全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)學(xué)號(hào)學(xué)號(hào)10202350233六、全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)〔一〕全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的根本概念：GPS〔GlobalPositioningSystem〕全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，中文簡(jiǎn)稱為“球位系”，是一個(gè)中距離圓型軌道衛(wèi)星導(dǎo)GPS美國(guó)從本世紀(jì)7020余年,耗資200億美元,于1994全面建成，具有在海、陸、空進(jìn)展全方位實(shí)施三維導(dǎo)航與定位力量的一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)近十年我國(guó)測(cè)繪等部門(mén)的使用說(shuō)明,全球定位系統(tǒng)以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等特點(diǎn)信任，并成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科,從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。目前全球定位系統(tǒng)是美國(guó)其次代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，使用者只需擁有GPSGPS〔SPS，StandardPositioningService〕和軍規(guī)的準(zhǔn)確定位效勞〔PPS，PrecisePositioningService〕兩類。由于SPS用，原本美國(guó)由于擔(dān)憂敵對(duì)國(guó)家或組織會(huì)利用SPS對(duì)美國(guó)發(fā)動(dòng)攻擊，故在民用訊號(hào)中人為地參加誤差(即SASelectiveAvailability)以降低1002023年以后，克林頓政府打算取消對(duì)民用訊號(hào)的干擾。因此，現(xiàn)在民GPSGPSGPSGPSGPSGPS導(dǎo)航儀只是GPS系統(tǒng)運(yùn)用中的一局部。GPS系統(tǒng)是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，隨著它的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷的開(kāi)拓，目前已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各種部門(mén)，并開(kāi)頭逐步深入人們的日常生活。自1978年以來(lái)已經(jīng)有超過(guò)50GPSNAVSTAR衛(wèi)星進(jìn)入軌道。中國(guó)北斗衛(wèi)星前身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〕，19586456每天最多繞過(guò)地球13-{A|zh-cn:信息;zh-tw: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(mén)對(duì)衛(wèi)星定位取得了初步的閱歷，并驗(yàn)證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)展定位的可行性，為及子午儀系統(tǒng)存在對(duì)潛艇和艦船導(dǎo)航方面的巨大缺陷。美國(guó)海陸空三軍及民用部門(mén)都感到迫切需要一種的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。為此,美國(guó)海軍爭(zhēng)論試驗(yàn)室(NRL)Tinmation”的用12到18顆衛(wèi)星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)打算，并于676974GPS621-B45341顆承受同步軌道外其余的都使用周期為24h軌道(PRN)強(qiáng)大的功能，當(dāng)信號(hào)密度低于環(huán)境噪聲的１％時(shí)也能將其檢測(cè)出來(lái)。偽隨機(jī)碼的成功運(yùn)GPS系統(tǒng)得以取得成功的一個(gè)重要根底。海軍的打算主要用于為艦船供給低動(dòng)態(tài)的2維定位，空軍的打算能供供給高動(dòng)態(tài)效勞，然而系統(tǒng)過(guò)于簡(jiǎn)單。由于同時(shí)研制兩個(gè)系統(tǒng)會(huì)造成巨大的費(fèi)用而且這里兩個(gè)打算都是為了供給全球定位而設(shè)計(jì)的，所以19732〔JPO)洛杉磯的空軍航天處。該機(jī)構(gòu)成員眾多，包括美國(guó)陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)、交通部、國(guó)防制圖局、北約和澳大利亞的代表。打算GPS打算在聯(lián)合打算局的領(lǐng)導(dǎo)下誕生了，該方案將24120度的三個(gè)軌道上。每個(gè)軌道上有869100m,10mGPS打算部得不削減衛(wèi)星放射數(shù)量，改為將18互成60度的6個(gè)軌道上。然而這一方案使得衛(wèi)星牢靠性得不到保障。1988年又進(jìn)展了最后一次修改：21顆工作星和3顆備份星工作在互成30度的6打算實(shí)施衛(wèi)星定位圖示GPS打算的實(shí)施共分三個(gè)階段：第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。從1978年到1979年，由位于加利福尼亞的范登堡空軍基地承受雙子426560km,64令人滿足。其次階段為全面研制和試驗(yàn)階段7“BLOCKI”的試驗(yàn)衛(wèi)星，用粗碼定位，其精度就可達(dá)14第三階段為有用組網(wǎng)階段198924GPS工作衛(wèi)星放射成功，這一階段的衛(wèi)星稱為IIA”GPS1993年底有用的GPS〔21+3〕GPS全球定位系統(tǒng)組成系統(tǒng)由監(jiān)控中心和移動(dòng)終端組成，監(jiān)控中心由通訊效勞器及監(jiān)控終端GSM/GPRS承受發(fā)送模塊組成。事實(shí)上GPS定位系統(tǒng)是以GSM、GPS、GIS組成具有高技術(shù)的“3G”GPS接收機(jī)的構(gòu)造分為：天線單元和接收單元兩大局部。全球定位系統(tǒng)組成部分GPSGPS(GPS24組成的星座，其中21顆是工作衛(wèi)星，3顆是備份衛(wèi)星)；地面掌握局部—地GPS信號(hào)接收機(jī)。美國(guó)GPSGPS的空間局部是由24顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20200km的上空,均勻分布在6個(gè)軌道面上(每個(gè)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(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)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。這就供給了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш搅α?。GPS衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼,一組稱為C/A碼(Coarse/AcquisitionCode11023MHz); 一組稱為P碼(ProciseCode10123MHz),P 碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國(guó)軍方管制,并設(shè)有密碼,一般民間無(wú)法解讀,主要為美國(guó)軍方效勞。C/A碼人為實(shí)行措施而刻意降低精度后,主要開(kāi)放給民間使用。地面掌握局部地面掌握局部由一個(gè)主控站,5個(gè)全球監(jiān)測(cè)站和3個(gè)地面掌握站組成。監(jiān)測(cè)站均配裝有周密的銫鐘和能夠連續(xù)測(cè)量到全部可見(jiàn)衛(wèi)星的承受機(jī)。監(jiān)測(cè)數(shù),然后將結(jié)果送到3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(duì)每顆GPS衛(wèi)星每天一次,并在衛(wèi)星離開(kāi)注入站作用范圍之前進(jìn)展最終的注入。假設(shè)某地面站發(fā)降低。對(duì)于導(dǎo)航定位來(lái)說(shuō)，GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星放射的星歷—描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)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 作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)展監(jiān)測(cè)和掌握。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(shí)間標(biāo)準(zhǔn)—GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測(cè) 各顆衛(wèi)星的時(shí)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(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。用戶設(shè)備局部用戶設(shè)備局部即GPS信號(hào)接收機(jī)。其主要功能是能夠捕獲到按肯定衛(wèi)的衛(wèi)星信號(hào)后,即可測(cè)量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)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(jī)的構(gòu)造分為天線單元和接收單元兩局部。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充 電。關(guān)機(jī)后,機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電,以防止數(shù)據(jù)喪失。目前各種類型的承受機(jī)體積越來(lái)越小,重量越來(lái)越輕,便于野外觀測(cè)使用。GPS在測(cè)試架上的GPS衛(wèi)星GPS衛(wèi)星是由洛克菲爾國(guó)際公司空間部研制的，衛(wèi)星重774kg71.5m(BLOCKI)5.33m承受日光面積為7.2m2。對(duì)日定向系統(tǒng)掌握兩翼電池帆板旋轉(zhuǎn)，使板面始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，為衛(wèi)星不斷供給電力，并給三組 15Ah鎘鎳電池充電，以保證衛(wèi)星在地球陰影局部能正常工作。在星體底部裝有12個(gè)單元的多波束定向天線，能放射張角大約為30度的兩個(gè)L波段〔19cm和24cm波〕的信號(hào)。在星體的兩端面上裝有全向遙測(cè)遙控天線，用于與地面監(jiān)控網(wǎng)的通信 此外衛(wèi)星還裝有姿勢(shì)掌握系統(tǒng)和軌道掌握系統(tǒng)，以便使衛(wèi)星保持在適當(dāng)?shù)挠蒅PS系統(tǒng)的工作原理可知，星載時(shí)鐘的準(zhǔn)確度越高，其定位精度也越高。早期試驗(yàn)型衛(wèi)星承受由霍普金斯大學(xué)研制的石英振蕩器，相對(duì)頻率10?11/天。誤差為141974gps10?12/8m。1977BOKCKII型承受了馬斯頻率和時(shí)間系統(tǒng)公司研制的銫原子鐘后相對(duì)穩(wěn)定頻率到達(dá)10?13/天,誤2.9m198110?14/天的氫BLOCKIIR1m?！捕承l(wèi)星定位原理用戶接收到這些信息后，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置，三維方向以及原理介紹當(dāng)蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛(wèi)星后，美國(guó)約翰·霍布斯金大學(xué)應(yīng)用物理試驗(yàn)室的爭(zhēng)論人員提出既然可以觀測(cè)站的位置知道衛(wèi)星位置，那么假設(shè)衛(wèi)星位置，應(yīng)當(dāng)也能測(cè)量出接收者的所在位置。這是導(dǎo)航衛(wèi)星的根本間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要到達(dá)這一目的，衛(wèi)星的位置可以依據(jù)星載時(shí)鐘所 記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過(guò)紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)受的時(shí)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(shí)距離，而是偽距〔PR〕：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1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300mP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碼的根底上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正 電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中-{A|zh-cn:解調(diào)制;zh-tw:解調(diào)變}-出來(lái)，以50b/s-{A|zh-cn:調(diào)制;zh-tw:調(diào)變}-在載頻碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)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)用戶承受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做比照便可得知衛(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?jiàn)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星局部的作用就是不斷地放射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶承受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不行能總是同步，所以除了用戶的三維-{A|zh-cn:坐標(biāo);zh-tw:x、y、zΔt間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來(lái)。所以假設(shè)想知4坐標(biāo)描述你的位置的一組數(shù)值，一般有維度〔北或南〕和經(jīng)度〔東 或西〕。UTM坐標(biāo)系以米為單位測(cè)量你離赤道〔北或南〕和本初子午線〔東或西〕的GridReferenceSystem)UTM,但是把UTMGPS二維和三維坐標(biāo)GPS你的平面位置，例如經(jīng)度和維度，稱作二維坐標(biāo)，至少需要三顆GPS山峰或建筑物擋住了衛(wèi)星，你可能只能得到二維坐標(biāo)。定時(shí)定位這是指你重啟動(dòng)你的GPS接收器時(shí)，它確定現(xiàn)在位置所需的時(shí)間。對(duì)于十二通道接收器，假設(shè)你在最終一次定位位置的四周，冷啟動(dòng)時(shí)的定位時(shí)間一般為三至五分鐘，熱啟動(dòng)時(shí)為十五至三十秒，而對(duì)于雙通道接收器 冷啟動(dòng)時(shí)大多超過(guò)十五分鐘，熱啟動(dòng)時(shí)為二至五分鐘。為了使民用的準(zhǔn)確度提升，科學(xué)界進(jìn)展另一種技術(shù)，稱為差分全球定(DifferentialGPS),簡(jiǎn)稱DGPS(由其它測(cè)量方法所得),來(lái)修正GPS的誤差。再把這個(gè)即時(shí)(realtime)GPS有2D導(dǎo)航和3D3D而且海拔高度精度明顯不夠，有時(shí)到達(dá)10倍誤差。但是在經(jīng)緯度方面經(jīng)改進(jìn)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(hào)要花較長(zhǎng)時(shí)間功能及特點(diǎn)準(zhǔn)確定時(shí)：廣泛應(yīng)用在天文臺(tái)、通信系統(tǒng)基站、電視臺(tái)中。工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量承受 量?？碧綔y(cè)繪：野外勘探及城區(qū)規(guī)劃中都有用到。：武器導(dǎo)航：準(zhǔn)確制導(dǎo)、巡航；船舶導(dǎo)航：遠(yuǎn)洋導(dǎo)航、港口/內(nèi)河引水；飛機(jī)導(dǎo)航：航線導(dǎo)航、進(jìn)場(chǎng)著陸掌握 ；星際導(dǎo)航：衛(wèi)星軌道定位；。：1、車輛防盜系統(tǒng)；2PDA，PPC等通信移動(dòng)設(shè)備防盜，電子地圖，定位系統(tǒng)；3、兒童及特別人群的防喪失系統(tǒng)；4、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)：農(nóng)機(jī)具導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛，土地高精度平整。1、全天候，不受任何天氣的影響；2、全球掩蓋〔98%〕；3、三維定點(diǎn)定速定時(shí)高精度；4、快速、省時(shí)、高效率；5、應(yīng)用廣泛、多功能；6、可移動(dòng)定位?！踩超F(xiàn)狀及進(jìn)展趨勢(shì)〔工程案例〕GPS。軍用GPS產(chǎn)品主要用來(lái)確定并跟蹤在野外行進(jìn)中的士兵和裝備的坐標(biāo)給海中的軍艦導(dǎo)航，為軍用飛機(jī)供給位置和導(dǎo)航信息等。定位系統(tǒng)組成〔GPS〕測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》已于己于人1992101日起實(shí)施。此外，在軍事部門(mén)、交通部門(mén)、郵電部門(mén)、地礦、煤礦、石油 、建筑以及農(nóng)業(yè)、氣象、土地治理、金融、公安等部門(mén)和行業(yè)，在航空航天 測(cè)時(shí)授時(shí)、物理探礦、姿勢(shì)測(cè)定等領(lǐng)域，也都開(kāi)展了GPS技術(shù)的爭(zhēng)論和應(yīng)用。制開(kāi)發(fā)了GPS靜態(tài)定位和高動(dòng)態(tài)高精度定位軟件以及周密定軌軟件。在理論爭(zhēng)論與應(yīng)用開(kāi)發(fā)的同時(shí)，培育和造就了一大批技術(shù)人才和產(chǎn)業(yè)隊(duì)伍。近幾年，我國(guó)已建成了北京、武漢、上海、西安、拉薩、烏魯木齊等GPS跟蹤站，進(jìn)展對(duì)GPS衛(wèi)星的周密定軌，為高精度的GPS測(cè)量供給觀測(cè)數(shù)據(jù)和周密星歷效勞，致力于我國(guó)自主的廣域差分GPS〔WADGPS〕方案的建立，參與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)〔GNSS〕和GPS〔WAAS〕的籌建。同時(shí)，我國(guó)已著手建立自己的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)〔雙星定位GPSGPS1995年成立了中國(guó)GPS設(shè)四個(gè)專業(yè)委員會(huì)，期望通過(guò)廣泛的溝通與合作，進(jìn)展我國(guó)的GPS術(shù)。海、空和陸地的導(dǎo)航，的制導(dǎo)，大地測(cè)量和工程測(cè)量的周密定位，時(shí)GPS高精度的全國(guó)性的大地測(cè)量掌握網(wǎng)，測(cè)定全球性的地球動(dòng)態(tài)參數(shù)；用于建立陸地海洋大地測(cè)量基準(zhǔn)，進(jìn)展高精度的海島陸地聯(lián)測(cè)以及海洋測(cè)繪；用于監(jiān)測(cè)地球板塊運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和地殼形變；用于工程測(cè)量，成為建立城市與工程掌握網(wǎng)的主要手段。用于測(cè)定航空航天攝影瞬間的相機(jī)位置，實(shí)現(xiàn)僅有少量地面掌握或無(wú)地面掌握的航測(cè)快速成圖，導(dǎo)致地理信息系統(tǒng)、全球環(huán)很多商業(yè)和政府機(jī)構(gòu)也使用GPS設(shè)備來(lái)跟蹤他們的車輛位置，這一般需要借助無(wú)線通信技術(shù)。一些GPS接收器集成了收音機(jī)、無(wú)線和移動(dòng)數(shù)據(jù)終端來(lái)適應(yīng)車隊(duì)治理的需要。全球定位系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水利、交通、航空、測(cè)繪、安全防范、軍事、電力、通訊、城市管理等部門(mén)。〔四〕全球四大衛(wèi)星定位系統(tǒng)〔儀器〕1、美國(guó)GPS由美國(guó)國(guó)防部于20世紀(jì)70年月初開(kāi)頭設(shè)計(jì)、研制，于1993年全部建成。199410只向外國(guó)供給低精度的衛(wèi)星信號(hào)。據(jù)信該系統(tǒng)有美國(guó)設(shè)置的“后門(mén)”，一旦發(fā)生戰(zhàn)斗，美國(guó)可以關(guān)閉對(duì)某地區(qū)的信息服務(wù)。GPSITPCWorld一家不能倒閉的銀行。??對(duì)于歐洲‘伽利略’系統(tǒng)的支持者來(lái)說(shuō)，用戶對(duì)美國(guó)GPS喪失信念明顯是他們最情愿看到的事情?！?歐盟于1999年首次公布伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)打算，其目的是擺脫歐洲對(duì)美國(guó)全球定位系統(tǒng)的依靠，打破