浅谈全球卫星导航定位技术的原理及应用论.doc

浅析全球卫星导航定位技术原理及应用一、前言导航定位的需求，可以说不是历来就有的，在人类早期物质生产活动中以牧猎为主，日出而作，日落而息。当时人们离不开森林和水草，或是随着水草的兴衰而漂泊不定，根本不需要什么明确的定位。但是，随设社会的发展，到了农业时代，在人们开发农田，兴修水利等相应活动中就逐渐产生了测绘定位的需求，可以说在这时，导航定位就在慢慢酝酿之中。等到了工业时代，人类的活动遍及全球，而一些工程比如航海、航空、洲际交通工程，通信工程，矿产资源勘探工程，地球生态及环境变迁的研究，就需要精确地定位。这些需求促使导航定位技术的发展，并把这项技术带到一个前所未有的发展时期，它的手段也从光学机械过渡到光电子精密机械仪器的时代。社会是不断发展的，科技是不断进步的，20世纪末，出现了电子计算器技术、半导体技术、激光技术、航天科学技术，它们的出现，把人类带到了电子信息时代和航天探索时代。当1957年前苏联发射了人类第一颗人造地球卫星，人类跟踪无线电信号中发现了卫星无线电信号的多普勒频移现象，这预示着一种全新的天空定位技术的可行性，由此，人类进入了卫星定位和导航的时代。二、简介1：全球卫星导航定位系统（global navigation and positioning satellite system） 采用极轨道星座和无源定位方式为美国提供全球覆盖的导航及定位系统。简称GPS。其轨道高度约为2104 km，在6条轨道上运行有24颗卫星，每12 h绕地球一周，能保证地球上任何地点的用户都能至少同时看到4颗卫星。它属于非静止卫星定位系统。移动用户利用导航定位接收机来接收4颗（或4颗以上）卫星的导航定位信号，并测量不同信号的到达时间，求出移动用户的三维空间坐标，自动给出经度和纬度显示，从而实现用户的自主定位。也可通过无线传输手段将用户定位信息传送到调度中心，实现对移动用户的调度控制。GPS向用户广播的导航信号为双频，分别为1 575.42MHz 和1 226.60MHz。采用多种直接序列扩频码的码分多址和伪码测距技术。直接序列扩频码主要有P码和C/A码。P码的定位精度高，三维精度可达5 m之内；C/A码定位精度较低，三维精度在50m内。目前C/A码是对民用免费开放的。因为它是无源定位系统，移动用户的数量没有限制。2：全球定位系统（Global Positioning System）简单地说，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。这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。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。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。 3：卫星导航系统顾名思义，就是“全球卫星导航系统”。主要采用最新GPS技术在导航通讯领域的最新应用系统。卫星导航全球性大众化民用,刚刚开始，有百种应用类型。卫星导航的生命期至少还有50年，GPS概念的提出已有三十年，真正应用只有十来年，现在GPS现代化，GPS III新阶段，延续到2020年。GPS国际协会已统计出GPS的117种不同类型的应用。蜂窝通信的集成和汽车应用还是当前最大的两个市场。 卫星导航系统已经在大量应用中广泛使用，而且总的发展趋势是为实时应用提供高精度服务。三、原理1：全球定位系统（Global Positioning System）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。 2：卫星导航系统24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。 由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程式，解出观测点的位置(X,Y,Z)。考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程。 事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一组用作定位，从而提高精度。 四、应用1：在大地测量、工程测量中的应用：由于GPS系统具有精度高、速度快、费用省、操作简便，现今建立大地及工程控制网基本上是采取GPS定位技术，取代了常规手段。国家A级和B级GPS大地控制网分别于1996年和1997年建成并交付使用，A级网，30个点组成，其水平方向的重复精度达2108，垂直方向不低于7108。B级网由800个点组成，其精度也分别好于4107和8107。国家A、B级网以其特有的高精度把我国传统大地网进行了全面改善和加强，从而克服了传统大地网的精度不均匀，系统误差较大等传统测量手段不可避免缺点，这一高精度三维空间大地坐标系的建成将为我国21世纪前10年的经济和社会持续发展提供基础测绘保障。据报道在三峡二期工程施工中采用GPS定位技术建立施工控制网，取得很好的效果，可以满足其相应的精度要求；在青藏铁路的建设中，从勘测到施工均采用了GPS定位技术，都取得了很好的效果。为了在测绘领域充分利用这一新技术，国家测绘局专门颁布了全球定位系统（GPS）测量规范。2：在地籍和房产测绘中的应用：地籍及房地产测量是精确测定土地权属界址点位置，同时测绘大比例尺地籍平面图和房产图并量算土地和房屋面积，供土地和房产管理部门使用。常规方法通常是先布设或加密控制点，然后依据这些点，测定地物点和地形点在图上的位置并按照一定的规律和符号绘制成平面图。而利用GPS定位技术，特别是采用RTK技术替代常规方法测绘地籍及房产成为可能。由于它不需要逐级布网加密，在测区只需少量的控制点即可。因此，它具有速度快，精度高且分布均匀等特点。3：在工程变形监测中的应用：我国正处在全面基础建设中，尤其是西部大开发，大型、特大型工程不断涌现，为了这些工程的正常、安全地运行，必须对它进行变形监测和安全预报，工程变形监测通常要达到毫米或亚毫米级的精度，武汉测绘科技大学做了这方面的试验，试验结果证明GPS定位技术用于各种工程变形监测是可行的。隔河岩水电站大坝外观变形GPS自动化监测系统，整个系统全自动，应用广播星历12小时GPS观测资料解算的监测点位，水平精度优于1.5mm，垂直精度优于1.5mm，6小时的GPS观测资料解算，水平精度、垂直精度均优于1mm。4：在资源勘察方面的应用：矿产资源勘查、矿区范围的划定、矿体规模的测定等都需要进行定点测量。以往的地质测量工作主利用传统手段如经纬仪、全站仪等测量仪器进行人工测量，然后在室内整理计算得到最终结果。这样做不但工作量大，浪费大量的人力、物力，且测量结果精度还较低。时间周期也长，不能及时反映矿产资源的实际现状。黑龙江省国土资源厅在哈尔滨市、大庆市、佳木斯市进行了试验性工作，建立和使用GPS2000系统，开展各市的矿产资源勘察动态管理工作，减少矿区范围界限定位误差，提高对地矿资源的有效管理，取得了较好的成果。5：航海、航空方面 欧洲的Galileo便是新建的全球导航星座，它与GPS配合起来，可以大大提高导航卫星的可用性，使单一的GPS市区可用性从55%提高到GPS/Galileo共用时的95%。GPS技术建立广域增强系统(WAAS)逐步代替原先的微波着陆/仪表着陆系统，美国的WAAS系统计划在2003年下半年运营，地面改正数据可以通过静地卫星转发给飞机。卫星导航接收机广泛地用于海上行驶的各类船只，DGPS则广泛地用于沿岸与进港，以及内河行驶的船只，精度可达到2-3m。在卫星导航接收机与无线通信手段集成后，该系统便成为一个位置报告系统和紧急救援系统。许多渔船将GPS与雷达和鱼探器结合在一起，产生明显的经济效益。6：其他方面 卫星导航接收机可与无线电通信机结合，这种融合产生的意义是非常深远的。实际上，这是移动计算机(PDA)、蜂窝电话和GPS接收机的系统集成和完美整合。消费娱乐 徒步旅行者、猎人、越野滑雪者，野外工作人员和户外活动者现在常应用袋式GPS定位器，配上电子地图，可以在草原、大漠、乡间、山野或无人区内找到自己的目的地。还有在车辆监控管理、汽车导航与信息服务等也有广泛的应用。五、发展1：卫星系统的更新与多个卫星定位系统共存，将明显改善卫星导航定位的精度和可靠性。2：双频高精度测地型接收机将继续高度垄断在几个技术领先的GPS厂家手中，美国将继续保持其绝对优势。3：单频测地型接收机和导航接收机OEM板产业将扩散到世界各地，虽是低档次的GPS产品，但用途广、用户多、市场大。美国把GPS单频OEM板的生产技术转让出口，因而推动了世界各地企业投资GPS OEM的生产。4：陆地导航定位产品将成为发展最快的GPS产业。附录:星基导航定位系统 、苏联的第一颗人造地球卫星 原苏联于1957年10月4日成功发射了世界上第一颗人造地球卫星，这颗卫星的发射在证明人类在空间技术领域又取得重大突破的同时，它主要是用于科学研究和空间考察，包括空间各类信息的采集，跟踪、定轨、通讯、卫星性能考查等实验。当该卫星发播信号时，它作为一个已知的空间信号源，为人类获取相关的信息资源，开展测距、定位、导航研究搭建了一个世界共享的技术平台。可以说，它是星基导航技术的启明星。 、美国的GPS 尽管TRANSIT在导航技术的发展中具有划时代的意义，但它存在观测时间长、定位速度慢（2个小时才有一次卫星通过，一个点的定位需要观测2天），不能满足连续实时三维导航的要求，尤其不能满足飞机、导弹等高速动态目标的精密导航要求。于是在六十年代中期，美国海军提出了“Timation”计划，美国空军提出了621B计划，并付之实施。但在发射了数颗实验卫星和进行了大量实验后发现各自都还存在一些大的缺陷。所以在此背景下，1973年美国国防部决定发展各军种都能使用的全球定位系统（GPS Global Positioning System）,并指定由空军牵头研制。在项目的实施中，参加的单位有美国空军、陆军、海军、海军陆战队、海岸警卫队、运输部、国防地图测绘局、国防预研计划局，以及一些北大西洋公约组织和澳大利亚。历时20多年，耗资数百亿美元，于1994年3月10日，24颗工作卫星全部进入预定轨道，GPS系统全面投入正常运行，技术性能达到了预期目的，其中粗码（C/A码）的定位精度高达20m，远远超过设计指标。GPS是现代科学的结晶，它的推广应用有力地促进了人类社会进步。 、苏联的GLONASS 1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星，1996年1月18日完成24颗卫星在轨。GLONASS的单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m.。GLONASS与GPS类似，也由星座、地面控制和用户设备三部分组成。空间星座由24颗GLONASS卫星组成，其中21颗工作卫星，3颗在轨备用卫星，分布在3个近似为园的轨道面上，每个轨道上均匀分布8颗卫星，卫星运行周期11小时15分，轨道面互成120度夹角，轨道偏心率为0.01，轨道离地高度约19390km，每颗卫星质量为1400kg，这样的分布可以保证地球上任何地方任一时刻都能收到至少4颗卫星的导航信息；GLONASS卫星上装备有高稳定度的铯原子钟，星载设备接收地面站的导航信息和指令，对其进行处理，生成导航电文向用户广播和控制卫星在轨的运行。地面监控部分包括位于莫斯科的控制中心和分散在俄罗斯整个领土上的跟踪控制站网，负责搜集、处理GLONASS卫星的轨道和信号信息，向每颗卫星发射控制指令和导航信息，实现对GLONASS卫星的整体维护和控制。用户设备通过接收GLONASS卫星信号，测量其伪距或载波相位，结合卫星星历进行必要的处理，便可得到用户的3维坐标、速度和时间。、我国的北斗卫星导航系统 GPS是美国军方控制的军民共用系统，目前对世界开放，我们中国也可以免费接收GPS信号，但美国人并不承诺保证你的使用，他可以随时收费和对你关闭系统，尤其是在战时。因此，“中国也必须要有自己的卫星定位系统”。所以我国于“九五”立项，其工程代号为“北斗一号”。2003年5月25日，我国在西昌将第三颗“北斗一号”