全球定位系统的应用、发展与未来

1、全球定位系统的应用、发展与未来摘 要:本文主要阐述了 GPS系统的发展历史、组成原理及应用情况，对全球及我国卫星导航定位行业的市场现状进行 了初步分析，比较了 GPS和格洛纳斯、伽利略及北斗系统的特点与差异，最后对全球定位系统的未来进行了展望。关键词：GPS格洛纳斯 伽利略 北斗定位系统 GNS旳场调查GPS应用The Application, Development and Future of Global PositioningSystemAbstract: This paper outlines the historical status, compositing and applica

2、tion of the GPS system. Analyse the market of the satellite navigation and positioning on global and China. Compared among the GPS, GLONASS,GALLEO and Beidou,System. At the end of this article, prospect the future of global positioning system.Key Words: GPS GLONASS GALLEO Beidou GNSS market research

3、 Application of GPS1 GP系统概述GPS是英文 Global Positioning System （全球定位 系统）的简称，其中文简称为“球位系”。GPS是一种定时和测距的空间交会定点的导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速 度和时间信息。在今天，GPS作为一种先进的测量手 段和新的生产力，已融入到国民经济建设、国防建设 和社会发展的各个应用领域。1.1 GPS的发展历程1957年10月前苏联成功发射了第一颗人造卫星 后，美国海军就着手卫星定位方面的研究工作，产生 了子午卫星导航系统（NNSS）。该系统又称多普勒卫星 定位系统，它是58年底由美国

4、海军武器实验室开始研 制，于64年建成的海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System）。这是人类历史上诞生的 第一代卫星导航系统。子午卫星导航系统由卫星网、地面跟踪站、计算 中心、注入站、美国海军天文台和用户接收设备六部 分组成。其定位原理是通过测定同一颗卫星不同间隔 时段其信号的多普勒效应，从而确定卫星在各时段相 对观察者的视向速度和视向位移；再利用卫星导航电文所给定的不同时刻的卫星空间坐标，结合对应的视向位移则可解算出测站空间坐标。子午卫星导航系统将导航和定位技术推向了一 个新的发展时代，在各领域都得到了广泛的应用，并 显现出了巨大的优越性。但由于其

5、自身存在的定位时间过长、无法测量高度、定位精度偏低等缺陷，使得 该系统服役不久，就迫使美国国防部不得不着手研究 第二代的卫星导航系统 一一全球定位系统（GPS ）。*指导老师：马磊 学生姓名：郑鹤 学号：20082110GPS计划经历了方案论证（19741978年），系 统论证（19791987年），试验生产（19881993年） 三个阶段，总投资300亿美元。论证阶段发射了11颗Block I型GPS实验卫星（设计使用寿命为 5年）；在 试验生产阶段发射了28颗Block n型和Block n A型GPS工作卫星（第二代卫星的设计使用寿命为7.5年）;第三代改善型 GPS卫星Block n

6、R和Block川型GPS工 作卫星从90年代末开始发射，计划发射 20颗，以逐步 取代第二代GPS工作卫星，改善全球定位系统。1.2 GPS系统的组成GPS系统由空间部分、控制部分和用户部分组成。空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗 备用卫星），它们位于距地表 20200km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° 卫星运行周期为11小时58分。卫星通过天顶附近时可 观测时间为5小时，在地球表面任何地方任何时刻高 度角15度以上的可观测卫星至少有 4颗，平均有6颗， 最多达11颗。图1 GPS系统空间部分模型地面控制系统由五个监控站、三个地面天

7、线所组 成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市（ColoradoSpring）。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息，并 计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。地面天 线则主要负责将主控站推算和编制的卫星星历、导航 电文、控制指令注入相应的卫星的存储系统，并监测 GPS卫星注入信息的正确性。用户部分有静态接收机和低、中、高动态接收机， 用来满足不同用户的工作需求。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从而分析计算出用户所在地理位置的 经纬度、高度、速度、时间等信息。1.3 GPS系统的定位原理理论上通常需要用从 3颗不同卫星取得的测量 值来计算用户的3维模型

8、位置，既可以是直角坐标也可以是大地系统。但由于接收机内部时标精度低，接收机时钟与GPS时钟运行有偏差， 因此要实现导航与 定位，实际上要观测四顿卫星。GPS定位的基本原理是根据咼速运动的卫星瞬 间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会 的方法，确定待测点的位置。 如图所示，假设t时刻在 地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到 达接收机的时间t,再加上接收机所接收到的卫星星 历等其它数据可以确定以下四个方程式。粘-沖乂曲-心+JciW临Hi| 沁沖y产+ 卧暂”3灯钳代匕I； I1 卧乎丁心円力 U图2 GPS定位原理1.4 GPS系统的特点全球定位系统的主要优点：1. 可以任

9、意选定测点，不要求地面测点间相互 通视。2. 可以直接确定测点的三维矢量分量。3. 可以在任何气象条件下全天候观测。4. 可以提供连续测量值，有利于检测结构变形。5. GPS的作业速率比常规测地方法快 20倍。6. 操作简便，不需要熟练的技术人员就能操作。 随着GPS系统在社会生活中越来越广泛的应用，GPS技术也已日趋成熟。但 GPS系统本身仍然存在着 许多致命缺陷，如：信号抗干扰能力不足；军用的国 家安全及保密要求与民用精度要求互相冲突；部分 GPS星座即将失效；三位测量精度不一致等。1.5差分GPS简介差分 GPS ( DGPS, differential GPS-DGPS )就是 首先利

10、用已知精确三维坐标的差分 GPS基准台，求得 伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事 后发送给用户(GPS导航仪)，对用户的测量数据进 行修正，以提高GPS定位精度。根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分 GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位 差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是 由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果 进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发 送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。2 GP系统的应用GPS系统的早期应用主要集中在军事设备的导 航方面，如坦克、战斗机、潜水艇等。2000年美国克林顿政府取消禁令，开启了 G

11、PS从军用转入民用的大 门。当商用接受机 WM101、WM102面世以后，GPS 的应用扩展到各种民航设备、车辆导航、地震勘测以 及大地测量定位等方面。2.1 GPS系统的应用领域1. GPS连续运行站网和综合服务系统的发展由全球GPS连续运行站(200个左右)所组成的 ICG (International GPS Service)，是 GPS连续运行站 网和综合服务系统的典范。它无偿向全球用户提供 GPS的各种信息，如GPS精密星历、IGS站坐标及其运 动速率、IGS站所接受的GPS信号数据等。这些信息 在大地测量和地球动力学方面支持了无数的科学项 目，包括气象、参考框架、精密时间传递、地壳

12、运动 等。2. GPS应用于电离层、对流层监测GPS在监测电离层方面的应用，也是GPS空间气象学的开端。太空中充满了等离子体、宇宙线粒 子以及各种波段的电磁辐射，由于太阳常在1秒钟内抛出百万吨量级的带电物，电离层由此受到强烈干扰， 这是气象研究学的一个研究对象。通过测量电离层对GPS讯号的延迟来确定单位体积内总自由电子含量(TEC)，以建立全球的电离层数学模型。在GPS应用于对流层的研究中，IGS通过 德国GFZ的“ IGS对流层比较和协调中心”提供的每两小 时的对流层天顶延迟系列就象是控制点，对于区域性或局域性的对流层研究来说，可以起到对流层延迟绝 对值的标定作用。3. GPS作为卫星测高仪

13、的应用多路径效应是GPS定位中的一种噪音，至今仍是 高精度GPS定位中一个很不容易解决的“干扰”。过 去几年利用大气对GPS信号延迟的噪声发展了 GPS大 气学，目前也正在利用 GPS定位中的多路径效应发展 GPS测高技术，即利用空载GPS作为测高仪进行测高。 它是通过利用海面或冰面所反射的GPS信号，求定海面或冰面地形，测定波浪形态，洋流速度和方向。通 常卫星测高或空载测高测的是一个点，连续测量结果在反向面上是一个截面，而 GPS测高则是测量有一定 宽度的带，因此可以测定反射表面的起伏(地形)。据报告，试验时在空载平面安装 2台GPS接收机，1台天线向上用于对载体的定位，1台天线向下，用于接

14、收GPS在反射面上的讯号。4. 卫星一卫星追踪技术卫星对卫星的追踪（SST）技术的实质是高分辨率 的测定2颗卫星间的距离变化，一般它分为两类，即 高低卫星追踪和低低卫星追踪。前一类是高轨卫星 （如对地静止卫星，GPS卫星等）追踪低轨（LEO）卫星或 空间飞行器，后一类是处于大体为同一低轨道上的2颗卫星之间的追踪，2颗卫星间可以相距数百千米， 这两类SST技术都将LEO卫星作为地球重力场的传感 器，以卫星间单向或双向的微波测距系统测定卫星间 的相对速度及其变率。这一速度的不规则变化所反映 的信息中，就包含了地球重力场信息。 卫星轨道愈低， 这一速度变化受重力场的影响愈明显，所反映重力场的分辨率也

15、愈高。5. GPS在日常生活中的应用随着通讯技术的发展和 GPS产品的普及，各种手 持GPS导航产品已越来越多地进入人们的生活中。这 类产品主要是利用GPS系统的定位导航功能，在测绘、 数据采集、精细农林业、位移监测，航空、航海、汽 车导航，登山、远足的手持 GPS终端产品等领域发挥 着重要的作用与价值。图3 GPS导航仪图4全球GNSS市场产业值及增长率2. 中国卫星导航定位行业我国的卫星导航定位应用市场相对起步较晚，但发展十分迅速。目前，我国卫星导航定位应用市场以 消费应用为基础，专业市场应用领域正逐步扩展和深 入。近几年，随着物流业的兴起、运输成本的增加、 社会治安的严峻性、 交通事故的

16、频出等一系列问题的 出现，数码化产品的日益流行刺激了消费市场，从而 引发了 GPS类产品发展的高潮。据日本一家研究机构 较为保守的预测：到2007年，中国至少将有60万辆汽 车装备导航设备，导航设备将呈现高、中、低档并存， 价格从万元到数千元不等的局面，产值至少超过 200 亿元人民币。矢野经济研究所发布的一份“006年中国车载导航和远程通信市场调查”结果显示，2005年车载导航及PND （个人导航设备）的市场规模为 9万 部，而2008年北京奥运会及2010年上海世博会将使得 公交车及商务车等汽车和手机导航配置率大幅提高， 预计2015年导航市场将达到260万部的规模。2.2 GPS产业的市

17、场现状GPS作为最早也是目前最为成熟完善的全球卫 星导航定位系统，其发展历程也代表了全球卫星定位 导航航行业的发展。自2000年美国政府取消禁令，使 GPS从军用转入民用，全球卫星定位导航行业得到了 飞速发展。1. 全球卫星导航定位行业近年来，随着消费者生活水平的提高和环保意识 的增强，对目的地及周边环境的精准查询需求带动了 GPS导航产品市场的繁荣。据相关统计，欧美国家导 航设备普及率达到90%，日本更是超过了 95%。在3G 时代来临之际，人们对 GPS电子地图的关注度居高不 下；而在导航方面，交通信息频道（TMC ）的诞生和应用，也将成为GPS增长的动力之一。据统计，2001-2008年

18、全球GNSS应用市场规模平 均增长率为24.5% , 2009年全球GNSS应用市场规模达 到665亿美元，比2008年增长16%。年份增长速率/%产值/亿元20008.62001145.321.1200287.239.5200377.770.2200429.290.7200534.1121.6200646.8178.5200718.8265.6200850.0398.4200947.2586.63 其它卫星定位系统3.1俄罗斯“格洛纳斯”系统“格洛纳斯GLONASS ”是俄语中“全球卫星导 航系统 GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTE 的缩写。最早开发于苏联时期

19、，后由俄罗斯继续该计 划。俄罗斯于1993年开始独自建立本国的全球卫星导 航系统。按计划，该系统将于 2007年年底之前开始运 营，届时只开放俄罗斯境内卫星定位及导航服务。到 2009年年底前，其服务范围将拓展到全球。该系统主表1我国GNSS市场产值及增长速率 要服务内容包括确定陆地、海上及空中目标的坐标及 运动速度信息等。格洛纳斯的正式组网比 GPS还早，于20世纪70年 代开始研制，1982年发射首颗卫星入轨。不过苏联的 解体让格洛纳斯受到很大影响，正常运行卫星数量大减，甚至无法为俄罗斯本土提供全面导航服务。到了 21世纪初随着俄罗斯经济的好转，格洛纳斯也开始恢复元气，推出了格洛纳斯-M和

20、更现代化的格洛纳斯-K 卫星更新星座。格罗格斯由卫星星座、 地面监测控制站和用户设 备三部分组成。目前该系统在轨卫星总数为26颗，其中20颗正常工作，4颗正接受技术维护，另有 2颗处于 预备役”状态。3.2欧洲“伽利略”系统伽利略系统是欧洲自主独立的全球多模式卫星 定位导航系统，提供高精度、高可靠性的定位服务， 同时它实现完全非军方控制和管理，是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统。伽利略计划耗资约27亿美元，实际耗资约50亿欧 元。系统由30颗卫星组成，其中27颗卫星为工作卫星， 3颗为候补卫星，卫星高度为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内，该系统除了 30颗中高度圆轨

21、道卫星外，还有2个地面控制中心。Galileo为其用户提供五种服务，这就是：公开服 务(OS)，与SPS相类似，免费提供；生命安全服务 (SOLS);商业服务(CS);公共特许服务(PRS);以及 搜救(SAR)服务。以上所述的前四种是伽利略的核心 服务，最后一种则是支持 SARSAT的服务。伽利略服 务不仅种类多，而且独具特色，它能提供完好性广播； 服务的保证；民用控制；局域增强。伽利略系统的组成与GPS相比增加了环境段，既 空间段、环境段、地面段和用户段。它的总体思路具 有四大特点：自成独立体系；能与其它的GNSS系统兼容互动；具备先进性和竞争能力；公开进行国际合 作。2008年4月，欧盟

22、立法机构欧洲议会通过伽利略 计划的最终部署方案， 为伽利略的发展铺平道路，标志着为期6年的伽利略计划基础设施建设阶段正式启 动。3.3中国“北斗”系统“北斗一号”系统是我国自行研制的区域性有源 三维卫星定位通信系统。该系统可以对我国领土、领 海及周边地区的各类用户进行定位和实时授时，并可以实现各个用户之间、用户与中心控制站之间的间短 报文通信。2000年中国“北斗”导航系统建成运行，成为继 美国、俄罗斯之后世界第三个拥有自主卫星导航系统 的国家。目前北斗系统已经有9颗卫星升空。与GPS系统不同的是，北斗除了定位之外，还支持卫星通讯 功能，应用上更加广泛。和通过被动接受卫星信号的 GPS相比，北

23、斗采用区域性自主定位，既需要向卫星 发送信号，用户才能知道所在的位置。由于存在通讯 的来往，使得“北斗一号”的应用存在带宽和频度的 限制，导致其覆盖面积较小、定位精度较低、用户数 量也受到一定限制。但可全天候、全天时提供区域性 有源导航定位，还能进行双向数字报文通信和精密授 时，是其独特优势。表2四大全球定位系统比较卫星导航系统GPS系统格洛纳斯 系统伽利 略系北斗系 统卫星数量24颗24颗30颗35颗定位精度5米1015米小于110米系统进展1994年 GPS系统 已布设完 成。现在 正在研制第二代GPS系统全部部署 到位米现在 伽利 略系 统正 在建 设中已发射9 颗卫星，满足中 国及周 边地区 用户需 求研制国家美国俄罗斯欧盟中国4 全球定位系统的未来GPS系统虽具有种种优点并已被广泛应用于各 个领域，但仍存在着许多问题。如在伊拉克战中得到 放大的GPS在抗电子干扰方面的缺陷；由于是被动式 导航定位系统，缺少通信链而无法满足航管、搜索、 营救等工作需求的问题；由于波段限制，水下无法接 受GPS信号的问题；以及军民两用产生的矛盾等。