GPS技术及其应用

全球定位系统gps

全球定位系统（Global Positioning System - GPS）是美国从上世纪70年代开始研制，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成的利用导航卫星进行测时和测距，具有在海、陆、空进行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。它是继阿波罗登月计划、航天飞机后的美国第三大航天工程。如今，GPS已经成为当今世界上最实用，也是应用最广泛的全球精密导航、指挥和调度系统。

GPS系统组成

GPS系统主要包括有三大组成部分：即空间星座部分、地面监控部分和用户设备部分。

1、空间星座部分

由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，记作（21+3）GPS星座。24颗卫星均匀分布在6个轨道平面内，轨道平面相对于赤道平面的倾角为55度，各个轨道平面之间交角60度。每个轨道平面内的各卫星之间的交角90度，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。

在两万公里高空的GPS卫星(编者注:GPS卫星群距地球距离介于同步静止轨道卫星和低轨道卫星之间,故又称为中轨道卫星),当地球对恒星来说自转一周时，它们绕地球运行二周，即绕地球一周的时间为12恒星时。这样，对于地面观测者来说，每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。每颗卫星每天约有5个小时在地平线以上，同时位于地平线以上的卫星数量随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了计算观测站的三维坐标，必须观测4颗 GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。GPS工作卫星的编号和试验卫星基本相同。

2、地面监控部分

GPS工作卫星的地面监控系统目前主要由分布在全球的一个主控站、三个信息注入站和五个监测站组成。对于导航定位来说，GPS卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历-描述卫星运动及其轨道的参数算得的。每颗GPS卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。

地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准―――GPS时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间，求出时钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。GPS的空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，均为美国所控制。

3、用户设备部分

GPS 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置，甚至三维速度和时间，最终实现利用GPS进行导航和定位的目的。

静态定位中，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动，接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

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大部分。对于观测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在观测站上，接收单元置于观测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。

GPS接收机一般用蓄电池做电源。同时采用机内/机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防止丢失数据。

近几年，国内引进了许多种类型的GPS测地型接收机。各种类型的GPS测地型接收机用于精密相对定位时，其双频接收机精度可达5mm+1PPM.D，单频接收机在一定距离内精度可达10mm+2PPM.D。用于差分定位其精度可达亚米级甚至厘米级。

目前，各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，便于野外观测。GPS和GLONASS 兼容的全球导航定位系统接收机已经问世。

GPS系统定位原理

GPS接收机能够接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息，这些时间信息用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历以及用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历等。

GPS接收机对码的测量就可得到卫星到接收机的距离，由于测有接收机卫星时钟的误差及大气传播误差，故称为伪距。对OA码测得的伪距称为OA码伪距，精度约为20米左右，对P码测得的伪距称为P码伪距，精度约为2米左右。

GPS系统采用高轨测距体制，以观测站至GPS卫星之间的距离作为基本观测量。为获得距离观测量，主要采用两种方法：一是测量GPS卫星发射的测距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，采用载波相位观测量定位精度最高。通过对4颗/4颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收机的三维位置。

GPS接收机对接收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息去掉后，就可以恢复载波。严格而言，载波相位应被称为载波拍频相位，它是收到的受多普勒频移影响的卫星信号载波相位与接收机本机振荡产生信号相位之差。一般在接收机时钟确定的历元时刻测量，保持对卫星信号的跟踪，就可记录下相位的变化值，但开始观测时的接收机和卫星震荡器的相位初值是不知道的，起始历元的相位整数也是不知道的，即整周模糊度，只能在数据处理中作为参数解算。相位观测值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相对定位、并有一段连续观测值时才能使用相位观测值，而要达到优于米级的定位精度也只能采用相位观测值。

按定位方式，GPS定位分为单点定位和相对定位（差分定位）。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（差分定位）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，它既可采用伪距观测量也可采用相位观测量。

在定位观测时，GPS定位分为动态定位和静态定位。若接收机相对于地球表面运动，则称为动态定位。若接收机相对于地球表面静止，则称为静态定位。

GPS系统的优势

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，主要优势有如下六个方面：

1、定位精度高

应用实践已经证明，GPS相对定位精度在50Km以内可达10-6，100-500Km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15-20 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1-2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；接收机的体积越来越小，重量越来越轻，极大地减轻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步地观测到至少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、应用广

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。

GPS系统应用现状

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。对于测绘领域，GPS卫星定位技术已经用于建立高精度的全国性的大地测量控制网，测定全球性的地球动态参数；用于建立陆地海洋大地测量基准，进行高精度的海岛陆地联测以及海洋测绘；用于监测地球板块运动状态和地壳形变；用于工程测量，成为建立城市与工程控制网的主要手段；用于测定航空航天摄影瞬间的相机位置，实现仅有少量地面控制或无地面控制的航测快速成图，导致地理信息系统、全球环境遥感监测的技术革命。

总之，GPS技术已发展成多领域（陆地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS等）、多用途（在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等）、多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等）的高新技术国际性产业。GPS的应用领域，上至航空航天器，下至捕鱼、导游和农业生产，已经无所不在了，正如人们所说的“今后GPS的应用，将只受人类想象力的制约”。

GPS发展趋势

1、向多系统组合式导航方向发展

为了摆脱对美、俄的导航定位系统的依赖,以免受制于人,世界各国、各地区和组织将纷纷建立自己的卫星导航定位系统。今后10年内将会出现几种系统同时并存的局面。这为组合导航技术的发展提供了条件。通过对GPS、GLONASS、GALILEO等信号的组合利用,不但可提高定位精度,还可使用户摆脱对一个特定导航星座的依赖,可用性大大增强。多系统组合接收机有很好的发展前景。

2、向差分导航方向发展

使用差分导航技术，既可降低或消除那些影响用户和基准站观测量系统误差，包括信号传播延迟和导航星本身的误差，还可消除人为引入的误差，如美国在GPS中采用的选择可用性（SA）技术所引入的误差，因而与传统的伪距导航相比精度大大提高。今后，差分导航将得到越来越广泛的应用，将应用于车辆、船舶、飞机的精密导航和管理；大地测量、航测遥感和测图；地籍测量和地理信息系统（GIS）；航海、航空的远程导航等领域。其本身也会从目前的区域差分向广域差分、全球差分发展，其导航精度将从近程的米级、10厘米级提高到厘米级，从远程的米级提高到10厘米级。

3、与惯性导航技术、无线电导航技术相结合

由于INS是完全自主的导航系统，在GPS失效的情况下，INS仍可保持工作。在实际应用中，惯导系统和GPS接收机之间存在三种耦合方式：松散耦合、紧密耦合和深度耦合。在深度耦合中，GPS接收机作为一块线路板被嵌入到惯导的机箱内，这就是ECI系统。由于ECI系统能充分发挥INS和GPS两者的互补作用，并有极强的保密功能，因而美国军方已确定在三军的战术和战略飞机上用ECI逐步取代单独的GPS接收机，而最终成为作战飞机的主要导航设备。此外，GPS可与增强型定位系统（EPLS）相结合。EPLS是一种先进的无线电装置，它带有一定的自主导航能力。目前，已成功验证了可以通过网络自动把GPS转换到EPLS。

4、发展数字化铯钟技术

GPS卫星在轨寿命主要取决于原子钟。每个卫星上装有3个原子钟，目前使用的是模拟铯钟，其性能预测困难，而且输出频率会随着卫星运行过程温度和磁场变化而变化，因此需要开发计算机控制的数字化铯钟，通过调整内部参数和补偿环境影响使铯钟性能达到最佳化。