915154047GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)論文

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1、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)名詞簡介全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Globle Positioning System) 是一種結(jié)合衛(wèi)星及通訊發(fā)展的技術(shù),利用導(dǎo)航衛(wèi)星進行測時和測距。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(簡稱GPS) 是美國從本世紀(jì)70 年代開始研制,歷時20 余年,耗資200 億美元,于1994 年全面建成。具有海陸空全方位實時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)過近十年我國測繪等部門的使用表明,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以全天候、高精度、自動化、高效益等特點,成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影、運載工具導(dǎo)航和管制、地殼運動測量、工程變形測量、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科,取得了好的經(jīng)濟效益和社會效益。發(fā)展歷程

2、自1978年以來已經(jīng)有超過50顆GPS和NAVSTAR衛(wèi)星進入軌道.前身GPS系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Transit），1958年研制，64年正式投入使用。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過地球13次，并且無法給出高度-A|zh-cn:信息;zh-tw:資訊-，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗，并驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位的可行性，為GPS系統(tǒng)的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導(dǎo)航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。為此

3、,美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)計劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆試驗衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上初步試驗了原子鐘計時系統(tǒng)，這是GPS系統(tǒng)精確定位的基礎(chǔ)。而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛(wèi)星組成3至4個星群的計劃，這些衛(wèi)星中除1顆采用同步軌道外其余的都使用周期為24h的傾斜軌道 該計劃以偽隨機碼(PRN)為基礎(chǔ)傳播衛(wèi)星測距信號，其強大的功能，當(dāng)信號密度低于環(huán)境噪聲的時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統(tǒng)得以取得成功的一個重要基礎(chǔ)。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態(tài)的2維定位，空軍的計劃能供

4、提供高動態(tài)服務(wù)，然而系統(tǒng)過于復(fù)雜。由于同時研制兩個系統(tǒng)會造成巨大的費用而且這里兩個計劃都是為了提供全球定位而設(shè)計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，并由國防部牽頭的衛(wèi)星導(dǎo)航定位聯(lián)合計劃局（JPO)領(lǐng)導(dǎo)，還將辦事機構(gòu)設(shè)立在洛杉磯的空軍航天處。該機構(gòu)成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。計劃最初的GPS計劃在聯(lián)合計劃局的領(lǐng)導(dǎo)下誕生了，該方案將24顆衛(wèi)星放置在互成120度的三個軌道上。每個軌道上有8顆衛(wèi)星，地球上任何一點均能觀測到6至9顆衛(wèi)星。這樣，粗碼精度可達(dá)100m,精碼精度為10m。 由于預(yù)算壓縮，GPS計劃部得不減少衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量，改為將1

5、8顆衛(wèi)星分布在互成60度的6個軌道上。然而這一方案使得衛(wèi)星可靠性得不到保障。1988年又進行了最后一次修改：21顆工作星和3顆備份星工作在互成30度的6條軌道上。這也是現(xiàn)在GPS衛(wèi)星所使用的工作方式。計劃實施GPS計劃的實施共分三個階段：第一階段為方案論證和初步設(shè)計階段。從1978年到1979年，由位于加利福尼亞的范登堡空軍基地采用雙子座火箭發(fā)射4顆試驗衛(wèi)星，衛(wèi)星運行軌道長半軸為26560km,傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)，結(jié)果令人滿意。第二階段為全面研制和試驗階段。 從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆稱為BLOCK I的試驗衛(wèi)星，研

6、制了各種用途的接收機。實驗表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，利用粗碼定位，其精度就可達(dá)14米。第三階段為實用組網(wǎng)階段。 1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，這一階段的衛(wèi)星稱為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統(tǒng)進入工程建設(shè)狀態(tài)。1993年底實用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。 組成部分GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成:空間部分GPS星座(GPS星座是由24顆衛(wèi)星組成的星座，其中21顆是工作衛(wèi)星，3顆是備份衛(wèi)星);地面控制部分地面監(jiān)控系統(tǒng); 用戶設(shè)備部分GPS 信號接收機。 1.空間部分GPS的空間部分是由24

7、 顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20 200km的上空,均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆) ,軌道傾角為55。此外,還有4 顆有源備份衛(wèi)星在軌運行。衛(wèi)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(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。GPS 衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼, 一組稱為C/ A 碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一組稱為P 碼(Procise Code 10123MHz) ,P 碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國軍方管制,并設(shè)有密碼,一般民間無法解讀,主要為美國軍方服務(wù)。C/

8、A 碼人為采取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。 2.地面控制部分地面控制部分由一個主控站,5 個全球監(jiān)測站和3 個地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接受機。監(jiān)測站將取得的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),包括電離層和氣象數(shù)據(jù),經(jīng)過初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù),計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù),然后將結(jié)果送到3 個地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運行至上空時,把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆GPS 衛(wèi)星每天一次,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障,那么在衛(wèi)星中預(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時間,但導(dǎo)航精度

9、會逐漸降低。對于導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷描述衛(wèi)星運動及其軌道的 的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常 工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運行，都要由地面設(shè)備進行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng) 另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測 各顆衛(wèi)星的時間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。 GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。 3.用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分即GPS 信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截

10、止角所選擇的待測衛(wèi)星,并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當(dāng)接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后,即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù),接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算,計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS 用戶設(shè)備。GPS 接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后,機內(nèi)電池為RAM存儲器供電,以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機體積越

11、來越小,重量越來越輕,便于野外觀測使用。 GPS衛(wèi)星在測試架上的GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星是由洛克菲爾國際公司空間部研制的，衛(wèi)星重774kg，使用壽命為7年。衛(wèi)星采用蜂窩結(jié)構(gòu)，主體呈柱形，直徑為1.5m。衛(wèi)星兩側(cè)裝有兩塊雙葉對日定向太陽能電池帆板(BLOCK I)，全長5.33m接受日光面積為7.2m2。對日定向系統(tǒng)控制兩翼電池帆板旋轉(zhuǎn)，使板面始終對準(zhǔn)太陽，為衛(wèi)星不斷提供電力，并給三組15Ah鎘鎳電池充電，以保證衛(wèi)星在地球陰影部分能正常工作。在星體底部裝有12個單元的多波束定向天線，能發(fā)射張角大約為30度的兩個L波段（19cm和24cm波）的信號。在星體的兩端面上裝有全向遙測遙控天線，用于與地面監(jiān)控

12、網(wǎng)的通信。此外衛(wèi)星還裝有姿態(tài)控制系統(tǒng)和軌道控制系統(tǒng)，以便使衛(wèi)星保持在適當(dāng)?shù)母叨群徒嵌?，?zhǔn)確對準(zhǔn)衛(wèi)星的可見地面。由GPS系統(tǒng)的工作原理可知，星載時鐘的精確度越高，其定位精度也越高。早期試驗型衛(wèi)星采用由霍普金斯大學(xué)研制的石英振蕩器，相對頻率穩(wěn)定度為10 11/天。誤差為14米。1974年以后，gps衛(wèi)星采用銣原子鐘，相對頻率穩(wěn)定度達(dá)到10 12/天，誤差8m。1977年，BOKCK II型采用了馬斯頻率和時間系統(tǒng)公司研制的銫原子鐘后相對穩(wěn)定頻率達(dá)到10 13/天,誤差則降為2.9m。1981年，休斯公司研制的相對穩(wěn)定頻率為10 14/天的氫原子鐘使BLOCK IIR型衛(wèi)星誤差僅為1m。 原理介紹當(dāng)

13、蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后，美國約翰霍布斯金大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的研究人員提出既然可以已知觀測站的位置知道衛(wèi)星位置，那么如果已知衛(wèi)星位置，應(yīng)該也能測量出接收者的所在位置。這是導(dǎo)航衛(wèi)星的基本設(shè)想。GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時，會不斷地用1和0二進制碼元組成的

14、偽隨機碼（簡稱偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時鐘改正、電離層時延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號中-A|zh-cn:解調(diào)制;zh-tw:解調(diào)變-出來，以50b/s-A|zh-cn:調(diào)制;zh-tw:調(diào)變-在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個主幀中包含5個子幀每幀長6s。前三幀各10個字碼；每三十秒重復(fù)一次

15、，每小時更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時，提取出衛(wèi)星時間并將其與自己的時鐘做對比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時所處位置，用戶在WGS-84-A|zh-cn:大地坐標(biāo)系;zh-tw:大地坐標(biāo)系-中的位置速度等信息便可得知?？梢奊PS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機使用的時鐘與衛(wèi)星星載時鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維-A|zh-cn:坐標(biāo);zh-tw:坐標(biāo)-x、y、z外，還要引進一個t即衛(wèi)星與接收機之間的時間

16、差作為未知數(shù)，然后用4個方程將這4個未知數(shù)解出來。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個衛(wèi)星的信號。 差分技術(shù)為了使民用的精確度提升，科學(xué)界發(fā)展另一種技術(shù)，稱為差分全球定位系統(tǒng)(Differential GPS), 簡稱DGPS。亦即利用附近的已知參考坐標(biāo)點(由其它測量方法所得), 來修正 GPS 的誤差。再把這個即時(real time)誤差值加入本身坐標(biāo)運算的考慮, 便可獲得更精確的值。GPS有2D導(dǎo)航和3D導(dǎo)航分，在衛(wèi)星信號不夠時無法提供3D導(dǎo)航服務(wù)，而且海拔高度精度明顯不夠，有時達(dá)到10倍誤差。但是在經(jīng)緯度方面經(jīng)改進誤差很小。衛(wèi)星定位儀在高樓林立的地區(qū)撲捉衛(wèi)星信號要花較長時

17、間。 功能介紹精確定時：廣泛應(yīng)用在天文臺、通信系統(tǒng)基站、電視臺中 工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量采用GPS設(shè)備進行工程測量 勘探測繪：野外勘探及城區(qū)規(guī)劃中都有用到 導(dǎo)航： 武器導(dǎo)航：精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈 車輛導(dǎo)航：車輛調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng) 船舶導(dǎo)航：遠(yuǎn)洋導(dǎo)航、港口/內(nèi)河引水 飛機導(dǎo)航：航線導(dǎo)航、進場著陸控制 星際導(dǎo)航：衛(wèi)星軌道定位 個人導(dǎo)航：個人旅游及野外探險 定位： 車輛防盜系統(tǒng) 手機，PDA，PPC等通信移動設(shè)備防盜，電子地圖，定位系統(tǒng) 兒童及特殊人群的防走失系統(tǒng) 農(nóng)業(yè)勘測 六大特點第一，全天候，不受任何天氣的影響； 第二，全球覆蓋（高達(dá)98%）； 第三，七維定點定速定時高精度； 第四

18、，快速、省時、高效率； 第五，應(yīng)用廣泛、多功能； 第六，可移動定位。 經(jīng)濟型方案時我們把服務(wù)中心直接轉(zhuǎn)移到客戶的手機上，客戶直接用手機查看到定位短信息（GPS度、分、秒數(shù)據(jù)格式），如果使用城際通電子地圖軟件，它直接支持輸入GPS度、分、秒數(shù)據(jù)定位的功能，如果用北京靈圖的天新者5，可以借助我們的GPS定位大師專用軟件中的手動輸入經(jīng)緯度功能進行定位，這個方案比較適合低頻率查車，例如：家庭汽車、單位的自備車。增強型方案時客戶可以購買我們的專用衛(wèi)星定位管理主機，它不但可以自動接收多輛汽車定位短消息，而且自動分類保存在電腦內(nèi)，每臺車輛都建立一個數(shù)據(jù)庫，輕點鼠標(biāo)就能調(diào)出某輛車的全部定位記錄，只要點擊目標(biāo)數(shù)據(jù)就能自動切換到電子地圖上顯示車輛的位置，點擊前進或者后退按鈕還能在電子地圖上演示汽車的形式軌跡，每臺車輛都可以取不同的名稱，便于管理多輛汽車，非常方便，便于多車頻繁查詢，例如：物流公司、汽車租賃公司、車隊