GPS技術

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     GPS又稱為全球定位系統(tǒng)（Global Positioning SystemGPS）是美國從上世紀70年代開始研制歷時20年耗資200億美元于1994年3月完成其整體部署實現(xiàn)其全天候、高精度和全球的覆蓋能力現(xiàn)在GPS于現(xiàn)代通信技術相結合使得測定地球表面三維坐標的方法叢靜態(tài)發(fā)展到動態(tài)叢數(shù)據(jù)后處理發(fā)展到實時的定位與導航極大地擴展了它地應用廣度和深度。　

  一、GPS的概念

    GPS是美國從20世紀70年代開始研制，于1994年全面建成，具有海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng)。GPS是由空間星座、地面控制和用戶設備等三部分構成的。GPS測量技術能夠快速、高效、準確地提供點、線、面要素的精確三維坐標以及其他相關信息，具有全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，廣泛應用于軍事、民用交通(船舶、飛機、汽車等)導航、大地測量、攝影測量、野外考察探險、土地利用調查、精確農(nóng)業(yè)以及日常生活(人員跟蹤、休閑娛樂)等不同領域。
 　
  
  二、GPS系統(tǒng)的組成

  GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設備部分—GPS信號接收機。

 1， GPS衛(wèi)星星座：

   由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座記作（21+3）GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個軌道平面內(nèi)軌道傾角為55度各個軌道平面之間相距60度即軌道的升交點赤經(jīng)各相差60度。每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛(wèi)星超前30度。
 
  在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星當?shù)厍驅阈莵碚f自轉一周時它們繞地球運行二周即繞地球一周的時間為12恒星時。這樣對于地面觀測者來說每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點的不同而不同最少可見到4顆最多可見到11顆。在用GPS信號導航定位時為了結算測站的三維坐標必須觀測4顆GPS[1]衛(wèi)星稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測過程中的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時甚至不能測得精確的點位坐標這種時間段叫做“間隙段”。但這種時間間隙段是很短暫的并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實時的導航定位測量。GPS工作衛(wèi)星的編號和試驗衛(wèi)星基本相同。
 　　
   2， 地面監(jiān)控系統(tǒng)：
 
   對于導航定位來說GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運動及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所播發(fā)的星歷是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設備是否正常工作以及衛(wèi)星是否一直沿著預定軌道運行都要由地面設備進行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標準—GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星衛(wèi)星再由導航電文發(fā)給用戶設備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。
 
   3，GPS信號接收機：

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

 　　GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設備即GPS信號接收機。可以在任何時候用GPS信號進行導航定位測量。根據(jù)使用目的的不同用戶要求的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、功能等來分類。

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

 　接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包構成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來說兩個單元一般分成兩個獨立的部件觀測時將天線單元安置在測站上接收單元置于測站附近的適當?shù)胤接秒娎|線將兩者連接成一個整機。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體觀測時將其安置在測站點上。

 　GPS接收機一般用蓄電池做電源。同時采用機內(nèi)機外兩種直流電源。設置機內(nèi)電池的目的在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電池的過程中機內(nèi)電池自動充電。關機后機內(nèi)電池為RAM存儲器供電以防止丟失數(shù)據(jù)。

 　近幾年國內(nèi)引進了許多種類型的GPS測地型接收機。各種類型的GPS測地型接收機用于精密相對定位時其雙頻接收機精度可達5MM+1PPM.D單頻接收機在一定距離內(nèi)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。 

  目前各種類型的GPS[2]接收機體積越來越小重量越來越輕便于野外觀測。GPS和GLONASS兼容的全球導航定位系統(tǒng)接收機已經(jīng)問世。
 　　
  三、GPS的定位原理

 GPS的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息用戶接收到這些信息后經(jīng)過計算求出接收機的三維位置三維方向以及運動速度和時間信息。
 
  四、GPS系統(tǒng)的特點

 　GPS系統(tǒng)具有以下主要特點：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應用廣泛等。

 　定位精度高應用實踐已經(jīng)證明GPS相對定位精度在50KM以內(nèi)可達10-6100-500KM可達10-71000KM可達10-9。在300-1500M工程精密定位中1小時以上觀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比較其邊長較差最大為0.5mm校差中誤差為0.3mm。

 　觀測時間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善軟件的不斷更新目前20KM以內(nèi)相對靜態(tài)定位僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時當每個流動站與基準站相距在15KM以內(nèi)時流動站觀測時間只需1-2分鐘然后可隨時定位每站觀測只需幾秒鐘。

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

 　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可同時精確測定測站點的三維坐標。目前GPS水準可滿足四等水準測量的精度。

 　操作簡便隨著GPS接收機不斷改進自動化程度越來越高有的已達“傻瓜化”的程度；接收機的體積越來越小重量越來越輕極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強度。使野外工作變得輕松愉快。
 　全天候作業(yè)目前GPS觀測可在一天24小時內(nèi)的任何時間進行不受陰天黑夜、起霧刮風、下雨下雪等氣候的影響功能多、應用廣。

 　從這些特點中可以看出GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導航還可用于測速、測時。測速的精度可達0.1M/S測時的精度可達幾十毫微秒。其應用領域不斷擴大。GPS系統(tǒng)的應用前景當初設計GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導航收集情報等軍事目的。但是后來的應用開發(fā)表明GPS系統(tǒng)不僅能夠達到上述目的而且用GPS衛(wèi)星發(fā)來的導航定位信號能夠進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間測量。因此GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應用前景。
 　　
  五、GPS的用途

   GPS最初就是為軍方提供精確定位而建立的至今它仍然由美國軍方控制。軍用GPS產(chǎn)品主要用來確定并跟蹤在野外行進中的士兵和裝備的坐標給海中的軍艦導航為軍用飛機提供位置和導航信息等。

   目前GPS系統(tǒng)的應用已將十分廣泛我們可以應用GPS信號可以進行海、空和陸地的導航導彈的制導大地測量和工程測量的精密定位時間的傳遞和速度的測量等。對于測繪領域GPS衛(wèi)星定位技術已經(jīng)用于建立高精度的全國性的大地測量控制網(wǎng)測定全球性的地球動態(tài)參數(shù)；用于建立陸地海洋大地測量基準進行高精度的海島陸地聯(lián)測以及海洋測繪；用于監(jiān)測地球板塊運動狀態(tài)和地殼形變；用于工程測量成為建立城市與工程控制網(wǎng)的主要手段。用于測定航空航天攝影瞬間的相機位置實現(xiàn)僅有少量地面控制或無地面控制的航測快速成圖導致地理信息系統(tǒng)、全球環(huán)境遙感監(jiān)測的技術革命。

   許多商業(yè)和政府機構也使用GPS設備來跟蹤他們的車輛位置這一般需要借助無線通信技術。一些GPS接收器集成了收音機、無線電話和移動數(shù)據(jù)終端來適應車隊管理的需要。

  由于多元化空間資源環(huán)境的出現(xiàn) 使得GPSGLONASSINMARSAT等系統(tǒng)都具備了導航定位功能形成了多元化的空間資源環(huán)境。這一多元化的空間資源環(huán)境促使國際民間形成了一個共同的策略即一方面對現(xiàn)有系統(tǒng)充分利用一方面積極籌建民間GNSS系統(tǒng)待到2010年前后GNSS純民間系統(tǒng)建成全球將形成GPS/GLONASS/GNSS三足鼎立之勢才能從根本上擺脫對單一系統(tǒng)的依賴形成國際共有、國際共享的安全資源環(huán)境。世界才可進入將衛(wèi)星導航作為單一導航手段的最高應用境界。國際民間的這一策略反過來有影響和迫使美國對其GPS使用政策作出更開放的調整?？傊捎诙嘣臻g資源環(huán)境的確立給GPS的發(fā)展應用創(chuàng)造了一個前所未有的良好的國際環(huán)境。

   車載GPS技術層面的發(fā)展趨勢 第一個大趨勢就是頻率分集技術（frequency diversity），實際上已經(jīng)正在第二代GPS系統(tǒng)替換老化衛(wèi)星過程中進行。完成以后，現(xiàn)代化的衛(wèi)星星座將為民用用戶提供三種新的定位信號。此外，歐洲聯(lián)盟在2002年3月啟動的“伽里略”計劃也采取了此種技術。 第二個大趨勢就是克服射頻干擾(RFI)。GPS廣播的功率特別低，一般為10到16瓦，很容易就會被周圍的射頻信號所干擾，而不能正常工作。GPS接收器將通過把接收到的測距碼與儲存在本地的復制碼的相位進行匹配來穿透噪聲。當相位一致時，接收器就能夠以定時信號作為精確的參考，因此就可以準確的定位。 第三個大趨勢就是安裝保證定位誤差小于某一個特定值的綜合機械系統(tǒng)。采用微分GPS技術，系統(tǒng)將獲得來自地球同步軌道通信衛(wèi)星的最新誤差校正信息，修正數(shù)據(jù)來自于地面參考接收器。過去GPS的誤差為2米，現(xiàn)在將更小。