GPS全球定位系统是什么

xiaobai Q&A 2020-05-29 10:25:52 阅读(...)

GPS全球定位系统是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。可以保证在任意时刻,地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星,以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度,以便实现导航、定位、授时等功能。

这是一个由覆盖全球的 24 颗卫星组成的卫星系统。这个系统可以保证在任意时刻,地球上任意一点都可以同时观测到 4 颗卫星,以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度,以便实现导航、定位、授时等功能。 全球定位系统(GPS)是 20 世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆炸监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。

GPS全球定位系统是什么

前身

GPS 系统的前身为美军研制的一种“子午仪”导航卫星系统(Transit),1958 年研制,64 年正式投入使用。该系统用 5 到 6 颗卫星组成的星网工作,每天最多绕过地球 13 次,并且无法给出高度信息,在定位精度方面也不尽如人意。然而,子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验,并验证了由卫星系统进行定位的可行性,为 GPS 系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此,美国海军研究实验室(NRL)提出了名为 Tinmation 的用 12 到 18 颗卫星组成 10000km 高度的全球定位网计划,并于 67 年、69 年和 74 年各发射了一颗试验卫星,在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统,这是 GPS 系统精确定位的基础。而美国空军则提出了 621-B 的以每星群 4 到 5 颗卫星组成 3 至 4 个星群的计划,这些卫星中除 1 颗采用同步轨道外其余的都使用周期为 24h 的倾斜轨道 该计划以伪随机码(PRN)为基础传播卫星测距信号,其强大的功能,当信号密度低于环境噪声的 1%时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是 GPS 系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的 2 维定位,空军的计划能供提供高动态服务,然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的,所以 1973 年美国国防部将 2 者合二为一,并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局(JPO)领导,还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多,包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。

组成

GPS 全球卫星定位系统由三部分组成:

空间部分———GPS 星座;

地面控制部分———地面监控系统;

用户设备部分———GPS 信号接收机。

1.空间部分

GPS 的空间部分是由 24 颗工作卫星组成,它位于距地表 20 200km 的上空,均匀分布在 6 个轨道面上(每个轨道面 4 颗) ,轨道倾角为 55°。此外,还有 4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到 4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码, 一组称为 C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为 P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。

2.地面控制部分

地面控制部分由一个主控站,5 个全球监测站和 3 个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据,包括电离层和气象数据,经过初步处理后,传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据,计算出卫星的轨道和时钟参数,然后将结果送到 3 个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时,把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗 GPS 卫星每天一次,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。如果某地面站发生故障,那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间,但导航精度会逐渐降低。

3.用户设备部分

用户设备部分即 GPS 信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率,解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据,接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算,计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

接收机硬件和机内软件以及 GPS 数据的后处理软件包构成完整的 GPS 用户设备。GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后,机内电池为 RAM 存储器供电,以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小,重量越来越轻,便于野外观测使用。

主要特点

(1)全天候;(2) 全球覆盖;(3)三维定速定时高精度;(4)快速省时高效率:(5)应用广泛多功能:(6)抗干扰性能好、保密性强

主要用途

(1)陆地应用

主要包括车辆导航、应急反应、大气物理观测、地球物理资源勘探、工程测量、变形监测、地壳运动监测、 市政规划控制等;

(2)海洋应用

包括远洋船最佳航程航线测定、船只实时调度与导航、海洋救援、海洋探宝、水文地质测量以及海洋平台定位、海平面升降监测等;

(3)航空航天应用

包括飞机导航、航空遥 感姿态控制、低轨卫星定轨、导弹制导、航空救援和载人航天器防护探测等。

分类

GPS 卫星接收机种类很多,根据型号分为测地型、全站型、定时型、手持型、集成型;根据用途分为车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式。

经过 20 余年的实践证明,GPS 系统是一个高精度、全天候和全球性的无线电导航、定位和定时的多功能系统。 GPS 技术已经发展成为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。

原理

GPS 导航系统的基本原理是测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离,然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置。

要达到这一目的,卫星的位置可以根据星载时钟所记录的时间在卫星星历中查出。而用户到卫星的距离则通过纪录卫星信号传播到用户所经历的时间,再将其乘以光速得到(由于大气层电离层的干扰,这一距离并不是用户与卫星之间的真实距离,而是伪距(PR):当 GPS 卫星正常工作时,会不断地用 1 和 0 二进制码元组成的伪随机码(简称伪码)发射导航电文。

GPS 系统使用的伪码一共有两种,分别是民用的 C/A 码和军用的 P(Y)码。C/A 码频率 1.023MHz,重复周期一毫秒,码间距 1 微秒,相当于 300m;P 码频率 10.23MHz,重复周期 266.4 天,码间距 0.1 微秒,相当于 30m。而 Y 码是在 P 码的基础上形成的,保密性能更佳。导航电文包括卫星星历、工作状况、时钟改正、电离层时延修正、大气折射修正等信息。它是从卫星信号中解调制出来,以 50b/s 调制在载频上发射的。导航电文每个主帧中包含 5 个子帧每帧长 6s。前三帧各 10 个字码;每三十秒重复一次,每小时更新一次。后两帧共 15000b。导航电文中的内容主要有遥测码、转换码、第 1、2、3 数据块,其中最重要的则为星历数据。当用户接受到导航电文时,提取出卫星时间并将其与自己的时钟做对比便可得知卫星与用户的距离,再利用导航电文中的卫星星历数据推算出卫星发射电文时所处位置,用户在 WGS-84 大地坐标系中的位置速度等信息便可得知。

可见 GPS 导航系统卫星部分的作用就是不断地发射导航电文。然而,由于用户接受机使用的时钟与卫星星载时钟不可能总是同步,所以除了用户的三维坐标 x、y、z 外,还要引进一个Δt 即卫星与接收机之间的时间差作为未知数,然后用 4 个方程将这 4 个未知数解出来。所以如果想知道接收机所处的位置,至少要能接收到 4 个卫星的信号。

应用范围

主要是为船舶,汽车,飞机等运动物体进行定位导航。例如:

1.船舶远洋导航和进港引水

2.飞机航路引导和进场降落

3.汽车自主导航

4.地面车辆跟踪和城市智能交通管理

5.紧急救生

6.个人旅游及野外探险

7.个人通讯终端(与手机,PDA,电子地图等集成一体)

1.电力,邮电,通讯等网络的时间同步

2.准确时间的授入

3.准确频率的授入

1.各种等级的大地测量,控制测量

2.道路和各种线路放样

3.水下地形测量

4.地壳形变测量,大坝和大型建筑物变形监测

5.GIS 应用

6.工程机械(轮胎吊,推土机等)控制

7.精细农业

道路工程应用

GPS 在道路工程中的应用,目前主要是用于建立各种道路工程控制网及测定航测外控点等。随着高等级公路的迅速发展,对勘测技术提出了更高的要求,由于线路长,以知点少,因此,用常规测量手段不仅布网困难,而且难以满足高精度的要求。目前,国内已逐步采用 GPS 技术建立线路首级高精度控制网,然后用常规方法布设导线加密。实践证明,在几十公里范围内的点位误差只有 2 厘米左右,达到了常规方法难以实现的精度,同时也大大提前了工期。GPS 技术也同样应用于特大桥梁的控制测量中。由于无需通视,可构成较强的网形,提高点位精度,同时对检测常规测量的支点也非常有效。GPS 技术在隧道测量中也具有广泛的应用前景,GPS 测量无需通视,减少了常规方法的中间环节,因此,速度快、精度高,具有明显的经济和社会效益。

汽车导航应用

三维导航是 GPS 的首要功能,飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用 GPS 导航器进行导航。汽车导航系统是在全球定位系统 GPS 基础上发展起来的一门新型技术。汽车导航系统由 GPS 导航、自律导航、微处理机、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM 驱动器、LCD 显示器组成。GPS 导航系统与电子地图、无线电通信网络、计算机车辆管理信息系统相结合,可以实现车辆跟踪和交通管理等许多功能。

(1)车辆跟踪

利用 GPS 和电子地图可以实时显示出车辆的实际位置,并可任意放大、缩小、还原、换图;可以随目标移动,使目标始终保持在屏幕上;还可实现多窗口、多车辆、多屏幕同时跟踪。利用该功能可对重要车辆和货物进行跟踪运输。

(2)提供出行路线规划和导航

提供出行路线规划是汽车导航系统的一项重要的辅助功能,它包括自动线路规划和人工线路设计。自动线路规划是由驾驶者确定起点和目的地,由计算机软件按要求自动设计最佳行驶路线,包括最快的路线、最简单的路线、通过高速公路路段次数最少的路线的计算。人工线路设计是由驾驶员根据自己的目的地设计起点、终点和途经点等,自动建立路线库。线路规划完毕后,显示器能够在电子地图上显示设计路线,并同时显示汽车运行路径和运行方法。

(3)信息查询

为用户提供主要物标、如旅游景点、宾馆、医院等数据库,用户能够在电子地图上显示其位置。同时,监测中心可以利用监测控制台对区域内的任意目标所在位置进行查询,车辆信息将以数字形式在控制中心的电子地图上显示出来。

(4)话务指挥

指挥中心可以监测区域内车辆运行状况,对被监控车辆进行合理调度。指挥中心也可随时与被跟踪目标通话,实行管理。

(5)紧急援助

通过 GPS 定位和监控管理系统可以对遇有险情或发生事故的车辆进行紧急援助。监控台的电子地图显示求助信息和报警目标,规划最优援助方案,并以报警声光提醒值班人员进行应急处理。

其它应用

GPS 除了用于导航、定位、测量外,由于 GPS 系统的空间卫星上载有的精确时钟可以发布时间和频率信息,因此,以空间卫星上的精确时钟为基础,在地面监测站的监控下,传送精确时间和频率是 GPS 的另一重要应用,应用该功能可进行精确时间或频率的控制,可为许多工程实验服务。此外,还可利用 GPS 获得气象数据,为某些实验和工程应用。

全球卫星定位系统 GPS 是开发的最具有开创意义的高新技术之一,其全球性、全能性、全天侯性的导航定位、定时、测速优势必然会在诸多领域中得到越来越广泛的应用。在发达国家,GPS 技术已经开始应用于交通运输和交通工程。目前,GPS 技术在中国道路工程和交通管理中的应用还刚刚起步,随着中国经济的发展,高等级公路的快速修建和 GPS 技术的应用研究的逐步深入,其在道路工程中的应用也会更加广泛和深入,并发挥更大的作用。

前景

由于 GPS 技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展,美国政府宣布 2000 年至 2006 年期间,在保证美国国家安全不受威胁的前提下,取消 SA 政策,GPS 民用信号精度在全球范围内得到改善,利用 C/A 码进行单点定位的精度由 100 米提高到 20 米,这将进一步推动 GPS 技术的应用,提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量,刺激 GPS 市场的增长。据有关专家预测,在美国,单单是汽车 GPS 导航系统,2000 年后的市场将达到 30 亿美元,而在我国,汽车导航的市场也将达到 50 亿元人民币。可见,GPS 技术市场的应用前景非常可观。

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