GPS的原理與應(yīng)用

精細(xì)農(nóng)業(yè)

第二章全球定位系統(tǒng)及其應(yīng)用

2.1基礎(chǔ)知識(shí)（1）GPS定位系統(tǒng)的發(fā)展歷史GPS的實(shí)施計(jì)劃，它可以分為三個(gè)階級(jí)：第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)，從硬件和軟件上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。

第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗(yàn)衛(wèi)星。與此同時(shí)，研制了各種用途的接收機(jī)，主要是導(dǎo)航型接收機(jī)，同時(shí)測(cè)地型接收機(jī)也相繼問(wèn)世。試驗(yàn)表明，GPS的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用粗碼的定位精度幾乎提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到14m。

第三階段為實(shí)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，宣告了GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)階段。這種工作衛(wèi)星稱為

BlockⅡ和BlockⅡA衛(wèi)星。這兩組衛(wèi)星的差別是：BlockⅡA衛(wèi)星增強(qiáng)了軍事應(yīng)用功能，擴(kuò)大了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量；BlockⅡ衛(wèi)星只能存儲(chǔ)供14天用的導(dǎo)航電文(每天更新三次)；而B(niǎo)lockⅡA衛(wèi)星能存儲(chǔ)供180天用的導(dǎo)航電文，確保在特殊情況下使用GPS衛(wèi)星。實(shí)用型的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。

（2）其它獨(dú)立的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)

GLONASS衛(wèi)星星座歐洲EGNOS系統(tǒng)伽利略系統(tǒng)日本MSAS系統(tǒng)

衛(wèi)星定位系統(tǒng)種類星座衛(wèi)星數(shù)目（顆）衛(wèi)星平均高度（km）衛(wèi)星運(yùn)行周期（min）載波頻率（MHz）L1L2GPS(美國(guó))21+3202007181565～15861217～1238GLONASS(前蘇聯(lián))21+3191006751603～16161246～1256NAVSAT(歐洲空間局)12+6201787201561～15691224～1232伽利略系統(tǒng)3024000／／／

（3）GPS定位系統(tǒng)的特點(diǎn)

GPS相對(duì)于其它導(dǎo)航與定位系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）全球地面連續(xù)覆蓋。GPS有24顆衛(wèi)星，且分布合理，所以在地球上和近地空間上任何一點(diǎn)，均可以連續(xù)同步地觀測(cè)4顆以上衛(wèi)星、實(shí)現(xiàn)全球、全天候連續(xù)導(dǎo)航定位。（2）功能多，精度高。GPS可為各類用戶連續(xù)地提供動(dòng)態(tài)目標(biāo)的三維位置，三維速度和時(shí)間信息。一般來(lái)說(shuō)，目前其單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度可達(dá)5m～10m，靜態(tài)相對(duì)定位精度可達(dá)1~0.01ppm，測(cè)速精度為0.1m/s，而測(cè)時(shí)精度約為數(shù)十納秒。隨著GPS測(cè)量技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，其定位、測(cè)速和測(cè)時(shí)的精度將進(jìn)一步提高。

（3）實(shí)時(shí)定位速度快。利用全球定位系統(tǒng)一次定位和測(cè)速工作在一秒至數(shù)秒鐘內(nèi)便可完成，這對(duì)高動(dòng)態(tài)用戶來(lái)說(shuō)尤為重要。（4）被動(dòng)式全天候?qū)Ш蕉ㄎ弧＿@種導(dǎo)航定位不僅隱蔽性好，而且可以容納無(wú)數(shù)多用戶。（5）抗干擾性能好，保密性強(qiáng)。由于GPS采用了數(shù)字通訊的特殊編碼技術(shù)，即偽隨機(jī)噪聲碼技術(shù)，因而GPS衛(wèi)星所發(fā)送的信號(hào)，具有良好的抗干擾性和保密性。

GPS應(yīng)用于測(cè)量的特點(diǎn)

相對(duì)于經(jīng)典的測(cè)量學(xué)來(lái)說(shuō)，這一新技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：（1）觀測(cè)站之間無(wú)需通視。

（2）定位精度高。在小于50km的基線上，其相對(duì)定位精度可達(dá)1～2×10-6，而在100km～500km的基線上可達(dá)10-6～10-7。隨著觀測(cè)技術(shù)與數(shù)據(jù)處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對(duì)定位精度達(dá)到或優(yōu)于10-8。（3）觀測(cè)時(shí)間短。

（4）提供三維坐標(biāo)。（5）操作簡(jiǎn)便。

（6）全天候作業(yè)。

2全球定位系統(tǒng)GPS的組成概況

全球定位系統(tǒng)（GPS）主要由三部分組成，即由GPS衛(wèi)星組成的空間部分、由若干地面站組成的控制部分和以接收機(jī)為主體的廣大用戶部分.

1空間部分

（1）

GPS空間衛(wèi)星星座的構(gòu)成

全球定位系統(tǒng)的空間衛(wèi)星星座，由24顆衛(wèi)星組成，其中包括3顆備用衛(wèi)星。衛(wèi)星分布在6個(gè)軌道面內(nèi)，每個(gè)軌道面上分布有4顆衛(wèi)星。衛(wèi)星軌道面相對(duì)地球赤道面的傾角約為55o，各軌道平面升交點(diǎn)（與赤道交點(diǎn)）之間的角距為60o。相鄰軌道之間的衛(wèi)星還要彼此叉開(kāi)40o。軌道平均高度約為20200km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時(shí)58分。因此，同一觀測(cè)站上，每天出現(xiàn)的衛(wèi)星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛(wèi)星每天約有5個(gè)小時(shí)在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目，隨時(shí)間和地點(diǎn)而異，最少為4顆，最多可達(dá)11顆。GPS衛(wèi)星及其功能

GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形，直徑約為1.5m，重約774kg(包括310kg燃料)，兩側(cè)設(shè)有兩塊雙葉太陽(yáng)能板，能自動(dòng)對(duì)日定向，以保證衛(wèi)星正常工作用電。每顆衛(wèi)星裝有4臺(tái)高精度原子鐘(2臺(tái)銣鐘和2臺(tái)銫鐘)，這是衛(wèi)星的核心設(shè)備。它將發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)，為GPS定位提供高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)。地面監(jiān)控部分

GPS的地面監(jiān)控部分，目前主要由分布在全球的5個(gè)地面站所組成，其中包括衛(wèi)星監(jiān)測(cè)站、主控站和信息注入站。

GPS地面監(jiān)控部的分布地面監(jiān)控系統(tǒng)圖(1)監(jiān)測(cè)站

監(jiān)測(cè)站，是在主控站直接控制下的數(shù)據(jù)自動(dòng)采集中心。站內(nèi)設(shè)有雙頻GPS接收機(jī)、高精度原子鐘、計(jì)算機(jī)和若干臺(tái)環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器。接收機(jī)對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，以采集數(shù)據(jù)和監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的工作狀況。原子鐘提供時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，而環(huán)境傳感器收集有關(guān)當(dāng)?shù)氐臍庀髷?shù)據(jù)。所有觀測(cè)資料由計(jì)算機(jī)進(jìn)行初步處理，并存儲(chǔ)和傳送到主控站，用以確定衛(wèi)星的軌道。(2)主控站

主控站一個(gè)，設(shè)在科羅拉多·斯平土(ColoradoSprings)的聯(lián)合空間執(zhí)行中心。主控站除協(xié)調(diào)和管理地面監(jiān)控系統(tǒng)的工作外，其主要任務(wù)是:●根據(jù)本站和其它監(jiān)測(cè)站的所有觀測(cè)資料，推算編制各衛(wèi)星的星歷、衛(wèi)星鐘差和大氣層的修正參數(shù)等，并把這些數(shù)據(jù)傳送到注入站?！裉峁┤蚨ㄎ幌到y(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn)。各監(jiān)測(cè)站和GPS衛(wèi)星的原于鐘，均應(yīng)與主控站的原子鐘同步，或測(cè)出其間的鐘差，并把這些鐘差信息編入導(dǎo)航電文，送到注入站?！裾{(diào)整偏離軌道的衛(wèi)星，使之沿預(yù)定的軌道運(yùn)行?！駟⒂脗溆眯l(wèi)星以代替失效的工作衛(wèi)星。

注入站現(xiàn)有3個(gè)，分別設(shè)在印度洋的迭哥加西亞(DiegoGarcia)；南大西洋的阿松森島(Ascencion)和南太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein)。注入站的主要設(shè)備包括二臺(tái)直徑為3.6m的天線、一臺(tái)C波段發(fā)射機(jī)和一臺(tái)計(jì)算機(jī)。其主要任務(wù)是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛(wèi)星星歷、鐘差、導(dǎo)航電文和其它控制指令等，注入到相應(yīng)衛(wèi)星的存儲(chǔ)系統(tǒng)，并監(jiān)測(cè)注入信息的正確性。

(3)注入站

用戶設(shè)備部分

全球定位系統(tǒng)的空間部分和地面監(jiān)控部分，是用戶應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行定位的基礎(chǔ)，而用戶只有通過(guò)用戶設(shè)備，才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用GPS定位的目的。用戶設(shè)備的主要任務(wù)是，接收GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)，以獲得必要的定位信息及觀測(cè)量，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理而完成定位工作。

用戶設(shè)備，主要由GPS接收機(jī)硬件和數(shù)據(jù)處理軟件，以及微處理機(jī)及其終端設(shè)備組成，而GPS接收機(jī)的硬件，一般包括主機(jī)、天線和電源。

GPS發(fā)展趨勢(shì)

①繼續(xù)向小型化、輕型化發(fā)展；②結(jié)構(gòu)模塊化，減少易損的接口；③控制器小型化，以便用戶操作，提高自動(dòng)化程度；④降低功率消耗；⑤改善存儲(chǔ)器管理，增大存儲(chǔ)容量；⑥增加接收機(jī)的通道數(shù)，以便同時(shí)跟