GPS介紹

GPS系統(tǒng)產(chǎn)生

　　最古老、最簡單的導航方法是星歷導航，人類通過觀察星座的位置變化來確定自己的方位；最早的導航儀是中國人發(fā)明的指南針，幾個世紀以來它經(jīng)過不斷的改進而變得越來越精密，并一直為人類廣泛應用著；最早的航海表是英國人John Harrison經(jīng)過47年的艱苦工作于1761年發(fā)明的，在其隨后的兩個世紀，人類通過綜合地利用星歷知識、指南針和航海表來進行導航和定位。

　　進入二十世紀以后，隨著科學技術(shù)水平的不斷提高人類逐漸發(fā)明/發(fā)現(xiàn)了許多新的定位方法。開始海員們通過測量船體的速度增量并進行外推來確定自己的位置（Dead reckoning）；隨后人們又發(fā)明了慣性導航技術(shù)（Inertial Navigation），即通過對加速度計所記錄的載體加速度進行積分來確定位置。至此，人類的探索并沒有停滯不前，二十世紀電磁場理論和電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展為新型導航技術(shù)的形成提供了堅實的理論基礎和技術(shù)基礎。更重要的是用新思想和新理論武裝起來的人類更富于想象力了，人類的思維從被動地利用宇宙中現(xiàn)存的參照物（如星體）擴展到主動地建立和利用人為的參照物來開發(fā)更精密的導航定位系統(tǒng)。由此地基電子導航系統(tǒng)（Ground-based Radionavigation System）誕生了，這一系統(tǒng)的問世標志著人類從此進入了電子導航時代。地基電子導航系統(tǒng)主要由在世界各地適當?shù)攸c建立的無線電參考站組成，接收機通過接收這些參考站發(fā)射的無線電電波并由此計算接收機到發(fā)射站的距離來確定自己的位置。這一技術(shù)在二戰(zhàn)中已經(jīng)被使用，戰(zhàn)后發(fā)展很快，目前大約有100種不同類型的地基電子導航系統(tǒng)正在運行，其中最著名的有Loran C/D、Omega、VOR/DME Tacan等，它們的導航原理相似，只是所用的電波波段和適用地域不同而已。由于地基導航系統(tǒng)的無線電發(fā)射參考站都建立在地球表面上，因此它們只能用來確定海平面上和地平面上運動物體的水平位置，即只能進行二維定位，這是地基電子導航系統(tǒng)本身固有的缺陷。為了對空間飛行器（如飛機、宇宙飛船、導彈等）進行精密導航，需要確定飛行器的三維位置（水平位置和高度）。顯然地基電子導航系統(tǒng)不能滿足這種需要，于是人類就設想是否可以將無線電發(fā)射參考站建立在空中。

　　1957年10月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射宣告空間科學的發(fā)展跨入了一個嶄新的時代，也使電子導航技術(shù)的發(fā)展進入了一個新的階段。它使人類將無線電發(fā)射參考站建立在空中的設想成為現(xiàn)實，由此空基電子導航系統(tǒng)（Space-based Radionavigation System）應運而生?？栈娮訉Ш较到y(tǒng)統(tǒng)稱為衛(wèi)星電子導航系統(tǒng)，第一代衛(wèi)星電子導航系統(tǒng)的代表是美國海軍武器實驗室委托霍普金斯大學應用物理實驗室研制的海軍導航衛(wèi)星系統(tǒng)（Navy Navigation Satellite System —— NNSS）。在該系統(tǒng)中衛(wèi)星的軌道都通過地極，故也稱"子午儀（Transit）衛(wèi)星系統(tǒng)"。1964年該系統(tǒng)建成后即被美國軍方使用，1967年將星歷解密而提供民用服務。實踐表明，子午儀衛(wèi)星系統(tǒng)具有精度均勻、不受時間和天氣限制等優(yōu)點，只要系統(tǒng)的衛(wèi)星在視界內(nèi)，就可在地球表面任何地方進行單點定位或聯(lián)測定位，從而獲得觀測點的三維地心坐標。盡管子午儀衛(wèi)星系統(tǒng)具有以往導航系統(tǒng)所無法比擬的優(yōu)越性，但也存在一些嚴重的缺陷，這主要是由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少（5～6顆），運行高度較低（平均約為1000Km），從地面觀測到衛(wèi)星的時間間隔較長（平均1.5小時），因而無法連續(xù)地提供實時三維定位信息，難以充分滿足軍事用戶和某些民事用戶的定位要求。

　　為了克服子午儀系統(tǒng)的缺陷，實現(xiàn)全天候、全球性和高精度的連續(xù)導航與定位，1973年美國國防部批準其陸?？杖娐?lián)合研制第二代衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)-授時與測距導航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（Navigation System Timing and Ranging/Global Position System-NAVSTAR/GPS），簡稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。起初的GPS方案由24顆衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星分布在互成120°的三個軌道平面上，每個軌道平面分布8顆衛(wèi)星，這樣的衛(wèi)星布局可保證在地球上的任何位置都能同時觀測到6～9顆衛(wèi)星。為識別不同的衛(wèi)星信號并提高系統(tǒng)的抗干擾能力和保密能力，采用了直接序列擴頻技術(shù)（DS-SS），整個系統(tǒng)相當于一個碼分多址系統(tǒng)（CDMA）。為了補償電離層效應的影響，采用了雙頻調(diào)制；1978年由于美國政府壓縮國防預算，減少了對GPS的撥款，GPS聯(lián)合辦公室就將初始方案修改為第二方案。在第二方案中系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)由24顆減少到18顆，并調(diào)整了衛(wèi)星的布局，18顆衛(wèi)星分布在互成60°的6個軌道平面上，每個軌道平面分布3顆衛(wèi)星，這樣的配置基本能夠保證在地球上任何位置均能同時觀測到至少4顆衛(wèi)星。但實驗發(fā)現(xiàn)這樣的衛(wèi)星配置可靠性不高，另外由于在海灣戰(zhàn)爭中GPS發(fā)揮了巨大的作用，因此在1990年對第二方案進行了修改，最終方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成整個系統(tǒng)，6個軌道平面的每個平面上分布4顆衛(wèi)星，這樣的配置使同時出現(xiàn)在地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時間和地點而異，最少為4顆，最多可達11顆。

　　GPS計劃的實施分為三個階段：第一階段為方案論證和初步設計階段（1973年～1978年），發(fā)射了4顆衛(wèi)星，建立了地面跟蹤網(wǎng)并研制了地面接收機；第二階段為全面研制和實驗階段（1979年～1984年），發(fā)射了7顆Block I實驗衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機，包括導航型和測地型接收機；第三階段為實用組網(wǎng)階段（1985年～1993年），發(fā)射了Block II和Block IIA工作衛(wèi)星（Block IIA衛(wèi)星增強了軍事應用功能并擴大了數(shù)據(jù)存儲容量）。截止到1993年，由分布在6個軌道平面內(nèi)的（21＋3）顆衛(wèi)星組成的GPS空間星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。從1973年到1993年，GPS系統(tǒng)的建立經(jīng)歷了近20年，耗資300億美元，它是繼阿波羅登月計劃和航天飛機計劃后的第三項龐大空間計劃 。

GPS系統(tǒng)組成

　　GPS系統(tǒng)主要有三大組成部分，即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設備部分。GPS的空間星座部分中24顆衛(wèi)星基本均勻分布在6個軌道平面內(nèi)，軌道平面相對赤道平面的傾角為55°，各軌道平面之間的交角為60°，每個軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星相差90°，任一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛(wèi)星超前30°。衛(wèi)星軌道平均高度為20200km，衛(wèi)星運行周期為11小時58分。每顆衛(wèi)星每天約有5個小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時間和地點而不同，可為4~11顆；GPS的地面監(jiān)控部分目前主要由分布在全球的5個地面站組成，其中包括衛(wèi)星檢測站、主控站和信息注入站。GPS的空間部分和地面監(jiān)控部分是用戶廣泛應用該系統(tǒng)進行導航和定位的基礎，均為美國所控制；GPS的用戶設備主要由接收機硬件和處理軟件組成。用戶通過用戶設備接收GPS衛(wèi)星信號，經(jīng)信號處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終實現(xiàn)利用GPS進行導航和定位的目的。

GPS系統(tǒng)定位原理

　　GPS系統(tǒng)采用高軌測距體制，以觀測站至GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測量。為了獲得距離觀測量，主要采用兩種方法：一是測量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達用戶接收機的傳播時間，即偽距測量；一是測量具有載波多普勒頻移的GPS衛(wèi)星載波信號與接收機產(chǎn)生的參考載波信號之間的相位差，即載波相位測量。采用偽距觀測量定位速度最快，而采用載波相位觀測量定位精度最高。通過對4顆或4顆以上的衛(wèi)星同時進行偽距或相位的測量即可推算出接收機的三維位置。

GPS系統(tǒng)特點

　　GPS的問世標志著電子導航技術(shù)發(fā)展到了一個更加輝煌的時代。GPS系統(tǒng)與其他導航系統(tǒng)相比，主要特點是：①全球地面連續(xù)覆蓋。由于GPS衛(wèi)星數(shù)目較多且分布合理，所以在地球上任何地點均可連續(xù)同步地觀測到至少4顆衛(wèi)星，從而保障了全球、全天候連續(xù)實時導航與定位的需要。②功能多、精度高。GPS可為各類用戶連續(xù)地提供高精度的三維位置、三維速度和時間信息。③實時定位速度快。目前GPS接收機的一次定位和測速工作在一秒甚至更少的時間內(nèi)便可完成，這對高動態(tài)用戶來講尤其重要。④抗干擾性能好、保密性強。由于GPS系統(tǒng)采用了偽碼擴頻技術(shù)，因而GPS衛(wèi)星所發(fā)送的信號具有良好的抗干擾性和保密性。

GPS系統(tǒng)作用

　　GPS系統(tǒng)的建立給導航和定位技術(shù)帶來了巨大的變化，它從根本上解決了人類在地球上的導航和定位問題，可以滿足不同用戶的需要。

????1、對艦船而言，它能在海上協(xié)同作戰(zhàn)，海洋交通管制，海洋測量，石油勘探，海洋捕魚，浮標建立，管道鋪設，淺灘測量，暗礁定位，海港領(lǐng)航等方面作出貢獻。

????2、對飛機而言，它可以在飛機進場、著陸，中途導航，飛機會合和空中加油，武器準確投擲及空中交通管制等方面進行服務。

????3、在陸地上，可用于各種車輛、坦克、陸軍部隊、炮兵、空降兵和步兵等的定位，還可用于大地測量、攝影測量、野外調(diào)查和勘探的定位，甚至可以深入到每個人的生活中去，如用于汽車、旅行、探險、狩獵等方面。

????4、在空間技術(shù)方面，可以用于彈道導彈的引航和定位，空間飛行器的導航和定位等。

　　總之，GPS技術(shù)已發(fā)展成多領(lǐng)域（陸地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS、）、多用途（在途導航、精密定位、精確定時、衛(wèi)星定軌、災害監(jiān)測、資源調(diào)查、工程建設、市政規(guī)劃、海洋開發(fā)、交通管制等）、多機型（測地型、定時型、手持型、集成型、車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式等）的高新技術(shù)國際性產(chǎn)業(yè)。GPS的應用領(lǐng)域，上至航空航天器，下至捕魚、導游和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，已經(jīng)無所不在了，正如人們所說的"GPS的應用，僅受人類想象力的制約"。

GPS政策及系統(tǒng)發(fā)展趨勢

　　雖然GPS系統(tǒng)具有以往導航定位系統(tǒng)不可比擬的許多優(yōu)點，但其所有權(quán)、控制權(quán)和運營權(quán)均屬于美國國防部。為了限制不同用戶對GPS的應用，GPS衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號含有兩種不同的測距碼，即所謂的P碼和C/A碼，因此GPS提供兩種定位服務，即精密定位服務（PPS）和標準定位服務（SPS）。PPS的主要對象是美國和盟軍的軍事部門及其他特許部門，利用P碼定位，估計其單點實時定位精度約為10m；SPS的主要對象是廣大的民間用戶，只能采用調(diào)制在一種載波頻率上的C/A碼定位，且無法利用雙頻技術(shù)來消除電離層折射的影響，估計其單點定位精度約為400m。但在GPS研制初始階段的多次試驗表明，實際定位精度遠遠高于預測值，利用C/A碼的定位精度可達14m，利用P碼的定位精度可達3m。這個出人意料的情況促使美國軍方認真評估民間用戶及其他非特許軍事用戶使用C/A碼定位給美國帶來的可能影響。于是在1983年5月根據(jù)里根總統(tǒng)的命令將GPS從單純軍用轉(zhuǎn)為軍民共用后又在1984年確立了保護美國國家安全的兩大政策，即防止敵對勢力對P碼信號進行干擾的AS（Anti-Spoofing）政策和降低C/A碼定位精度的SA（Selective Availability）政策。在考慮限制C/A碼定位精度的SA政策初期，曾經(jīng)確定采用C/A碼的定位精度為500m，后來考慮到民事用戶的實際需要，最后確定其定位精度為100m，并從1991年7月1日開始對所有的在軌衛(wèi)星全部實施SA技術(shù)。

　　采用SA技術(shù)后使C/A碼的實時定位精度大大降低，嚴重地影響了GPS系統(tǒng)定位服務的國際可接受性，許多潛在的民間用戶迫切要求改善定位精度。在此背景下，差分GPS（DGPS）定位、載波相位等技術(shù)應運而生并飛速發(fā)展。與此同時，GPS平行系統(tǒng)的出現(xiàn)，如前蘇聯(lián)的GLONASS系統(tǒng)，使美國政府感到了壓力，為了加強GPS的世界領(lǐng)導地位，美國政府醞釀了GPS現(xiàn)代化計劃，基本方針是在強化軍用PPS服務的同時改善民間SPS服務，努力擴大民用市場。SPS服務的改善主要有三個途徑：①發(fā)展利用差分定位原理的廣域增強系統(tǒng)（WAAS）和本地增強系統(tǒng)（LAAS）；②4～10年內(nèi)取消SA政策，恢復精度；③增發(fā)第二民用頻率，解決電離層延遲誤差對系統(tǒng)定位精度的影響。綜上所述，美國的GPS政策具有雙重性，既要鼓勵國際應用，又不能失去軍事優(yōu)勢。我們可充分利用這一特點，結(jié)合實際合理利用GPS這一國際共享的信息資源為我國的經(jīng)濟建設服務。

典型GPS應用系統(tǒng)介紹

　　由于GPS的應用非常廣泛，下面僅以我們實驗室正在研究的兩個應用系統(tǒng)進行介紹。

????1、基于GPS技術(shù)的車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)是將GPS技術(shù)、地理信息技術(shù)（GIS）和現(xiàn)代通訊技術(shù)綜合在一起的高科技系統(tǒng)。其主要功能是將任何裝有GPS接收機的移動目標的動態(tài)位置（精度、緯度、高度）、時間、狀態(tài)等信息，實時地通過無線通信網(wǎng)鏈傳至監(jiān)控中心，而后在具有強大地理信息處理、查詢功能的電子地圖上進行移動目標運動軌跡的顯示，并能對目標的準確位置、速度、運動方向、車輛狀態(tài)等用戶感興趣的參數(shù)進行監(jiān)控和查詢，以確保車輛的安全，方便調(diào)度管理，提高運營效率。本系統(tǒng)應用廣泛，特別適合對公安、銀行、公交、保安、部隊、機場等單位對所屬車輛的監(jiān)控和調(diào)度管理，也可應用于對船舶、火車等的監(jiān)控。

　　到目前為止，我們已為交通銀行北京分行、北京公交總公司、南寧工商銀行等多家單位建立了各自的監(jiān)控系統(tǒng)，取得了可觀的社會效益和經(jīng)濟效益。

????2、基于GPS技術(shù)的智能車輛導航儀

　　該裝置是安裝在車輛上的一種導航設備。它以電子地圖為監(jiān)控平臺，通過GPS接收機實時獲得車輛的位置信息，并在電子地圖上顯示出車輛的運動軌跡。當接近路口、立交橋、隧道等特殊路段時可進行語音提示。作為輔助導航儀，可按照規(guī)定的行進路線使司機無論是在熟悉或不熟悉的地域都可迅速到達目的地；該裝置還設有最佳行進路線選擇及路線偏離報警等多項輔助功能。

　　總之，GPS在我國的應用方興未艾，相關(guān)領(lǐng)域的科技工作者應及時行動起來，將該技術(shù)應用到各自領(lǐng)域，最大限度地為促進我國經(jīng)濟的發(fā)展服務。