物理研究
 

GPS卫星导航定位系统

时间:2016-04-16  来源:  作者:

  一、概述

  全球定位系统GPS(GlobalPositioningSystem)~*是由美国国防部从1973年开始研制的新一代卫星导航系统。它可以向全球数目不限的用户连续地提供高精度的全天候的三维坐标、三维速度和时间信息。由于全球定位系统具有极高的应用价值,因而得到了美国政府的高度重视,被列为重点空间计划之一。预计总费用40亿美元左右,成为继阿波罗计划和航天飞机计划之后的又一庞大空间计划。此外苏联也建立了自己的全球导航系统GLONASS,

  全球四大GPS系统

  1、美国全球定位系统(GPS)。有24颗卫星组成,分布在6条交点互隔60度的轨道面上,精度约为10米,军民两用,目前正在试验第二代卫星系统;

  2、俄罗斯“格洛纳斯”系统。有24颗卫星组成,精度在10米左右,军民两用,设计2009年底服务范围拓展到全球;

  3、欧洲“伽利略”系统。有30颗卫星组成,定位误差不超过1米,主要为民用。2005年首颗试验卫星已成功发射。预计2008年前开通定位服务;

  4、中国“北斗”系统。由5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星组成。定位精度10米。计划2008年左右覆盖中国及周边地区,然后逐步扩展为全球卫星导航系统。

  二、GPS系统的组成

  由三大部分组成,即空间部分、地面监控部分、用户设备部分。

  1、空间部分

  GPS系统的空间部分是指GPS工作卫星星座,其由24颗卫星组成,其中21颗工作卫星,3颗备用卫星,均匀分布在6个轨道上。卫星轨道平面与地球赤道面倾角为55°,各个轨道平面的升交点赤经相差60°,轨道平均高度为20200km.卫星运行周期为11小时58分(恒星时),同一轨道上的各卫星的升交角距为90°,GPS卫星的上述时空配置,基本保证了地球上任何地点,在任何时刻均至少可以同时观测到4颗卫星,以满足地面用户实时全天候精密导航和定位。GPS卫星的主体呈圆柱形,直径约为1.5m,重约774kg,两侧各安装两块双叶太阳能电池板,能自动对日定向,以保证卫星正常工作用电。每颗卫星带有四台高精度原子钟,其中2台为铷钟,2台为铯钟。GPS卫星上设有微处理机,可以进行必要的数据处理工作,它主要的3个基本功能:根据地面监控指令接收和储存由地面监控站发来的导航信息,调整卫星姿态、启动备用卫星;向GPS用户播送导航电文,提供导航和定位信息;通过高精度卫星钟向用户提供精密的时间标准。

  2、地面监控部分

  由5个地面站组成。1个主控站,其位于美国本土科罗拉多斯平土(ColoradoSpings)的联合空间执行中心CSOC,3个注入站,其分别设在印度洋的迭哥加西、南大西洋的阿松森岛和南太平洋的卡瓦加兰。5个监控站,其中4个与主控站、注入站重叠,另外一个设在夏威夷。主控站的主要任务为:根据各监控站提供的观测资料推算编制各颗卫星的星历、卫星钟差、和大气层修正参数并把这些数据传送到注入站;提供GPS系统的时间标准;调整偏离轨道的卫星,使之沿预定的轨道运行;启用备用卫星以取代失效的工作卫星。注入站的主要任务为:在主控站的控制下,把主控站传来的各种数据和指令等正确并适时地注入到相应卫星的存储系统。监测站的主要任务为:给主控站编算导航电文提供观测数据,每个监控站均用GPS信号接收机,对每颗可见卫星每6秒钟进行一次伪距测量和积分多普勒观测,并采集气象要素等数据。

  3、用户设备部分

  由GPS接收机硬件和相应的数据处理软件以及微处理机及其终端设备组成。其主要功能是接收GPS卫星发射的信号,获得必要的导航和定位信息及观测量,并经简单数据处理实现实时导航和定位,用后处理软件包对观测数据进行精加工,以获取精密定位结果。

  三、GPS导航定位系统的特点

  GPS导航定位系统之所以在许多领域得到广泛应用,出现了与GPS系统相关的产业,这都得益于其本身所具有的诸多优点,概括起来主要有以下几个方面。

  1、定位精度高:通过很多应用实践已经证明,GPS相对定位精度在50km以内可达10-6,100km~500km可达10-7,1000km以上可达10-9,在300-1500m工程精密定位中,1小时以上观测的解算,其平面位置误差小于1mm。基线边长越长越能突显是定位精度高的优势。

  2、观测时间短:由于GPS系统的不断完善,软件不断更新,目前20km以内相对静态定位,仅需15~20分钟,快速静态相对定位测量时,当每个流动站与基准站相距在15km以内时,流动站只需观测1~2分钟,动态相对定位测量时,流动站出发时观测1~2分钟,然后可随时定位,每站观测仅需几秒钟。

  3、测站间无须通视:GPS测量不要求站点间相互通视,只需测站上空开阔即可。

  4、可提供三维坐标:经典大地测量将平面与高程采用不同方法施测,而GPS可同时精确测定测站点的三维坐标,目前GPS水准可达到四等水准测量的精度。

  5、操作简便:随着GPS机不断改进,自动化程度越来越高,体积也越来越小,重量越来越轻,有的已达“傻瓜化”的程度。

  6、全天候作业:使用GPS测量,不受时间限制,24小时都可以工作,也不受起雾、刮风、下雨下雪等气候的影响。

  7、功能多、应用广:GPS系统不仅可用于测量,还可用于测速、测时。测速精度可达0.1m/s,测时精度可达几十毫秒。随着人们对GPS系统的不断开发,其应用领域正在不断地扩大。

  四、GPS卫星信号接收机的基本工作原理和种类

  GPS接收机主要由天线单元、接收单元和电源三部分组成。其工作原理如图:

  接收机天线对GPS卫星信号进行接收,并将卫星信号转化为相应的电流,电流信号再经前置放大器放大,放大后的信号由变频器和中频放大器将L频段的射频信号变成低频信号;由接收单元的信号通道对广播电文数据信号进行解扩、解调,得到导航电文,并由存贮器保存。CPU将得到的各种数据进行粗处理,使用户得到需要的各种导航定位信息。

  GPS接收机按照其工作原理、用途、接收卫星信号频率、信号通道数目可分成许多不同的类型:

  生产GPS接收机的厂商很多,主要有美国Ashtech公司和Trimble公司、欧洲Leica公司、法国的Sercel公司生产的各类型的接收机。现在厂商生产的GPS接收机朝越来越高度集成化、智能化、抗干扰性能强、小巧轻便、易于操作的方向发展。

  五、GPS导航定位系统工作的基本原理及定位方法

  GPS的工作原理实际上就是利用测距后方交会原理确定点位与导航,将无线电信号发射台从地面点搬到卫星上,组成一个卫星导航定位系统,应用无线电测距交会的原理,由三个以上地面已知点(控制点)交会出卫星的位置,反之利用三个以上卫星的已知空间位置又可以交会出地面未知点(接收机)的位置。如图二,GPS卫星发射测距信号和导航电文,用户用GPS接收机在某一时刻i同时接收到三颗GPS卫星信号,测量出测站P到三颗GPS卫星的距离S1、S2、S3,并计算出该时刻GPS卫星的空间坐标为(Xj、Yj、Zj),j=1,2,3。用距离交会法解算出测站P的位置(Xp、Yp、Zp),其观测方程式为:

  S1^2=(Xp-X1)^2+(Yp-Y1)^2(Zp-Z1)^2

  S2^2=(Xp-X2)^2+(Yp-Y2)^2(Zp-Z2)^2

  S3^2=(Xp-X3)^2+(Yp-Y3)^2(Zp-Z3)^2

  因此,利用GPS卫星导航定位时,必须同时跟踪至少三颗以上的卫星。

  根据GPS导航定位的方式不同,可分为GPS绝对定位和相对定位,根据接收机天线是否处于运动状态,又可以分为静态定位和动态定位,GPS卫星导航实质上就是广义的GPS动态定位。GPS绝对定位也叫单点定位,即利用GPS卫星和用户接收机之间的距离观测值直接确定用户接收机天线在WGS-84坐标系中相对于坐标原点(地球质心)的绝对位置。GPS相对定位也叫差分GPS定位,即至少用两台GPS接收机,同步观测相同的GPS卫星,确定两台接收机天线之间的相对位置,它是目前GPS定位中精度最高的一种方法。广泛用于大地测量、精密工程测量、地球动力学的研究和精密导航。现在又出现了一种叫载波相位动态实时差分-RTK(Real-timekinematic)技术,实质也就是相对定位,只不过它能快速完成整周模糊度的搜索求解。其基本过程是基准站(已知点)通过数据链将其采集的观测数据和测站信息一起传送给流动站,流动站利用同步采集到的GPS观测数据,在系统内组成差分观测值进行实时处理,同时给出厘米级定位结果。

  六、GPS导航定位系统的广泛应用

  美国政府最初开发GPS导航定位系统主要为用于军队导航、收集情报等军事目的,后来对民用领域开放,将GPS系统分为军用码和民用码,但两者的接收精度相差很大。由于GPS具有全天候、高精度、自动化、高效益的特点,特别是随着GPS系统的不断改进,软、硬件的不断完善以及美国终止降低民用GPS接收机精度的作法,应用领域得到不断地开拓,目前已遍及国民经济各个部门,并开始进入人们的日常生活。人们可以开着装有先进GPS导航系统的汽车,随时为你指示行进方向,你可以戴着手表式的接收机为你在原始森林里旅游探险指明方向。

  1、在大地测量、工程测量中的应用:

  由于GPS系统具有精度高、速度快、费用省、操作简便,现今建立大地及工程控制网基本上是采取GPS定位技术,取代了常规手段。国家A级和B级GPS大地控制网分别于1996年和1997年建成并交付使用,A级网,30个点组成,其水平方向的重复精度达2×10-8,,垂直方向不低于7×10-8。B级网由800个点组成,其精度也分别好于4×10-7和8×10-7。国家A、B级网以其特有的高精度把我国传统大地网进行了全面改善和加强,从而克服了传统大地网的精度不均匀,系统误差较大等传统测量手段不可避免缺点,这一高精度三维空间大地坐标系的建成将为我国21世纪前10年的经济和社会持续发展提供基础测绘保障。据报道在三峡二期工程施工中采用GPS定位技术建立施工控制网,取得很好的效果,可以满足其相应的精度要求;在青藏铁路的建设中,从勘测到施工均采用了GPS定位技术,都取得了很好的效果。为了在测绘领域充分利用这一新技术,国家测绘局专门颁布了《全球定位系统(GPS)测量规范》。

  2、在地籍和房产测绘中的应用:

  地籍及房地产测量是精确测定土地权属界址点位置,同时测绘大比例尺地籍平面图和房产图并量算土地和房屋面积,供土地和房产管理部门使用。常规方法通常是先布设或加密控制点,然后依据这些点,测定地物点和地形点在图上的位置并按照一定的规律和符号绘制成平面图。而利用GPS定位技术,特别是采用RTK技术替代常规方法测绘地籍及房产成为可能。由于它不需要逐级布网加密,在测区只需少量的控制点即可。因此,它具有速度快,精度高且分布均匀等特点。

  3、在工程变形监测中的应用:

  我国正处在全面基础建设中,尤其是西部大开发,大型、特大型工程不断涌现,为了这些工程的正常、安全地运行,必须对它进行变形监测和安全预报,工程变形监测通常要达到毫米或亚毫米级的精度,武汉测绘科技大学做了这方面的试验,试验结果证明GPS定位技术用于各种工程变形监测是可行的。隔河岩水电站大坝外观变形GPS自动化监测系统,整个系统全自动,应用广播星历1~2小时GPS观测资料解算的监测点位,水平精度优于1.5mm,垂直精度优于1.5mm,6小时的GPS观测资料解算,水平精度、垂直精度均优于1mm。

  4、在资源勘察方面的应用:

  矿产资源勘查、矿区范围的划定、矿体规模的测定等都需要进行定点测量。以往的地质测量工作主利用传统手段如经纬仪、全站仪等测量仪器进行人工测量,然后在室内整理计算得到最终结果。这样做不但工作量大,浪费大量的人力、物力,且测量结果精度还较低。时间周期也长,不能及时反映矿产资源的实际现状。黑龙江省国土资源厅在哈尔滨市、大庆市、佳木斯市进行了试验性工作,建立和使用GPS2000系统,开展各市的矿产资源勘察动态管理工作,减少矿区范围界限定位误差,提高对地矿资源的有效管理,取得了较好的成果。

  5、GPS在巡线车辆管理的运用:

  巡线车辆监控调度方案服务于需要通过车辆巡逻来监控线路状态的服务型企业或管理型部门。方案将线路的规划和实际的巡线工作结合起来,以业务关键点为核心,通过GPS实时监控获得车辆的位置信息来考察车辆的巡线任务完成情况,通过各车辆距离事发关键点的距离和车辆当前的状态自动进行可调度车辆的选取。最终结合车辆分析和周密的统计报表,行成可计划、可执行、可评价的巡线车辆监控调度方案。该方案由目前行业中的成功实践者提出,并在2010广州亚运会对中国电信巡线车辆成功运用。

  6、GPS首次出现在军事应用:

  1989年,一群认真专注的工程师和一个伟大的产品构想,造就了今日全球卫星定位导航系统的领导品牌GARMIN—兼具最佳的

  销售成绩与专业技术。由制造当初在波斯湾战争中被联军采用的第一台手持GPS,到现今成为GPS的第一品牌,GARMIN的产品以更优良的功能和用途远远超越传统GPS接收器,并为GPS立下一崭新的里程碑。

  为了缓解当时“沙漠风暴”行动时军用GPS接收装置短缺的问题,美军考虑购买民用GPS接收装置。民用接收装置的导航功能和军用装置完全一样,只不过不能识别军用加密信号而已。因此,到了“沙漠盾牌”军事行动的时候,美国国防部就提前购买了数千套民用GPS接收装置装备各参战部队,占到了所有的5300套接收装置的85%。

  另外,在航空摄影测量、海洋测量、山体滑波监测、运载工具导航和管制、地壳运动监测、地球动力学研究等领域均得到了成功的应用。

  七、结束语

  卫星导航技术的发展趋势主要表现在三方面:一是卫星导航的多系统并存,使系统可用性得以提高,应用领域将更广阔;二是多元组合导航技术正在得到推广应用,主要有GPS与移动通信基站定位、陀螺、航位推算技术等的组合应用;三是卫星导航与无线通信等其它高技术相结合,如GPS接收机嵌入到蜂窝电话、便携式PC、PDA和手表等通信、安全和消费类电子产品中,从根本上促进了IT技术的整体