什么是全球定位系統(tǒng)(GPS)

什么是全球定位系統(tǒng)(GPS)

GPS（Globe Positioning System）即指全球定位系統(tǒng)，是美國20世紀(jì)三大空間技術(shù)之一（另兩大技術(shù)是航天飛機(jī)和阿波羅登月計(jì)劃），是當(dāng)今世界航天航空技術(shù)、無線電通訊技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合結(jié)晶。

GPS系統(tǒng)由美國發(fā)射的24顆導(dǎo)航衛(wèi)星構(gòu)成的空間部分和分布在世界各地的地面監(jiān)控部分組成。衛(wèi)星的分布使得地球上任何位置都可同時觀測到4顆以上的衛(wèi)星。各星不斷將自身參數(shù)、測距碼發(fā)往地面，用戶使用GPS接收機(jī)接收相應(yīng)信號，并按一定準(zhǔn)則解算出接收天線處的位置和速度等，從而實(shí)現(xiàn)對物體定位跟蹤。

1.發(fā)展歷史

五十年代未，原蘇聯(lián)發(fā)射了人類的第一顆人造地球衛(wèi)星，美國科學(xué)家在對其的跟蹤研究中，發(fā)現(xiàn)了多普勒頻移現(xiàn)象，并利用該原理促成了多普勒衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)TRANsIT的建成，在軍事和民用方面取得了極大的成功，是導(dǎo)航定位史上的一次飛躍，我國也曾引進(jìn)了多臺多普勒接收機(jī)，應(yīng)用于海島聯(lián)測、地球勘探等領(lǐng)域。但由于多普勒衛(wèi)星軌道高度低、信號載波頻率低，軌道精度難以提高，使得定位精度較低，以滿足大地測量或工程測量的要求，更不可能用于天文地球動力學(xué)研究。為了提高衛(wèi)星定位的精度，美國從1973 年開始籌建全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）。在進(jìn)過了方案論證、系統(tǒng)試驗(yàn)階段后，于1989年開始發(fā)射正式工作衛(wèi)星，并于1994年全部建成，投入使用，歷時20年，耗資200億美元，是具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。

2.基本組成

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

(1)空間星座部分

按目前的方案，全球定位系統(tǒng)的空間部分使用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，高度約2.02萬千米，均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為11小時58分，分布在六個軌道面上（每軌道面四顆），軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形（DOP）。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?

衛(wèi)星向地面發(fā)射兩個波段的載波信號，載波信號頻率分別為1575.442兆 赫茲（L1波段）和1227.6兆赫茲（L2波段），衛(wèi)星上安裝了精度很高的原子鐘，以確保頻率的穩(wěn)定性，在載波上調(diào)制有表示衛(wèi)星位置 的廣播星歷，用于測距的C/A碼和P碼，以及其它系統(tǒng)信息，能在全球范圍內(nèi)，向任意多用 戶提供高精度的、全天候的、連續(xù)的、實(shí)時的三維測速、三維定位和授時。

(2)地面控制部分

GPS系統(tǒng)的控制部分由設(shè)在美國本土的四個監(jiān)控站、一個上行注入站和一個主控站組成。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。

主控站設(shè)在范登堡空軍基地，主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對GPS衛(wèi)星的全部觀測數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。

上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地，它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時把這類導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。

(3)用戶設(shè)備部分

用戶接收機(jī)：GPS 接收機(jī)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(yùn)行，對所接收到的GPS信號進(jìn)行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星 到接收機(jī)天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時地計(jì)算出用戶接收機(jī)所處的三維位置，位置，甚至三維速度和時間。

GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)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(shè)備，即GPS信號接收機(jī)?？梢栽谌魏螘r候用GPS信號進(jìn)行導(dǎo)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(jī)也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機(jī)，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。

3.定位原理

按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測量，可用于車船等的概略導(dǎo)航定位。相對定位（差分定位）是根據(jù)兩臺以上接收機(jī)的觀測數(shù)據(jù)來確定觀測點(diǎn)之間的相對位置的方法，它既可采用偽距觀測量也可采用相位觀測量，大地測量或工程測量均應(yīng)采用相位觀測值進(jìn)行相對定位。

在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。

由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，利用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點(diǎn)的位置（X,Y,Z）?？紤]到衛(wèi)星的時鐘與接收機(jī)時鐘之間的誤差，實(shí)際上有4個未知數(shù)，X、Y、Z和鐘差，因而需要引入第4顆衛(wèi)星，形成4個方程式進(jìn)行求解，從而得到觀測點(diǎn)的經(jīng)緯度和高程。

事實(shí)上，接收機(jī)往往可以鎖住4顆以上的衛(wèi)星，這時，接收機(jī)可按衛(wèi)星的星座分布分成若干組，每組4顆，然后通過算法挑選出誤差最小的一組用作定位，從而提高精度。

由于衛(wèi)星運(yùn)行軌道、衛(wèi)星時鐘存在誤差，大氣對流層、電離層對信號的影響，以及人為的SA保護(hù)政策，使得民用GPS的定位精度只有100米。為提高定位精度，普遍采用差分GPS（DGPS）技術(shù)，建立基準(zhǔn)站（差分臺）進(jìn)行GPS觀測，利用已知的基準(zhǔn)站精確坐標(biāo)，與觀測值進(jìn)行比較，從而得出一修正數(shù)，并對外發(fā)布。接收機(jī)收到該修正數(shù)后，與自身的觀測值進(jìn)行比較，消去大部分誤差，得到一個比較準(zhǔn)確的位置。實(shí)驗(yàn)表明，利用差分GPS，定位精度可提高到5米。

（1）偽距法：一般民用導(dǎo)航使用

GPS接收機(jī)根據(jù)接收所選衛(wèi)星發(fā)來得導(dǎo)航信息和星鐘校正參數(shù)的時間，能算出接收機(jī)到衛(wèi)星的"距離"如果測量到三顆衛(wèi)星的"距離"：，則分別以三顆衛(wèi)星發(fā)射時刻的衛(wèi)星位置（按發(fā)射的星歷參數(shù)確定）為中心，根據(jù)測得的"距離"畫出三個球，其交點(diǎn)便是用戶的三維位置。

但是由于接收機(jī)的本機(jī)鐘對星載原子鐘存在偏差，上面所測的"距離"并不能代表衛(wèi)星到接收機(jī)的真實(shí)距離。人們把這種距離稱做"偽距離"（簡稱偽距），偽距法由此得來,對第I顆星來說，偽距RI的表達(dá)式為：RI=Ri+c△tai+c(△tui-△tsi) 式中：Ri ---真距， c---光速， △tai---信號傳播延時， △tui---用戶鐘相對于GPS時間的偏差， △tsi---衛(wèi)星鐘相對于GPS時間的偏差。

正因?yàn)橛脩翮娕cGPS時間不能精確同步，故每次測量總會有一個固定的偏差，這種偏差使定位產(chǎn)生不定性。如果我們再測量一個到第四顆衛(wèi)星的偽距，則這時由用戶鐘偏差造成的定位不定性就產(chǎn)生一個由四個相交球面所圍成的誤差體積。我們從每個偽距測量中加上或減去這個固定值就消去了該固定體積，結(jié)果得到四個球面相交與一點(diǎn)，這就是用戶的三維位置。實(shí)際上，這只要觀測至四顆衛(wèi)星的偽距并接收衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，解算四個方程就可得到。這種方法主要用于實(shí)時導(dǎo)航

（2）差分法：GPS定位是利用一組衛(wèi)星的偽距、星歷、衛(wèi)星發(fā)射時間等觀測量來實(shí)現(xiàn)的，同時還必須知道用戶鐘差。因此，要獲得地面點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須對4顆衛(wèi)星進(jìn)行測量。在這一定位過程中，存在著三部分誤差。一部分是對每一個用戶接收機(jī)所公有的，例如，衛(wèi)星鐘誤差、星歷誤差、電離層誤差、對流層誤差等；第二部分為不能由用戶測量或由校正模型來計(jì)算的傳播延遲誤差；第三部分為各用戶接收機(jī)所固有的誤差，例如內(nèi)部噪聲、通道延遲、多徑效應(yīng)等。利用差分技術(shù)，第一部分誤差完全可以消除，第二部分誤差大部分可以消除，其主要取決于基準(zhǔn)接收機(jī)和用戶接收機(jī)的距離，第三部分誤差則無法消除。差分工作時需要一部位于已知精確位置的差分基準(zhǔn)接收機(jī)，它對由GPS導(dǎo)出的解（位置或距離數(shù)據(jù)）與基準(zhǔn)臺（接收機(jī)）已知位置或距離數(shù)據(jù)比較，然后將修正項(xiàng)發(fā)給用戶，以便修正用戶本身的解。DGPS可消去公共性誤差（衛(wèi)星誤差、大氣層效應(yīng)誤差）。由于SA對測量的影響像一種慢變化的偏差，在近距離內(nèi)相同，故差分校正也可將其消去。工作時，在一個地區(qū)（可達(dá)幾百公里范圍）設(shè)置一臺差分基準(zhǔn)臺即可。利用C/A碼可獲得米級的定時定位精度，而利用載波相位數(shù)據(jù)可達(dá)毫米級。

（3）雙頻法：在GPS觀測量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對定位時大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個頻率的觀測量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。

（4）其它：其他提高精度技術(shù)：

有聯(lián)測定位技術(shù)；偽衛(wèi)星技術(shù)；無碼GPS技術(shù)；GPS測角技術(shù)；精密星歷使用技術(shù)；反SA技術(shù)；GPS/GLONASS組合接收技術(shù)；GPS組合導(dǎo)航技術(shù)等。

4.應(yīng)用領(lǐng)域

GPS的應(yīng)用領(lǐng)域：

（1）民用領(lǐng)域

車輛自導(dǎo)航：車船管理調(diào)度－在出租車行業(yè)、長途運(yùn)輸業(yè)、租車服務(wù)業(yè)等將能夠?qū)囕v進(jìn)行跟蹤、調(diào)度管理。在擁擠的停車場、火車調(diào)度場能夠準(zhǔn)確地確定車輛的位置，有效地調(diào)動車輛。

郵遞服務(wù)：對重要的貨物、包裹與信函等進(jìn)行跟蹤、引導(dǎo)與保護(hù)。對貨場物品入庫與出庫的調(diào)度能有效地確定貨物的存放地點(diǎn)，提高出貨效率，增加管理手段、避免積壓。

民航運(yùn)輸：使飛機(jī)著陸時駕駛員通過儀表操作對準(zhǔn)跑道。

漁業(yè)生產(chǎn)：GPS能滿足漁獵對定位的要求。同時能為捕魚船隊(duì)在法律上避免發(fā)生捕魚邊界的糾紛，提高在經(jīng)濟(jì)專屬區(qū)的作業(yè)效率。

公路水路維護(hù)：能準(zhǔn)確地引導(dǎo)維護(hù)人員調(diào)查需維護(hù)的交通設(shè)施。

火警、警察、救護(hù)的應(yīng)急調(diào)遣：提高緊急事件處理部門對火災(zāi)現(xiàn)場、犯罪現(xiàn)場、交通事故現(xiàn)場、交通堵塞等緊急事件的響應(yīng)效率。

E－911：美國通訊委員會（FCC）要求將所有的移動電話安裝無線電定位裝置，以便用戶在通過移動電話向911請求幫助時可找到用戶位置，實(shí)現(xiàn)快速援助。GPS將是滿足FCC要求的一種精確、成本低廉的方式。

搜索與求援：將更加有效地對在人跡罕至、條件惡劣的航海、登山探險(xiǎn)、滑雪、沙漠作業(yè)中失蹤的人員進(jìn)行求援搜索。

道路支持：車在路上壞了時，將提高救援車輛找到你的效率。

突發(fā)事件臨戰(zhàn)狀態(tài)準(zhǔn)備：如在洪水發(fā)生時，需要快速地為救災(zāi)工作做好準(zhǔn)備，如繪制洪水邊界圖、排洪國界圖、排洪通道、防洪大堤的調(diào)查。

可隨時查找運(yùn)輸車輛的當(dāng)前位置，可獲得車輛的定位數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息。實(shí)施跟蹤一個或多個指定的運(yùn)輸車輛，使它們落在電子地圖的窗口內(nèi)?？稍O(shè)定跟蹤優(yōu)先級和時間間隔對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。對車輛跟蹤形成直觀的運(yùn)行軌跡。

（2）軍用領(lǐng)域

GPS是自動化指揮系統(tǒng)、先進(jìn)武器系統(tǒng)及新的戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)理論的一項(xiàng)關(guān)鍵性基本保障技術(shù)，能為地面車輛、人員以及航空、航海、航天等領(lǐng)域的飛機(jī)、船只、潛艇、衛(wèi)星、航天飛機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航定位；武器發(fā)射、偵察、飛機(jī)進(jìn)場著陸、交通管制、搜索營救，戰(zhàn)場部隊(duì)、車輛以及單兵定位；精確制導(dǎo)導(dǎo)彈打擊目標(biāo)坐標(biāo)定位及彈道導(dǎo)引。

5.GPS系統(tǒng)主要特點(diǎn)

(1) GPS系統(tǒng)的實(shí)時導(dǎo)航定位精度很高。美國在1992年起實(shí)行了所謂的SA政策，即降低廣播星歷中衛(wèi)星位置的精度，降低星鐘改正數(shù)的精度，對衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率加上高頻的抖動（使偽距和相位的量測精度降低），后又實(shí)行了A-S政策，即將P碼改變?yōu)閅碼，即對精密偽距測量進(jìn)一步限制，而美國軍方和特許用戶不受這些政策的影響，但美國為了獲得更大的商業(yè)利益，這些政策終將被取消

(2)全球全天候連續(xù)無源。GPS能為全球任何地點(diǎn)或近地空間的各類用戶提供連續(xù)的全天候全球?qū)Ш侥芰?。用戶不發(fā)射信號，因而用戶數(shù)量無限。

(3)用途廣泛。GPS是軍民兩用的系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍將極其廣泛。

它以全天候、高精度、 自動化、高效益等顯著特點(diǎn)，成功地應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科。

6.GPS的干擾問題

GPS信號很弱，易于干擾。一家俄羅斯公司提供的一種4瓦功率的手持GPS干擾機(jī)，不到4000美元就買得到。如果從零售電子商店購買部件組裝，花400美元就可以造一個干擾半徑16千米以上的干擾機(jī)。

伊拉克戰(zhàn)爭開戰(zhàn)之前，美國就已經(jīng)預(yù)料到伊拉克方面會干擾GPS信號。美國其實(shí)早已經(jīng)給其GPS炸彈和導(dǎo)彈裝載了抗干擾技術(shù)，使這些GPS導(dǎo)引的武器能夠在干擾的情況下繼續(xù)使用GPS信號；即使GPS信號丟失，這些武器還可以使用自身的其它導(dǎo)引系統(tǒng)如慣性導(dǎo)航、激光制導(dǎo)等，使自己到達(dá)目標(biāo)。

不過，美國軍方以及軍事分析家都認(rèn)為，GPS導(dǎo)引武器的精度還依賴人的因素。操作手用GPS進(jìn)行精確瞄準(zhǔn)的能力，取決于他獲得精確情報(bào)的能力。

作為GPS現(xiàn)代化計(jì)劃和NAVWAR計(jì)劃的組成部分，美國正在研究各種變通辦法。最明顯的一個提高抗干擾性能的方法是提供來自GPS衛(wèi)星的發(fā)射功率。

NAVSTAR GPS聯(lián)合項(xiàng)目辦公室系統(tǒng)項(xiàng)目主管2002年5月宣布，根據(jù)目前的發(fā)射計(jì)劃，GPS的衛(wèi)星信號將在2009年內(nèi)得到有效的加強(qiáng)。到2003年或2004年空軍將開始發(fā)射比目前軌道上的衛(wèi)星信號強(qiáng)10分貝的GPS衛(wèi)星。然而GPS用戶必須一次從四個衛(wèi)星上得到信號。

2003財(cái)年預(yù)算包含了加強(qiáng)GPS信號的資金。如果得到國會通過，首顆具有更強(qiáng)信號的衛(wèi)星將在2003年后半年或2004年前期發(fā)射。目前的星座包括4顆Block II衛(wèi)星、18顆Block IIA和6顆Block IIR。另外26個GPS-IIF和IIR衛(wèi)星正在制造中，其中至少20顆的信號得到加強(qiáng)。首顆Block IIF衛(wèi)星將在2005年晚些時候發(fā)射。

提高GPS衛(wèi)星的發(fā)射功率還不能解決抗干擾的全部問題，還必須提高海陸空用戶端的GPS抗干擾能力。用戶設(shè)備抗干擾技術(shù)主要分成兩類：

(1) 一類是能夠在保持或放大GPS信號的同時降低干擾機(jī)功率；

(2) 另一類是通過接收機(jī)內(nèi)的先進(jìn)信號處理(即處理增益)來提高信噪比。

在降低干擾機(jī)功率的先進(jìn)技術(shù)中，最有前景的是原本研制用于雷達(dá)的一種技術(shù)，即所謂空間-時間自適應(yīng)處理。本技法的一個相近變種是空間-頻率自適應(yīng)處理，在頻域提供等效的處理。這些技法有希望是因?yàn)樗鼈儏f(xié)調(diào)運(yùn)用了空間與時間資源去最優(yōu)地攻擊多個干擾機(jī)。