《全球定位系统》 市赛获奖

全球定位系统

第一节概述早在六十年代航天技术发展早期，专家们从“地面上能测定卫星的位置及轨道参数”得到启发，考虑能否在已知卫星位置及轨道参数情况下，反过来确定面上某点的位置，答案是肯定的。为解决海军舰艇的定位导航问题，自1957年人类发射第一颗卫星开始，美国海军就着手卫星定位的研究，产生了子午仪卫星导航系统(Transit)，尽管子午仪卫星导航系统得到广泛应用，并显示出巨大的优越性，但在实际应用方面仍存在缺陷，如观测时间较长，定位精度不高，有经纬度，无高程。鉴于此，美国国防部制定了现在的GPS（全球卫星定位系统）方案，并于1973年开始设计、试验，1989年2月4日第一颗GPS卫星发射成功，1993年底建成实用的GPS网，即(21+3)GPS星座，开始投入商业运营。该方案耗资120亿美元，由分布在互成120度轨道平面上的24颗卫星组成，每个轨道平面平均分布6颗卫星。一、定义：GPS是利用多颗导航卫星的无线电信号，对地球表面某地点进行定位、报时或地表移动物体进行导航的技术系统。二、组成1.空间星座：由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成。2.地面监控站1个主控站：设在科罗拉多州的斯普林斯综合航天控制中心。其任务是提供GPS系统的时间基准，控制地面站组的工作。处理各监测站送来的数据，编制各卫星的星历，计算各卫星钟的钟差和电离层校正参数等，并把这些导航信息送到注入站。卫星偏离预定位置太远时，控制其轨道，把它拉回设定的位置；卫星失效时，调用备用卫星，取代失效卫星。3个注入站：分别设在马绍尔群岛的夸贾林岛、大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛。其任务是卫星通过其上空时，把导航信号注入卫星，每颗卫星每八小时注入1次。5个监测站：分别位于马绍尔群岛的夸贾林岛、大西洋的阿森松岛、印度洋的迪戈加西亚岛、科罗拉多州的斯普林斯等地。任务是在卫星过顶时收集卫星播发的导航信号，对卫星进行连续监控，收集当地的气象数据。其收集的数据均送往主控站。3.用户系统：通过GPS接收机，在任何时间、任何地点均可接收到4-11颗卫星的数据。三、目前我国可利用的定位系统1.全球定位系统GPS：由美国国防部控制，具有全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能，能为海、陆、空等各类用户提供精确的三维坐标（经度、纬度、高度）、速度和时间，且具有良好的抗干扰和保密性能。2.全球轨道导航卫星系统GLONASS（Globalorbitingnavigationsatellite)：前苏联为满足授时、海陆空定位与导航、大地测量与制图、生态监测研究等建立的。

1982~1987年间，共发射了27颗GLONASS。该系统由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，以保证任何时刻、任何地点至少可同时观测5颗卫星。3.双星导航定位系统，又称无线电测向卫星业务(RDSS)系统。是我国研制的导航和个人通信技术结合的卫星定位系统。它由两颗太空卫星（“北斗”1、2号）、控制站和接收机组成。RDSS是一个区域性的具有全天候、高精度的定位和通信功能的快速实时系统。四、GPS的功能1.防盗功能：当车主离开车辆，车辆处于安全设防状态时，如果有人非法开启车门或发动车辆，车辆会自动报警，此时车主手机、车辆监控中心同时收到报警电话，不劳车主费脑伤神，监控中心的值班人员会立即联系110报警；且车辆自动启动断油、断电程序。2.反劫功能：车开到郊外，如果遇到几个悍匪劫车，也不再是孤军奋战。在GPS系统支持下，车主只要按下报警开关，车辆会向监控中心发出遇劫报警。如果报警开关被悍匪发现并遭到破坏时，遭破坏的系统能自动发出报警信号，监控中心便立即启动实现自动跟踪系统，立刻将车辆的位置信息反馈给110，以便对车主进行及时营救。3.导航功能：即电子地图功能。车主只要输入起点和终点，该系统便立即将两地之间的最佳捷径指给车主。可惜的是这项技术目前在中国短期内还是一种概念。据说，中国一汽等企业已开始着手研发自主导航系统，因此车主有理由相信不久的将来可发挥GPS的导航作用。

五、GPS的发展情况

1978年2月22日第一颗GPS试验卫星的入轨运行，开创了以导航卫星为动态已知点的空间无线电导航定位的新时代。

GPS系统于1994年建成；

GLONASS系统于1995年建成；

北斗卫星导航系统于2000年建成；

Galileo卫星导航定位系统，计划2008年投入运行。

多系统融合的全球卫星导航系统（GlobalNavigationSatelliteSystem----GNSS）时代已到来。GPS现代化第一阶段

发射12颗改进型的GPSBLOCKⅡR型卫星，其新功能是：能发射第二民用码，即在L2上加载C/A码；在L1和L2上播发P（Y）码的同时，在这两个频率上还试验性的同时加载新的军码（M码）；无论在民用通道还是在军用通道上，BLOCKⅡR型卫星的发射功率都有很大提高，增强了可靠性。GPS现代化第二阶段

发射6颗GPSBLOCKⅡF（“ⅡFLite”）。除有GPSBLOCKⅡR型卫星的功能外，进一步强化M码的功率和增加发射第三民用频率，即L5频道。第一颗的发射不迟于2005年。到2008年在空中运行的GPS卫星中，至少有18颗ⅡF型卫星，以保证M码的全球覆盖。到2016年GPS卫星系统应全部以ⅡF卫星运行，共计24+3颗。GPS现代化计划的第三阶段

发射GPSBLOCKⅢ型卫星。在2003年前完成设计工作。目前正在研究未来GPS卫星导航的需求，讨论制定GPSⅢ型卫星系统结构，系统安全性、可靠程度和各种可能的风险，计划在2008年要发射GPSⅢ的第一颗实验卫星。用近20年的时间完成GPSⅢ计划，取代目前的GPSⅡ。GPSⅢ布设后，在天空运行的卫星多达30颗。第二节GPS定位一、测距方法测距通常可用几何测距和物理测距两种方法。几何测距是通过将待测距离和标准长度（铟钢长度、钢卷尺等）进行几何对比来实现，这方法不能用于GPS。物理测距是通过测定测距信号的传播时间来间接测定距离的，又分为主动的和被动的两种。GPS是利用测距码来测定距离的。测距码是一种周期性的按照某种特定规律编排起来的二进制代码。GPS卫星的测距码有粗码（C/A码）和精码（P码）两种。二、实时定位误差源：卫星星历误差、电离层延迟、对流层延迟、接收机和卫星钟的钟误差。三、坐标系GPS采集的是WGS84坐标数据，该坐标系以地球质心为坐标原点，坐标方向与BIM（国际时间局）地极方向一致。中国的地形图多以北京54坐标数据为主，该坐标系以克拉索夫斯基椭球为基础，经局部平差后产生的坐标系。四、GPS定位GPS定位方法按参考点的不同位置可分为绝对定位（单点定位）和相对定位两种。五、现GPS接收机接收信号的情况

（1）2000年5月1日零点开始将SA信号强度降为零，停止SA的播放。将使民用实时定位和导航的精度提高3～5倍。

(2)在L2频道上增加第二民用码,即C/A码。这样用户就有更好的多余观测,以提高定位精度,并有利于电离层的改正。

(3)增加L5民用频率。这有利于提高民用实时定位的精度和导航的安全性。六、国内GPS站网定位技术发展概况

1、国家测绘局己在长春、北京、乌鲁木齐、拉萨、西安、武汉、上海、昆明等地建立了8个GPS跟踪站，常年连续运行。2、武汉大学测绘学院已建立广域差分示范站，常年连续运行，开展常规差分、广域差分和实时及事后精密定位服务。3、由中国地震局牵头，已建成遍布全国的25个长年连续观测的GPS基准站，平均站距800km。

4、交通部海监局在沿海（从鸭绿江口到南沙部分区域、覆盖我国沿海港口、重要的水域)已建有20个连续运行GPS差分站。

5、总参系统还有若干个连续运行GPS基站6、深圳市已建立(2003年9月通过验收)由5个GPS基站组成的连续运行系统。7、香港于2002年建立了由12个基站组成的GPS连续运行系统，基准站间距为10-15公里，从而保证厘米级的实时定位精度。8、上海市建立了由14点组成的GPS连续运行系统，与GPS气象研究结合。9、北京市正在建由28个基站组成的GPS连续运行系统，预期实时定位精度为米级、分米级、厘米级，事后定位精度为毫米级。深圳市连续运行卫星定位导航服务系统结构及通信网络示意图市话网市话网市话网市话网市话网市电信局监控分析中心卫星定位信号发射台FM电台基准站1基准站2基准站3基准站4基准站5进入移动电话系统用户用户全向天线定向天线Modem

七、全球实时GPS差分系统

这是使用先进的StarFire™网络(国际海事卫星广播)和NavCom全球差分GPS系统，在南北纬76度之间的任何时候、任何地点，无需架设基准站，只需拥有一台GPS接收机就能在全球完成分米级定位精度的实时GPS差分。该系统于1999年4月开始运行以来，具99.99%的联机可靠性，真正覆盖全世界。又简称为RTG

第三节GPS应用1.陆地应用：排除地雷。机动炮兵的定位和测距。测绘精确的军用地图。车辆、坦克的导航定位。袖珍式用户设备，可快速测位，保证在夜间、浓雾时不致迷失方向。小艇或离艇人员用此设备可探测复杂航道。汽车导航和火车线路应用。2.海洋应用：导航定位、建立浮标、水文测量、铺设海底管路，对扫布雷、引导舰载飞机、提高导弹发射精度、海上协同作战等有重大意义。可使舰艇缩短浮出水面的时间。海陆石油勘探、地球物理测量、大地测量。姿态测量。测定舰船性能。3.空中和空间应用：为空中提供全球航路导航，实施空中管制。提高飞机进场、着陆和照相制图精度。实施精确的投弹和武器发射。对导弹进行实时跟踪和制导。确定空间运载体的轨道。目前GPS的成功应用一、测量：利用载波相位差分技术（RTK），在实时处理两个观测站的载波相位基础上，可达到厘米级精度。二、交通：出租车、租车服务、物流配送等行业利用GPS对车辆进行跟踪、调度管理，合理分布车辆，以最快的速度响应用户的乘车或送请求，降低能源消耗，节省运行成本。民航运输通过GPS接收设备，使驾驶员着陆时能准确对准跑道，同时还能使飞机紧凑排列，提高机场利用率，引导飞机安全进离场。三、救援：利用GPS定位，可对火警、救护、警察进行应急调遣，提高紧急事件处理部门对火灾、犯罪现场、交通事故、交通堵塞等紧急事件的响应效率。特种车辆（如运钞车）等，可对突发事件进行报警、定位，将损失降到最低。有了GPS的帮助，救援人员就可在人迹罕至、条件恶劣的大海、山野、沙漠，对失踪人员实施有效的搜索、拯救。四、农业：当前，发达国家已开始把GPS技术引入农业生产，即所谓的“精准农业”。五、娱乐消遣：随着GPS接收机的小型化和价格的降低，GPS逐渐走进了人们的日常生活，成为人们旅游、探险的好帮手。通过GPS，可在陌生的城市里迅速地找到目的地，并以最优的路径行驶；野营者可快捷地找到合适的野营地点；一些高档的电子游戏，也使用GPS仿真技术。GPS前景由于GPS技术具有全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已融入国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展，美国政府宣布2000年至2006期间，在保证美国国家安全不受威胁的前提下，取消SA政策，GPS民用信号精度在全球范围内得到改善，利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米，这将进一步推动GPS技术的应用，提高生产力、作业效率、科学水平以及人们的生活质量，刺激GPS市场的增长。据有关专家预测，在美国，只是汽车GPS导航系统，2000年后的市场将达到30亿美元，而在我国，汽车导航的市场也将达到50亿元