全球定位系统理论与应用研究进展

1专题三 全球定位系统理论与应用研究进展一、 GPS 理论研究进展GPS 的全称是:Navigation Satellite Timing and Ranging Global positioning System。即，利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。现在，GPS 已经在全世界范围内得到了广泛的应用，在军事，农业，航海，勘探等许多领域.发挥着积极的作用。1、 GPS的发展历程 前苏联于1957 年发射的第一颗人造地球卫星开启了人类星基导航的大门, 美国人提出的“反向观测“ 设想奠定了现代全球卫星定位的理论基础。20世纪70 年代, 随着美苏军事竞争的逐步升级, 美国迫切希望拥有能够在世界范围内实施精确、快速定位和导航的高端技术, 从而掌握制空权。于是美国国防部于1973 年开始组织研制能满足陆海空三军需要的“ 导航卫星定时和测距全球定位系统( NaviGation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) , 简称GPS 全球定位系统。GPS计划的实施分为三个阶段: 19731977年为方案论证和设计; 19781988年为全面研制和试验; 1989-1994 年为组网阶段, 到1994 年3 月建成了GPS 系统。历时20 多年, 耗资200 多亿美元, 是美国继“ 阿波罗”登月飞船和航天飞机后的第三大航天技术工程。该系统是能在海、陆、空进行全方位高准确度实时定位、测速、授时的新一代卫星导航定位系统。最早的全球定位系统是“NNSS”(Navy Navigation Satellite 2System)，即海军导航卫星系统，它于 1958 年底由美国海军开始实施，于 1964 年建成，但开始时只供美国军方使用，直到 1967 年才开始提供民用，并为各国所采用，我国也于 70 年代中期引人了NNSS 定位技术。该系统的问题在于其“单星、低轨、低频测速”体制，不能满足高动态用户时导航定位的要求，也不能满足高精度的要求。因此，美国与七十年代初又开始了新的导航定位系统的研制，并于 1973 年发射了第一颗试验卫星，1989 年又发射了第一颗 GPS工作卫星，逐渐形成了现在的 GPS 定位系统。目前，世界上主要有两种卫星导航系统，即:NAVSTAR 系统和CLONASS 系统，前者属于美国国防部，而后者则是由前苏联开发的系统。通常我们所说的 GPS 系统主要是指 NAVSTAR 系统。美军的 GPS 系统是世界上目前唯一最完善的卫星导航定位系统 ,GPS 系统经过海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争 以及各种冲突的历练,已成为美军及其盟军重要的电子信息系统,GPS 系统是美军战斗力的倍增器,它在美军各项军事行动中发挥了巨大的作用,也是美军保持其全球信息优势的重要基础。2、 GPS 的原理2.1 GPS 系统组成一个完整的GPS主要由空间段、控制段和用户段三部分构成。2.1.1 空间段由分布在6个轨道面上的24颗卫星组成。卫星轨道高度20200km,倾角55度,周期12小时。卫星用L波段的两个无线电载3波向广大用户连续不断地发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任何时刻,在高度角15以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达到9颗。卫星的轨道分布保证在世界各地任何时间可见到至少6颗卫星,卫星连续向用户提供位置和时间信息。2.1.2 控制段由分布在全球的一个主控站、五个监测站和三个注入站组成。主控站位于Colorado。监测站跟踪视野内所有GPS卫星、收集卫星测距信息,并把收集的信息送到主站。主控站根据各监测站对GPS卫星的观测数据,计算各卫星的轨道参数、钟差参数等,并将这些数据编制成导航电文,传送到注入站,再由注入站将主控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器中。2.1.3 用户段由GPS接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成。GPS接收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理,再通过计算机和相应软件,经基线解算、网平差,求出GPS接收机中心(测站点)的三维坐标。2.2 GPS 定位原理所有在轨运行的GPS 卫星既是作为一系列的动态已知点、又是作为无线电信号发射台存在于空间, 它们发播的星历信号为用户提供卫星的空间坐标、轨道参数、时间、各种改正等一系列信息。接收机接收这些星历信号, 测量观测者距所选卫星的距离, 然后根据所测得距离求出观测者的坐标参数,这就是GPS 定位。GPS 定位是在4GPS 卫星的实时位置已知的前提下采用距离交会原理来实现位置的准确确定的。基本原理是: 知道未知点到已知点的距离, 未知点就必然位于以已知点为球心、两点间距离为半径的球面上; 如果已知A、B、C 三个卫星的在轨坐标, 又测出了观测站距三颗卫星的距离, 然后分别以这3 个卫星为球心, 以所测得的距离为半径画3 个球面, 则观测站就一定位于这三个球面的相交处( 若有多值解, 可通过接收方向的判断而剔除) , 从而准确地解算出观测站的位置。二、 GPS 应用情况1、 目前状况GPS 技术已发展成多领域(陆地、海洋、航空航天)、多模式(GPS,DGPS,LADGPS,WADGPS 等) 、多用途(在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、海洋开发、交通管制等)、多机型(测地型、定时型、手持型、集成型、车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等)的高新技术国际性产业。GPS 的应用领域非常广泛：（1） GPS 在军事上的应用 飞机导航 导弹制导、导弹拦截及目标精准打击 作战指挥 发射阵地快速定位 外弹道测量5（2） GPS 在地球物理和大地测量领域的应用 地球物理观测 大地测量 水土保持 地形、地籍及房地产测量 （3） 在航空航天及空间技术领域的应用（4） 在工程测试中的应用（5） GPS 在交通运输中的应用6 车辆调度指挥管理系统 车辆导航7 车辆运行状态测试弃北电 拥北斗 树铁路无线通信新旗帜作 者：葛逊据调查目前国内铁路系统所用无线通信系统为 GSM-R，技术拥有者为加拿大知名电讯设备制造商北电集团。实际上国内也有自主研发的北斗导航系统，但目前在铁路仅小规模应用，暂未被大规模推广。铁路专用通信是直接为铁路运输而设计使用的系统设施，分为铁路有线专用通信系统和铁路无线专用通信系统。对运行中的列车而言，无线通信尤其重要。GSM-R 是 2002 年铁道部引进的技术，在欧洲广泛使用。技术拥有者北电集团，当时拥有全球 GSM-R 市场 60%以上的份额。中国第一条全线应用 GSM-R 的铁路是青藏线。投资总额达 262.1 亿元的青藏铁路吸引了北电的目光，2003 年 10 月，北电向铁道部提出在青藏线进行 GSM-R 试验的方案，第二年 3 月，铁道部批准，北电出色地完成了试验，获得铁道部的好感。2006 年 5 月，铁道部与北电签署合作协议，将全国 7 个主要城市节点的 GSM-R 核心网络建设权交给北电集团，当时全国部署的 GSM-R 节点共有 19 个。双方并未透露合同金额。GSM-R 铁路无线通信系统成为国内主流已成趋势，当时铁路部提出“跨越式发展”的口号，要求在 2010 年前 GSM-R通信网络覆盖全路 70 余条干线。事实上，就在北电集团提出试验申请之前的 2003 年 6 月，国内自主研发的无线通信系统北斗导航系统就已经开始使用。但通信世界网了解到，这一系统至今都未能推广开。参与甬台温线 GSM-R 系统搭建者的主要是佳讯飞鸿和德国安弗施公司。佳讯飞鸿部署了基于 GSM-R 的 FH98-G 数字专用调度系统，该系统的主要优点之一就是“多层防雷防强电保护设计”。安弗施公司则主要负责沿途的隧道信号覆盖。8据了解有研究人员曾指出，铁路调度系统由有线和无线信号计算其速度后复合定位，精准度相对较低，在列车速度高达 200 公里以上时定位效果更差。定位不准确使得调度工作难度加大，为事故埋下隐患。北斗星通的最初想法是把北斗作为铁路的辅助通信系统。当时北斗系统刚开始使用，成本较高，因此除郑州小规模试用外并未推广。事实上，2006 年青藏铁路开通之前，青藏铁路公司已经对北斗系统进行测试，验证了卫星定位信息的适用性和可靠性。而据知情人士称，现在一套北斗终端的价格最高不超过 2 万元，低价和竞争充分反而成为其被弃用的原因之一。早在 2003 年，北斗导航系统的“铁路北斗卫星移动通讯平台”开始在郑州铁路局所属的 60 台机车上投入使用。北斗卫星导航系统是中国自行研制开发卫星定位与通信系统，与美国的 GPS、俄罗斯的 GLONASS 并列。北斗导航系统具备双向通讯功能，最高定位精度可达厘米级。国内企业中，神州天鸿和北斗星通都拥有基于北斗的铁路调度系统。2005 年7 月 31 日，长春发生列车追尾事故，造成 5 人死亡。时任北斗星通副总经理的秦加法就表示：“在地面通信系统发生事故、无法有效运行的情况下，可以用卫星导航进行通信，有效避免追尾事故的发生。”北斗系统总设计师孙家栋曾表示：“到 2015 年，北斗系统相关产值将达到 2000 亿元，2020 年将突破 4000 亿。”可见北斗系统的应用范围及其潜能将十分巨大（6）GPS 在人们生产、生活中的应用在农业领域中的应用 在林业方面的应用 在森林中进行常规测量相当困难，而GPS 定位技术可以在确定林区位置、计算可采伐木材面积、确定原始森林区域、森林火灾周边勘测、寻找水源、绘制精确的森林分布图等方面发挥独特的作用。9美国林业局用经纬仪和GPS 对同一块林区进行面积测量，结果两者仅差0.03%，这一实验证明了装备有GPS 接收系统的直升飞机沿林区周边飞行就可以对林区的面积进行符合精度要求的快速测量。GPS 技术用于森林防火已取得较好成效，美国研制的飞机+GPS 接收机+热红外观测系统，沿火灾周边飞行并记录定位信息，可快速确定火灾的准确位置和绘制周边地形图，为采取灭火措施提供准确的数据。 GPS 技术与 GIS 资源的合成应用 GIS 地理信息系统（ Geography Information System）是研究地理空间信息分布的科学技术，比如一个城市，它的地理空间中充满着庞大的各式各样的信息：名胜古迹、旅游路线、文化娱乐设施、交通信息、宾馆、医院、学校、研究机构、政府办事机构等等。利用现代技术把这些信息建成数据库，就构成了数码城市的要素，它既为二维数码城市中的地图和三维数码城市模型提供大量信息，又可与实现数码城市3D 重视的虚拟实现技术（ VR）结合而构成了数码城市。但是，GIS 的发展与应用受到地理空间点位的定位在机动性、随时随地性、实用性等因素的制约。而GPS 虽然可快速给出某一目标的准确位置，但无法提供该点周围环境的地理属性和与其相关的空间信息。如果把GPS 与GIS 结合，就可形成具有重要实用价值的数码城市系统。目前，国内外都在研发并已被实际应用。 旅游及野外考察10到风景秀丽的地区去旅游，到原始大森林、雪山峡谷或者大沙漠地区去野外考察，GPS 接收机是最忠实的向导。可以随时提供出行者所在位置及行走速度和方向，使你不会迷路。目前小巧轻便的携带式GPS接收机已经问世，最轻的才60 多克，它不仅便于出行者的携带，而且