GPS定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史及應(yīng)用前景

1、GPS定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史及應(yīng)用前景首先，我們來了解一下GPS。全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem,通常簡稱GPS)是美國國防部研制的一種全天候的，空間基準(zhǔn)的導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)。它可以為地球表面絕大部分地區(qū)(98%)提供準(zhǔn)確的定位、測速和高精度的時間標(biāo)準(zhǔn)。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(shè)備部分GPS信號接收機。最少只需其中4顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶端在地球上所處的位置及

2、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信號分為民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(sps,standardpositioningservice)和軍規(guī)的精密定位服務(wù)(pss,precisepositioningservice)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(dá)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(dǎo)航系統(tǒng)(NNSS)。該系統(tǒng)又稱多普勒衛(wèi)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(dǎo)航

3、衛(wèi)星系統(tǒng)”(NavyNavigationSatelliteSystem)。這是人類歷史上誕生的第一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。子午衛(wèi)星導(dǎo)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(shè)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(dǎo)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e必須在90左右。因此一次定位一般需要連續(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(dǎo)航

4、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(dǎo)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(dǎo)航的需要。由于技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)。子午衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度偏低，并且無法給出高度信息，系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。GPS的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

5、的衛(wèi)星導(dǎo)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(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(chǔ)。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態(tài)的2

6、維定位，空軍的計劃能供提供高動態(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計劃不得不減少

7、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(jìn)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BLO

8、CKI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(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BLOCKII和BLOCKIIA。此階段宣告GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)狀態(tài)。1989年2月到1990年10月第二代(BlockII)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(BlockIIA)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(BlockIIR，BlockIII)GPS的應(yīng)用前景美國發(fā)展第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)其初衷是用于

9、導(dǎo)航、收集情報等軍事目的。但是，后來的應(yīng)用開發(fā)表明，GPS系統(tǒng)不僅可以達(dá)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(jìn)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(yīng)用前景。在軍事上，用GPS信號可以進(jìn)行海、陸、空全天候精確導(dǎo)航，戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)；在大地測量工程測量中可以進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)的精確定位，對于測繪領(lǐng)域，GPS定位技術(shù)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(zhǔn)，進(jìn)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)和地殼變形；在