GPS定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史及應用前景

1、GPS定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史及應用前景首先，我們來了解一下 GPS。全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System 通常簡稱 GPS是美國國 防部研制的一種全天候的， 空間基準的導航系統(tǒng)， 可滿足位于全球任 何地方或近地空間的軍事用戶連續(xù)地精確地確定三位位置和三位運 動及時間的需要。 它是一個中距離圓型軌道衛(wèi)星導航系統(tǒng)。 它可以為 地球表面絕大部分地區(qū)（ 98%）提供準確的定位、測速和高精度的時 間標準。該系統(tǒng)由三部分組成：空間部分太空中的 24顆 GPS 衛(wèi)星；地面控制部分地面上的 1個主控站、 3 個數(shù)據(jù)注入站和 5 個監(jiān)測站；用戶設備部分 GPS 信號接收機。最少只需其中

2、4 顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及海拔高度； 所能 收聯(lián)接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來的位置就越精確。GPS（言號分為民 用的標準定位服務（sps,standard positioning service和軍規(guī)的精密定 位服務（pss,precise positioning service兩類。民用訊號中加有誤差， 其最終定位精確度大概在 100 米左右；軍規(guī)的精度在十米以下。 2000 年以后， 克林頓政府決定取消對民用信號所加的誤差。因此，現(xiàn)在民 用GPS也可以達到十米左右的定位精度。發(fā)展歷史首先，我們來了解一下GPS系統(tǒng)的前身：子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)（NNSS。 該系統(tǒng)又稱多普勒衛(wèi)

3、星定位系統(tǒng)，它是 58 年底由美國海軍武器實驗 室開始研制 , 于 64 年建成的“海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)” （ Navy Navigation Satellite System ）。這是人類歷史上誕生的第一代衛(wèi)星導航系統(tǒng)。子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)的組成（1）衛(wèi)星星座：子午衛(wèi)星星座，由六顆獨立軌道的極軌衛(wèi)星組 成。（2）地面系統(tǒng)：地面設有 4 個衛(wèi)星跟蹤站； 1 個計算中心； 1 個控制中心； 2 個注入站； 1 個天文臺（海軍天文臺）。子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不足之處一次定位所需時間過長，無法滿足高速用戶的需要。一次測量定位的過程中，要求衛(wèi)星對于測點的起、止觀測角度0必須在 90°左右。因此一次定位一

4、般需要連續(xù)觀測一顆衛(wèi)星通過的 時間約為1518分鐘。這么長的間隔時間中，即使是較慢的運動物 體也可能運行了一段不小的距離， 于是解算時必須根據(jù)導航載體的運 動速度將觀測值歸算至同一時刻，顯然這會影響導航定位精度。衛(wèi)星出現(xiàn)時間間隔過長，無法滿足連續(xù)導航的需要。由于技術上的原因，同一時刻多普勒接收機只能接收一顆子午衛(wèi) 星的信號。 并且在同一天區(qū)如果出現(xiàn)兩顆以上的子午衛(wèi)星， 就會導致 定位信號的相互干擾。 為了防止這一點，衛(wèi)星數(shù)量就比較少，中緯度 地區(qū)平均 1.5 小時左右可以觀測到一顆衛(wèi)星， 低緯度地區(qū)最不利時要 等待 10小時才能觀測到衛(wèi)星， 這使得該系統(tǒng)不能成為連續(xù)導航系統(tǒng)。子午衛(wèi)星導航系統(tǒng)的

5、定位精度偏低，并且無法給出高度信息，系 統(tǒng)存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。GPS勺誕生由于上述種種原因， 該系統(tǒng)投入運行后不久，美國海陸空三軍及民 用部門就感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。為此 ,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。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

6、劃以偽隨機碼（PRN為基礎傳播衛(wèi) 星測距信號，其強大的功能，當信號密度低于環(huán)境噪聲的1%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。 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 的計劃能供提供高動態(tài)服務， 然而系統(tǒng)過于復雜。 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 設計的，所以 1 973年美國國防部將 2者合二為一，并由國防部牽頭 的衛(wèi)星導航定位聯(lián)合計劃局（JPO領導，還將辦事機構(gòu)設立在洛杉磯 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

7、劃：最初的GPS計劃在聯(lián)合計劃局的領導下誕生了，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 100m, 精碼精度為10m。由于預算壓縮，GPS計劃不得不減少衛(wèi)星發(fā)射數(shù) 量，改為將 18 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計階段。從 1

8、978 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的試驗衛(wèi)星, 研制了各種用途的接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標 準,利用粗碼定位,其精度就可達 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BLOCKIIA此階段宣告GPS系統(tǒng)進入工程建設狀態(tài)。1

9、989年2月到1990年10月第二代(Block II第一批9顆發(fā)射完成1990年 11 月開始發(fā)射第二代第二批衛(wèi)星( Block IIA)1993 年底系統(tǒng)衛(wèi)星全部發(fā)射完成1997 年第二代第二批衛(wèi)星發(fā)射完畢1997年開始發(fā)射第三代衛(wèi)星( Block IIR， Block III)GPS的應用前景美國發(fā)展第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)其初衷是用于導航、 收集情報等軍事目 的。但是，后來的應用開發(fā)表明，GPS系統(tǒng)不僅可以達到上述目的， 而且經(jīng)載波信號相位測量的開發(fā)利用，GPS系統(tǒng)還可以進行厘米級甚 至毫米級精度的靜態(tài)相對定位，分米級至亞分米級精度的動態(tài)定位， 亞米級至厘米級精度的速度測量和毫秒級精度的時間測量。因此 GPS 系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應用前景。在軍事上，用GPS信號可以進行海、 陸、空全天候精確導航，戰(zhàn)術戰(zhàn)略導彈的精確制導；在大地測量工程 測量中可以進行靜態(tài)、動態(tài)的精確定位，對于測繪領域，GPS定位技術已經(jīng)用于建立高精度的全國性大地測量控制網(wǎng)。 建立陸地海洋大地 測量基準， 進行高精度的海島陸地聯(lián)測和海洋測繪； 用于測定全球性 的地球動態(tài)參數(shù)， 監(jiān)測地球板塊運動狀態(tài)和地殼變