GPS衛星定位系統，原理與技術(shù)一文全懂

　　全球定位系統（Global PosiTIoning System，通常簡(jiǎn)稱(chēng)GPS）是一個(gè)中距離圓型軌道衛星導航系統。它可以為地球表面絕大部分地區（98%）提供準確的定位、測速和高精度的時(shí)間標準。系統由美國國防部研制和維護，可滿(mǎn)足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶(hù)連續精確的確定三維位置、三維運動(dòng)和時(shí)間的需要。該系統包括太空中的24顆GPS衛星；地面上的1個(gè)主控站、3個(gè)數據注入站和5個(gè)監測站及作為用戶(hù)端的GPS接收機。最少只需其中4顆衛星，就能迅速確定用戶(hù)端在地球上所處的位置及海拔高度；所能收聯(lián)接到的衛星數越多，解碼出來(lái)的位置就越精確。

　　該系統是由美國政府于20世紀70年代開(kāi)始進(jìn)行研制于1994年全面建成。使用者只需擁有GPS接收機，無(wú)需另外付費。GPS信號分為民用的標準定位服務(wù)（SPS，Standard PosiTIoning Service）和軍規的精確定位服務(wù)（PSS，Precise PosiTIoning Service）兩類(lèi)。由于SPS無(wú)須任何授權即可任意使用，原本美國因為擔心敵對國家或組織會(huì )利用SPS對美國發(fā)動(dòng)攻擊，故在民用訊號中人為地加入誤差以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右；軍規的精度在十米以下。2000年以后，克林頓政府決定取消對民用訊號的干擾。因此，現在民用GPS也可以達到十米左右的定位精度。

　　GPS系統擁有如下多種優(yōu)點(diǎn)：全天候，不受任何天氣的影響；全球覆蓋（高達98%）；三維定速定時(shí)高精度；快速、省時(shí)、高效率；應用廣泛、多功能；可移動(dòng)定位；不同于雙星定位系統，使用過(guò)程中接收機不需要發(fā)出任何信號增加了隱蔽性，提高了其軍事應用效能。

　　GPS系統的組成

　　GPS系統包括三大部分：空間部分—GPS衛星星座；地面控制部分—地面監控系統；用戶(hù)設備部分—GPS信號接收機。

　　GPS衛星星座：

　　由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成GPS衛星星座記作（21+3）GPS星座。24顆衛星均勻分布在6個(gè)軌道平面內軌道傾角為55度各個(gè)軌道平面之間相距60度即軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度。每個(gè)軌道平面內各顆衛星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。

　　在兩萬(wàn)公里高空的GPS衛星當地球對恒星來(lái)說(shuō)自轉一周時(shí)它們繞地球運行二周即繞地球一周的時(shí)間為12恒星時(shí)。這樣對于地面觀(guān)測者來(lái)說(shuō)每天將提前4分鐘見(jiàn)到同一顆GPS衛星。位于地平線(xiàn)以上的衛星顆數隨著(zhù)時(shí)間和地點(diǎn)的不同而不同最少可見(jiàn)到4顆最多可見(jiàn)到11顆。在用GPS信號導航定位時(shí)為了結算測站的三維坐標必須觀(guān)測4顆GPS衛星稱(chēng)為定位星座。這4顆衛星在觀(guān)測過(guò)程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時(shí)甚至不能測得精確的點(diǎn)位坐標這種時(shí)間段叫做“間隙段”。但這種時(shí)間間隙段是很短暫的并不影響全球絕大多數地方的全天候、高精度、連續實(shí)時(shí)的導航定位測量。GPS工作衛星的編號和試驗衛星基本相同。

　　地面監控系統：

　　對于導航定位來(lái)說(shuō)GPS衛星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。星的位置是依據衛星發(fā)射的星歷—描述衛星運動(dòng)及其軌道的的參數算得的。每顆GPS衛星所播發(fā)的星歷是由地面監控系統提供的。衛星上的各種設備是否正常工作以及衛星是否一直沿著(zhù)預定軌道運行都要由地面設備進(jìn)行監測和控制。地面監控系統另一重要作用是保持各顆衛星處于同一時(shí)間標準—GPS時(shí)間系統。這就需要地面站監測各顆衛星的時(shí)間求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛星衛星再由導航電文發(fā)給用戶(hù)設備。GPS工作衛星的地面監控系統包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監測站。

　　GPS信號接收機：

　　GPS信號接收機的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號并跟蹤這些衛星的運行對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線(xiàn)的傳播時(shí)間解譯出GPS衛星所發(fā)送的導航電文實(shí)時(shí)地計算出測站的三維位置位置甚至三維速度和時(shí)間。

　　GPS衛星發(fā)送的導航定位信號是一種可供無(wú)數用戶(hù)共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶(hù)只要用戶(hù)擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備即GPS信號接收機?？梢栽谌魏螘r(shí)候用GPS信號進(jìn)行導航定位測量。根據使用目的的不同用戶(hù)要求的GPS信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠(chǎng)生產(chǎn)GPS接收機產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來(lái)分類(lèi)。

　　靜態(tài)定位中GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛星的過(guò)程中固定不變接收機高精度地測量GPS信號的傳播時(shí)間利用GPS衛星在軌的已知位置解算出接收機天線(xiàn)所在位置的三維坐標。而動(dòng)態(tài)定位則是用GPS接收機測定一個(gè)運動(dòng)物體的運行軌跡。GPS信號接收機所位于的運動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦空中的飛機行走的車(chē)輛等）。載體上的GPS接收機天線(xiàn)在跟蹤GPS衛星的過(guò)程中相對地球而運動(dòng)接收機用GPS信號實(shí)時(shí)地測得運動(dòng)載體的狀態(tài)參數（瞬間三維位置和三維速度）。

　　接收機硬件和機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包構成完整的GPS用戶(hù)設備。GPS接收機的結構分為天線(xiàn)單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來(lái)說(shuō)兩個(gè)單元一般分成兩個(gè)獨立的部件觀(guān)測時(shí)將天線(xiàn)單元安置在測站上接收單元置于測站附近的適當地方用電纜線(xiàn)將兩者連接成一個(gè)整機。也有的將天線(xiàn)單元和接收單元制作成一個(gè)整體觀(guān)測時(shí)將其安置在測站點(diǎn)上。

　　GPS接收機一般用蓄電池做電源。同時(shí)采用機內機外兩種直流電源。設置機內電池的目的在于更換外電池時(shí)不中斷連續觀(guān)測。在用機外電池的過(guò)程中機內電池自動(dòng)充電。關(guān)機后機內電池為RAM存儲器供電以防止丟失數據。

　　近幾年國內引進(jìn)了許多種類(lèi)型的GPS測地型接收機。各種類(lèi)型的GPS測地型接收機用于精密相對定位時(shí)其雙頻接收機精度可達5MM+1PPM.D單頻接收機在一定距離內精度可達10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可達亞米級至厘米級。

　　目前各種類(lèi)型的GPS接收機體積越來(lái)越小重量越來(lái)越輕便于野外觀(guān)測。GPS和GLONASS兼容的全球導航定位系統接收機已經(jīng)問(wèn)世。

　　GPS系統發(fā)展歷程

　　自1978年以來(lái)已經(jīng)有超過(guò)50顆GPS和NAVSTAR衛星進(jìn)入軌道。

　　前身

　　GPS（又稱(chēng)全球衛星導航系統或全球衛星定位系統）系統的前身為美軍研制的一種子午儀衛星定位系統（Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。該系統用5到6顆衛星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過(guò)地球13次，并且無(wú)法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統使得研發(fā)部門(mén)對衛星定位取得了初步的經(jīng)驗，并驗證了由衛星系統進(jìn)行定位的可行性，為GPS系統的研制埋下了鋪墊。由于衛星定位顯示出在導航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門(mén)都感到迫切需要一種新的衛星導航系統。為此，美國海軍研究實(shí)驗室（NRL）提出了名為T(mén)Inmation的用12到18顆衛星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)計劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆試驗衛星，在這些衛星上初步試驗了原子鐘計時(shí)系統，這是GPS系統精確定位的基礎。而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛星組成3至4個(gè)星群的計劃，這些衛星中除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）為基礎傳播衛星測距信號，其強大的功能，當信號密度低于環(huán)境噪聲的１％時(shí)也能將其檢測出來(lái)。偽隨機碼的成功運用是GPS系統得以取得成功的一個(gè)重要基礎。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動(dòng)態(tài)的2維定位，空軍的計劃能供提供高動(dòng)態(tài)服務(wù)，然而系統過(guò)于復雜。由于同時(shí)研制兩個(gè)系統會(huì )造成巨大的費用，而且這里兩個(gè)計劃都是為了提供全球定位而設計的，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星導航定位聯(lián)合計劃局（JPO）領(lǐng)導，還將辦事機構設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰隊、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)導下誕生了，該方案將24顆衛星放置在互成120度的三個(gè)軌道上。每個(gè)軌道上有8顆衛星，地球上任何一點(diǎn)均能觀(guān)測到6至9顆衛星。這樣，粗碼精度可達100m，精碼精度為10m。 由于預算壓縮，GPS計劃不得不減少衛星發(fā)射數量，改為將18顆衛星分布在互成60度的6個(gè)軌道上。然而這一方案使得衛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。這也是現在GPS衛星所使用的工作方式。

　　計劃實(shí)施

　　GPS計劃的實(shí)施共分三個(gè)階段：

　　第一階段為方案論證和初步設計階段。

　　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顆試驗衛星，衛星運行軌道長(cháng)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)，結果令人滿(mǎn)意。

　　第二階段為全面研制和試驗階段。

　　從1979年到1984年，又陸續發(fā)射了7顆稱(chēng)為BLOCK I的試驗衛星，研制了各種用途的接收機。實(shí)驗表明，GPS定位精度遠遠超過(guò)設計標準，利用粗碼定位，其精度就可達14米。

　　第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段。

　　1989年2月4日第一顆GPS工作衛星發(fā)射成功，這一階段的衛星稱(chēng)為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統進(jìn)入工程建設狀態(tài)。1993年底使用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據計劃更換失效的衛星。

　　GPS衛星

　　在測試架上的GPS衛星

　　GPS衛星是由洛克菲爾國際公司空間部研制的，衛星重774kg，使用壽命為7年。衛星采用蜂窩結構，主體呈柱形，直徑為1.5m。衛星兩側裝有兩塊雙葉對日定向太陽(yáng)能電池帆板（BLOCK I），全長(cháng)5.33m接受日光面積為7.2m2。對日定向系統控制兩翼電池帆板旋轉，使板面始終對準太陽(yáng)，為衛星不斷提供電力，并給三組15Ah鎘鎳電池充電，以保證衛星在地球陰影部分能正常工作。在星體底部裝有12個(gè)單元的多波束定向天線(xiàn)，能發(fā)射張角大約為30度的兩個(gè)L波段（19cm和24cm波）的信號。在星體的兩端面上裝有全向遙測遙控天線(xiàn)，用于與地面監控網(wǎng)的通信。此外衛星還裝有姿態(tài)控制系統和軌道控制系統，以便使衛星保持在適當的高度和角度，準確對準衛星的可見(jiàn)地面。

　　由GPS系統的工作原理可知，星載時(shí)鐘的精確度越高，其定位精度也越高。早期試驗型衛星采用由霍普金斯大學(xué)研制的石英振蕩器，相對頻率穩定度為10 ？ 11/秒。誤差為14米。1974年以后，gps衛星采用銣原子鐘，相對頻率穩定度達到10 ？ 12/秒，誤差8m。1977年，BOKCK II型采用了馬斯頻率和時(shí)間系統公司研制的銫原子鐘后相對穩定頻率達到10 ？ 13/秒，誤差則降為2.9m。1981年，休斯公司研制的相對穩定頻率為10 ？ 14/秒的氫原子鐘使BLOCK IIR型衛星誤差僅為1m。

　　GPS系統原理

　　當蘇聯(lián)發(fā)射了第一顆人造衛星后，美國約翰·霍布斯金大學(xué)應用物理實(shí)驗室的研究人員提出既然可以已知觀(guān)測站的位置知道衛星位置，那么如果已知衛星位置，應該也能測量出接收者的所在位置。這是導航衛星的基本設想。GPS導航系統的基本原理是測量出已知位置的衛星到用戶(hù)接收機之間的距離，然后綜合多顆衛星的數據就可知道接收機的具體位置。要達到這一目的，衛星的位置可以根據星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛星星歷中查出。而用戶(hù)到衛星的距離則通過(guò)紀錄衛星信號傳播到用戶(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)與衛星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）：當GPS衛星正常工作時(shí)，會(huì )不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機碼（簡(jiǎn)稱(chēng)偽碼）發(fā)射導航電文。GPS系統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，重復周期一毫秒，碼間距1微秒，相當于300m；P碼頻率10.23MHz，重復周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當于30m。而Y碼是在P碼的基礎上形成的，保密性能更佳。導航電文包括衛星星歷、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。它是從衛星信號中解調制出來(lái)，以50b/s調制在載頻上發(fā)射的。導航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(cháng)6s。前三幀各10個(gè)字碼；每30秒重復一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導航電文中的內容主要有遙測碼、轉換碼、第1、2、3數據塊，其中最重要的則為星歷數據。當用戶(hù)接受到導航電文時(shí)，提取出衛星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對比便可得知衛星與用戶(hù)的距離，再利用導航電文中的衛星星歷數據推算出衛星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶(hù)在WGS-84大地坐標系中的位置速度等信息便可得知?？梢?jiàn)GPS導航系統衛星部分的作用就是不斷地發(fā)射導航電文。然而，由于用戶(hù)接受機使用的時(shí)鐘與衛星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶(hù)的三維坐標x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)Δt即衛星與接收機之間的時(shí)間差作為未知數，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數解出來(lái)。所以如果想知道接收機所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛星的信號。

　　差分技術(shù)

　　為了使民用的精確度提升，科學(xué)界發(fā)展另一種技術(shù)，稱(chēng)為差分全球定位系統（Differential GPS）， 簡(jiǎn)稱(chēng)DGPS。亦即利用附近的已知參考坐標點(diǎn)（由其它測量方法所得）， 來(lái)修正 GPS 的誤差。再把這個(gè)即時(shí)（real time）誤差值加入本身坐標運算的考慮， 便可獲得更精確的值。

　　GPS有2D導航和3D導航分，在衛星信號不夠時(shí)無(wú)法提供3D導航服務(wù)，而且海拔高度精度明顯不夠，有時(shí)達到10倍誤差。但是在經(jīng)緯度方面經(jīng)改進(jìn)誤差很小。衛星定位儀在高樓林立的地區撲捉衛星信號要花較長(cháng)時(shí)間。

　　GPS的功能

　　精確定時(shí)：廣泛應用在天文臺、通信系統基站、電視臺中

　　工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量采用GPS設備進(jìn)行工程測量

　　勘探測繪：野外勘探及城區規劃中都有用到

　　導航：

　　武器導航：精確制導導彈、巡航導彈

　　車(chē)輛導航：車(chē)輛調度、監控系統

　　船舶導航：遠洋導航、港口/內河引水

　　飛機導航：航線(xiàn)導航、進(jìn)場(chǎng)著(zhù)陸控制

　　星際導航：衛星軌道定位

　　個(gè)人導航：個(gè)人旅游及野外探險

　　定位：

　　車(chē)輛防盜系統

　　手機，PDA，PPC等通信移動(dòng)設備防盜，電子地圖，定位系統

　　兒童及特殊人群的防走失系統

　　精準農業(yè)：農機具導航、自動(dòng)駕駛，土地高精度平整

　　GPS的六大特點(diǎn)

　　第一，全天候，不受任何天氣的影響；

　　第二，全球覆蓋（高達98%）；

　　第三，三維定點(diǎn)定速定時(shí)高精度；

　　第四，快速、省時(shí)、高效率；

　　第五，應用廣泛、多功能；

　　第六，可移動(dòng)定位。

　　定位精度高應用實(shí)踐已經(jīng)證明GPS相對定位精度在50KM以?xún)瓤蛇_10-6100-500KM可達10-71000KM可達10-9。在300-1500M工程精密定位中1小時(shí)以上觀(guān)測的解其平面其平面位置誤差小于1mm與ME-5000電磁波測距儀測定得邊長(cháng)比較其邊長(cháng)較差最大為0.5mm校差中誤差為0.3mm。

　　觀(guān)測時(shí)間短隨著(zhù)GPS系統的不斷完善軟件的不斷更新目前20KM以?xún)认鄬o態(tài)定位僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時(shí)當每個(gè)流動(dòng)站與基準站相距在15KM以?xún)葧r(shí)流動(dòng)站觀(guān)測時(shí)間只需1-2分鐘然后可隨時(shí)定位每站觀(guān)測只需幾秒鐘。

　　測站間無(wú)須通視GPS測量不要求測站之間互相通視只需測站上空開(kāi)闊即可因此可節省大量的造標費用。由于無(wú)需點(diǎn)間通視點(diǎn)位位置可根據需要可稀可密使選點(diǎn)工作甚為靈活也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)、過(guò)渡點(diǎn)的測量工作。

　　可提供三維坐標經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。GPS可同時(shí)精確測定測站點(diǎn)的三維坐標。目前GPS水準可滿(mǎn)足四等水準測量的精度。

　　操作簡(jiǎn)便隨著(zhù)GPS接收機不斷改進(jìn)自動(dòng)化程度越來(lái)越高有的已達“傻瓜化”的程度；接收機的體積越來(lái)越小重量越來(lái)越輕極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動(dòng)強度。使野外工作變得輕松愉快。

　　全天候作業(yè)目前GPS觀(guān)測可在一天24小時(shí)內的任何時(shí)間進(jìn)行不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響功能多、應用廣。

　　從這些特點(diǎn)中可以看出GPS系統不僅可用于測量、導航還可用于測速、測時(shí)。測速的精度可達0.1M/S測時(shí)的精度可達幾十毫微秒。其應用領(lǐng)域不斷擴大。GPS系統的應用前景當初設計GPS系統的主要目的是用于導航收集情報等軍事目的。但是后來(lái)的應用開(kāi)發(fā)表明GPS系統不僅能夠達到上述目的而且用GPS衛星發(fā)來(lái)的導航定位信號能夠進(jìn)行厘米級甚至毫米級精度的靜態(tài)相對定位米級至亞米級精度的動(dòng)態(tài)定位亞米級至厘米級精度的速度測量和毫微秒級精度的時(shí)間測量。因此GPS系統展現了極其廣闊的應用前景。

　　目前正在運行的全球衛星定位系統有美國的GPS系統和俄羅斯的GLONASS系統。

　　歐盟1999年初正式推出“伽利略”計劃，部署新一代定位衛星。該方案由27顆運行衛星和3顆預備衛星組成，可以覆蓋全球，位置精度達幾米，亦可與美國的GPS系統兼容，總投資為35億歐元。該計劃預計于2010年投入運行。

　　中國還獨立研制了一個(gè)區域性的衛星定位系統——北斗導航系統。該系統的覆蓋范圍限于中國及周邊地區，不能在全球范圍提供服務(wù)，主要用于軍事用途。

　　應用

　　軍事 洲際彈道導彈

　　物流管理

　　地理信息系統

　　移動(dòng)電話(huà)

　　數碼相機

　　航空

　　衛星地圖

　　航空