俄罗斯境内的场地了， 系统控制中心和中央同步处理器位于莫斯科， 遥测遥控站位于圣彼得堡、捷尔诺波尔、埃尼谢斯克和共青城。　　3 用户设备　　GLONASS用户设备(即接收机)能接收卫星发射的导航信号，并测量其伪距和伪距变化率，同时从卫星信号中提取并处理导航电文。接收机处理器对上述数据进行处理并计算出用户所在的位置、速度和时间信息。GLONASS系统提供军用和民用两种服务。GLONASS系统绝对定位精度水平方向为16米，垂直方向为25米。目前，GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的定位、导航和时频领域等。　　中国北斗星　　北斗星导航定位系统(简称北斗系统)由空间星座、地面控制中心系统和用户终端三部分构成。　　1、空间星座　　建设中的中国北斗导航系统(COMPASS)空间段计划由五颗静止轨道卫星和三十颗非静止轨道卫星组成，提供两种服务方式，即开放服务和授权服务。距离地面36000km,分别位于东经80和140的赤道上空，执行地面控制中心与用户终端的双向无线电信号的中继任务。另外还有一颗备份卫星定位于东经115.5的迟到上空。卫星重980kg,寿命不少于8年，　　2、地面控制中心系统　　北斗系统地面控制中心包括主控、测轨站、测高站、校正站和计算中心，主要用来测量和收集校正导航定位参数，完成测轨和调整卫星的运行轨道，姿态，编制星历，形成用户定位修正数据和对用户进行定位，即负责无线电信号的发送接收及对整个工作系统的监控管理。　　3、用户设备　　根据北斗用户机和应用环境和功能的不同，通常北斗用户机有五种类型：　　普通型。该型用户机只能进行定位和点对点的通信，适合于一般车辆、船舶及便携等用户的定位导航应用，可接收和发送定位及通信信息，与中心站及其它用户终端双向通信。　　通信型。适合于野外作业，水文测量、环境检测等各类数据采集和数据传输用户，可接收和发送短信息、报文，与中心站和其它用户终端进行双向或单向通信。　　授时型。适合于授时、校时、时间同步等用户，可提供数十纳秒级的时间同步精度。　　指挥型。指挥型用户机是供拥有一定数量用户的上级集团管理部门所使用，除具有普通用户机所有功能外，还能够播发通播信息和接收中心控制系统发给所属用户的定位通信信息。指挥型用户机又可分为一、二、三级。其中一级指挥型用户机，所辖用户为普通型用户机；二级指挥用户机，所辖用户为一级指挥机用户；三级指挥型用户机，所辖用户为二级指挥机用户。　　多模型用户机。此种用户机既能接收北斗卫星定位和通信信息，又可利用GPS系统或GPS增强系统导航定位，适合于对位置信息要求比较高的用户。　　欧洲伽利略　　1、星座系统　　“伽利略”计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案。“伽利略”卫星导航定位系统的建立将于2007年底之前完成，2008年投入使用，总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。　　2、地面控制系统　　包括全球地面控制段、全球地面任务段、全球域网、导航管理中心、地面支持设施、地面管理机构　　3、用户系统　　用户端主要就是用户接收机及其等同产品，伽利略系统考虑将与GPS、GLONASS的导航信号一起组成复合型卫星导航系统，因此用户接收机将是多用途、兼容性接收机。　　GPS系统发展历程　　自1978年以来已经有超过50颗GPS和NAVSTAR卫星进入轨道.　　前身　　GPS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，64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-{A|zh-cn:信息;zh-tw:资讯}-，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计划部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BLOCK I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BLOCK II 和 BLOCK IIA。此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。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。　　GPS卫星　　在测试架上的GPS卫星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(BLOCK I)，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/天。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/天，误差8m。1977年，BOKCK II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/天,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/天的氢原子钟使BLOCK IIR型卫星误差仅为1m。　　GPS系统原理　　当苏联发射了第一颗人造卫星后，美国约翰·霍布斯金大学应用物理实验室的研究人员提出既然可以已知观测站的位置知道卫星位置，那么如果已知卫星位置，应该也能测量出接收者的所在位置。这是导航卫星的基本设想。GPS导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。要达到这一目的，卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间，再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰，这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离，而是伪距（PR）：当GPS卫星正常工作时，会不断地用1和0二进制码元组成的伪随机码（简称伪码）发射导航电文。GPS系统使用的伪码一共有两种，分别是民用的C/A码和军用的P(Y)码。C/A码频率1.023MHz,重复周期一毫秒，码间距1微秒，相当于300m；P码频率10.23MHz，重复周期266.4天，码间距0.1微秒，相当于30m。而Y码是在P码的基础上形成的，保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中-{A|zh-cn:解调制;zh-tw:解调变}-出来，以50b/s-{A|zh-cn:调制;zh-tw:调变}-在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含5个子帧每帧长6s。前三帧各10个字码；每三十秒重复一次，每小时更新一次。后两帧共15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第1、2、3数据块，其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时，提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离，再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置，用户在WGS-84-{A|zh-cn:大地坐标系;zh-tw:大地坐标系}-中的位置速度等信息便可得知。可见GPS导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而，由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步，所以除了用户的三维-{A|zh-cn:坐标;zh-tw:坐标}-x、y、z外，还要引进一个Δt即卫星与接收机之间的时间差作为未知数，然后用4个方程将这4个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置，至少要能接收到4个卫星的信号。　　差分技术　　为了使民用的精确度提升，科学界发展另一种技术，称为差分全球定位系统(Differential GPS), 简称DGPS。亦即利用附近的已知参考坐标点(由其它测量方法所得), 来修正 GPS 的误差。再把这个即时(real time)误差值加入本身坐标运算的考虑, 便可获得更精确的值。　　GPS有2D导航和3D导航分，在卫星信号不够时无法提供3D导航服务，而且海拔高度精度明显不够，有时达到10倍误差。但是在经纬度方面经改进误差很小。卫星定位仪在高楼林立的地区扑捉卫星信号要花较长时间。　　GPS的功能　　精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中　　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　　勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到　　导航：　　武器导航：精确制导导弹、巡航导弹　　车辆导航：车辆调度、监控系统　　船舶导航：远洋导航、港口/内河引水　　飞机导航：航线导航、进场着陆控制　　星际导航：卫星轨道定位　　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　　农业勘测　　GPS的六大特点　　第一，全天候，不受任何天气的影响；　　第二，全球覆盖（高达98%）；　　第三，七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。　　其他卫星定位系统　　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。　　另外，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。