淺談全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的原理及應(yīng)用

一、前言了電子信息時(shí)代和航天探索時(shí)代。當(dāng)1957年前蘇聯(lián)發(fā)射了人類(lèi)第一顆人造地球衛(wèi)星，人類(lèi)1:全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(globalnavi其軌道高度約為2×104km,在6條軌道上運(yùn)行有24顆衛(wèi)星，每12h繞地球一周，能保證地球上任何地點(diǎn)的用戶(hù)都能至少同時(shí)看到4顆衛(wèi)星。它屬于非靜止衛(wèi)利用導(dǎo)航定位接收機(jī)來(lái)接收4顆(或4顆以上)衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號(hào)，并測(cè)量不同信號(hào)的到GPS向用戶(hù)廣播的導(dǎo)航信號(hào)為雙頻，分別為1575.42MHz和1226.60MHz。采用多種簡(jiǎn)單地說(shuō)，這是一個(gè)由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以保證在任意時(shí)刻，地球上任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度，以便實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能。這項(xiàng)技術(shù)可以用來(lái)引導(dǎo)飛機(jī)、船舶、車(chē)輛以及個(gè)人，安全、準(zhǔn)確地沿著選定的路線，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)目的地。全球定位系統(tǒng)(GPS)是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國(guó)獨(dú)霸全球戰(zhàn)略的重要組成。經(jīng)過(guò)20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。3:衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)少還有50年，GPS概念的提出已有三十年，真正應(yīng)用只有十來(lái)年，現(xiàn)在GPS現(xiàn)代化，GPSⅢ新階段，延續(xù)到2020年。GPS國(guó)際協(xié)會(huì)已統(tǒng)計(jì)出GPS的117種不同類(lèi)型的應(yīng)用。蜂窩通信的集成和汽車(chē)應(yīng)用還是當(dāng)前最大的兩個(gè)市場(chǎng)。衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)在大量應(yīng)用中廣泛使用，而且總的發(fā)展趨勢(shì)是為實(shí)時(shí)應(yīng)用提供高精度服務(wù)。1:全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶(hù)接收機(jī)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(jī)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(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶(hù)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(hù)所經(jīng)歷的時(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(hù)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和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼(簡(jiǎn)稱(chēng)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(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)中解調(diào)制出來(lái)，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s。前三幀各10個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。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(hù)接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶(hù)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(shí)所處位置，用戶(hù)在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。2:衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)24顆GPS衛(wèi)星在離地面1萬(wàn)2千公里的高空上，以12小時(shí)的周期環(huán)繞地球運(yùn)行，使得在任意時(shí)刻，在地面上的任意一點(diǎn)都可以同時(shí)觀測(cè)到4顆以上的衛(wèi)星。由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測(cè)中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置(X,Y;Z)?？紤]到衛(wèi)星的時(shí)鐘與接收機(jī)時(shí)鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個(gè)未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個(gè)方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時(shí)，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過(guò)算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。1:在大地測(cè)量、工程測(cè)量中的應(yīng)用：由于GPS系統(tǒng)具有精度高、速度快、費(fèi)用省、操作簡(jiǎn)便，現(xiàn)今建立大地及工程控制網(wǎng)基本上是采取GPS定位技術(shù)，取代了常規(guī)手段。國(guó)家A級(jí)和B級(jí)GPS大地控制網(wǎng)分別于1996年和1997年建成并交付使用，A級(jí)網(wǎng)，30個(gè)點(diǎn)組成，其水平方向的重復(fù)精度達(dá)2×10—8,,垂直方向不低于7×10-8。B級(jí)網(wǎng)由800個(gè)點(diǎn)組成，其精度也分別好于4×10-7和8×10-7。國(guó)家A、B級(jí)網(wǎng)以其特有的高精度把我國(guó)傳統(tǒng)大地網(wǎng)進(jìn)行了全面改善和加強(qiáng)，從而克服了傳統(tǒng)大地網(wǎng)的精度不均勻，系統(tǒng)誤差較大等傳統(tǒng)測(cè)量手段不可避免缺點(diǎn)，這一高精度三維空間大地坐標(biāo)系的建成將為我國(guó)21世紀(jì)前10年的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)持續(xù)發(fā)展提供基礎(chǔ)測(cè)繪保障。據(jù)報(bào)道在三峽二期工程施工中采用GPS定位技術(shù)建立施工控制網(wǎng)，取得很好的效果，可以滿(mǎn)足其相應(yīng)的精度要求；在青藏鐵路的建設(shè)中，從勘測(cè)到施工均采用了GPS定位技術(shù)，平面圖。而利用GPS定位技術(shù)，特別是采用RTK技術(shù)替代常規(guī)方法測(cè)繪地籍及房產(chǎn)成為可垂直精度優(yōu)于1.5mm,6小時(shí)的GPS觀測(cè)資料解算，水平精度、垂直精度均優(yōu)于1mm。的可用性，使單一的GPS市區(qū)可用性從55%提高到GPS/Galileo共用時(shí)的95%。GPS技術(shù)劃在2003年下半年運(yùn)營(yíng)，地面改正數(shù)據(jù)可以通過(guò)靜地衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給飛機(jī)。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)廣度可達(dá)到2-3m。在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)與無(wú)線通信手段集成后，該系統(tǒng)便成為一個(gè)位置報(bào)告系統(tǒng)和緊急救援系統(tǒng)。許多漁船將GPS與雷達(dá)和魚(yú)探器結(jié)合在一起，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益。6:其他方面這是移動(dòng)計(jì)算機(jī)(PDA)、蜂窩電話(huà)和GPS接收機(jī)的系統(tǒng)集成和完美整合。消費(fèi)娛樂(lè)徒步旅2:雙頻高精度測(cè)地型接收機(jī)將繼續(xù)高度壟斷在幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)先的GPS廠家手中，美國(guó)將繼續(xù)3:單頻測(cè)地型接收機(jī)和導(dǎo)航接收機(jī)OEM板產(chǎn)業(yè)將擴(kuò)散到世界各地，4:陸地導(dǎo)航定位產(chǎn)品將成為發(fā)展最快的GPS產(chǎn)業(yè)。原蘇聯(lián)于1957年10月4日成功發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星的發(fā)射在度慢(2個(gè)小時(shí)才有一次衛(wèi)星通過(guò)，一個(gè)點(diǎn)的定位需要觀測(cè)2天),不能滿(mǎn)足連續(xù)實(shí)時(shí)三維期，美國(guó)海軍提出了“Timation”計(jì)劃，美國(guó)空軍提出了621B計(jì)劃，并付之實(shí)施。但在發(fā)1973年美國(guó)國(guó)防部決定發(fā)展各軍種都能使用的全球定位系統(tǒng)(GPSGlobalPositioning公約組織和澳大利亞。歷時(shí)20多年，耗資數(shù)百億美元，于1994年3月10日，24顆工作衛(wèi)星全部進(jìn)入預(yù)定軌道，GPS系統(tǒng)全面投入正常運(yùn) (C/A碼)的定位精度高達(dá)20m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)。GPS是現(xiàn)代科學(xué)的結(jié)晶，它的推廣應(yīng)1982年10月12日發(fā)射第一顆GLONASS衛(wèi)星，1996年1月18日完成24顆衛(wèi)星在似，也由星座、地面控制和用戶(hù)設(shè)備三部分組成?？臻g星座由24顆GLONASS衛(wèi)星組成，其中21顆工作衛(wèi)星，3顆在軌備用衛(wèi)星，分布在3個(gè)近似為園的軌道面上，每個(gè)軌道上均勻分布8顆衛(wèi)星，衛(wèi)星運(yùn)行周期11小時(shí)15分，軌道面互成120度夾角，軌道偏心率為0.01,軌道離地高度約19390km,每顆衛(wèi)星質(zhì)量為1400kg,這樣的分布可以保證地球上任何地方GPS是美國(guó)軍方控制的軍民共用系統(tǒng)，目前對(duì)世界開(kāi)放，我們中國(guó)也可以免費(fèi)接收GPS信號(hào)，但美國(guó)人并不承諾保證你的使用，他可以隨時(shí)收費(fèi)和對(duì)你關(guān)閉系統(tǒng)，尤其是在號(hào)為“北斗一號(hào)”。2003年5月25日，我國(guó)在西昌將第三顆“年發(fā)射的前兩顆一起構(gòu)成了我國(guó)完備的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，即北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)CNSS,這是我國(guó)自行研制的區(qū)域性衛(wèi)星定位與通信系統(tǒng)，它標(biāo)志著我國(guó)成為繼美國(guó)GPS和歐盟的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力。所以，從20世紀(jì)90年代起，歐盟就開(kāi)始醞釀