GPS介紹

GPS系統(tǒng)產(chǎn)生

　　最古老、最簡(jiǎn)單的導(dǎo)航方法是星歷導(dǎo)航，人類(lèi)通過(guò)觀察星座的位置變化來(lái)確定自己的方位；最早的導(dǎo)航儀是中國(guó)人發(fā)明的指南針，幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)它經(jīng)過(guò)不斷的改進(jìn)而變得越來(lái)越精密，并一直為人類(lèi)廣泛應(yīng)用著；最早的航海表是英國(guó)人John Harrison經(jīng)過(guò)47年的艱苦工作于1761年發(fā)明的，在其隨后的兩個(gè)世紀(jì)，人類(lèi)通過(guò)綜合地利用星歷知識(shí)、指南針和航海表來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航和定位。

　　進(jìn)入二十世紀(jì)以后，隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高人類(lèi)逐漸發(fā)明/發(fā)現(xiàn)了許多新的定位方法。開(kāi)始海員們通過(guò)測(cè)量船體的速度增量并進(jìn)行外推來(lái)確定自己的位置（Dead reckoning）；隨后人們又發(fā)明了慣性導(dǎo)航技術(shù)（Inertial Navigation），即通過(guò)對(duì)加速度計(jì)所記錄的載體加速度進(jìn)行積分來(lái)確定位置。至此，人類(lèi)的探索并沒(méi)有停滯不前，二十世紀(jì)電磁場(chǎng)理論和電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展為新型導(dǎo)航技術(shù)的形成提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。更重要的是用新思想和新理論武裝起來(lái)的人類(lèi)更富于想象力了，人類(lèi)的思維從被動(dòng)地利用宇宙中現(xiàn)存的參照物（如星體）擴(kuò)展到主動(dòng)地建立和利用人為的參照物來(lái)開(kāi)發(fā)更精密的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。由此地基電子導(dǎo)航系統(tǒng)（Ground-based Radionavigation System）誕生了，這一系統(tǒng)的問(wèn)世標(biāo)志著人類(lèi)從此進(jìn)入了電子導(dǎo)航時(shí)代。地基電子導(dǎo)航系統(tǒng)主要由在世界各地適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)建立的無(wú)線電參考站組成，接收機(jī)通過(guò)接收這些參考站發(fā)射的無(wú)線電電波并由此計(jì)算接收機(jī)到發(fā)射站的距離來(lái)確定自己的位置。這一技術(shù)在二戰(zhàn)中已經(jīng)被使用，戰(zhàn)后發(fā)展很快，目前大約有100種不同類(lèi)型的地基電子導(dǎo)航系統(tǒng)正在運(yùn)行，其中最著名的有Loran C/D、Omega、VOR/DME Tacan等，它們的導(dǎo)航原理相似，只是所用的電波波段和適用地域不同而已。由于地基導(dǎo)航系統(tǒng)的無(wú)線電發(fā)射參考站都建立在地球表面上，因此它們只能用來(lái)確定海平面上和地平面上運(yùn)動(dòng)物體的水平位置，即只能進(jìn)行二維定位，這是地基電子導(dǎo)航系統(tǒng)本身固有的缺陷。為了對(duì)空間飛行器（如飛機(jī)、宇宙飛船、導(dǎo)彈等）進(jìn)行精密導(dǎo)航，需要確定飛行器的三維位置（水平位置和高度）。顯然地基電子導(dǎo)航系統(tǒng)不能滿足這種需要，于是人類(lèi)就設(shè)想是否可以將無(wú)線電發(fā)射參考站建立在空中。

　　1957年10月，世界上第一顆人造地球衛(wèi)星的成功發(fā)射宣告空間科學(xué)的發(fā)展跨入了一個(gè)嶄新的時(shí)代，也使電子導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的階段。它使人類(lèi)將無(wú)線電發(fā)射參考站建立在空中的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)，由此空基電子導(dǎo)航系統(tǒng)（Space-based Radionavigation System）應(yīng)運(yùn)而生。空基電子導(dǎo)航系統(tǒng)統(tǒng)稱為衛(wèi)星電子導(dǎo)航系統(tǒng)，第一代衛(wèi)星電子導(dǎo)航系統(tǒng)的代表是美國(guó)海軍武器實(shí)驗(yàn)室委托霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研制的海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（Navy Navigation Satellite System —— NNSS）。在該系統(tǒng)中衛(wèi)星的軌道都通過(guò)地極，故也稱"子午儀（Transit）衛(wèi)星系統(tǒng)"。1964年該系統(tǒng)建成后即被美國(guó)軍方使用，1967年將星歷解密而提供民用服務(wù)。實(shí)踐表明，子午儀衛(wèi)星系統(tǒng)具有精度均勻、不受時(shí)間和天氣限制等優(yōu)點(diǎn)，只要系統(tǒng)的衛(wèi)星在視界內(nèi)，就可在地球表面任何地方進(jìn)行單點(diǎn)定位或聯(lián)測(cè)定位，從而獲得觀測(cè)點(diǎn)的三維地心坐標(biāo)。盡管子午儀衛(wèi)星系統(tǒng)具有以往導(dǎo)航系統(tǒng)所無(wú)法比擬的優(yōu)越性，但也存在一些嚴(yán)重的缺陷，這主要是由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較少（5～6顆），運(yùn)行高度較低（平均約為1000Km），從地面觀測(cè)到衛(wèi)星的時(shí)間間隔較長(zhǎng)（平均1.5小時(shí)），因而無(wú)法連續(xù)地提供實(shí)時(shí)三維定位信息，難以充分滿足軍事用戶和某些民事用戶的定位要求。

　　為了克服子午儀系統(tǒng)的缺陷，實(shí)現(xiàn)全天候、全球性和高精度的連續(xù)導(dǎo)航與定位，1973年美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)其陸海空三軍聯(lián)合研制第二代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)-授時(shí)與測(cè)距導(dǎo)航系統(tǒng)/全球定位系統(tǒng)（Navigation System Timing and Ranging/Global Position System-NAVSTAR/GPS），簡(jiǎn)稱全球定位系統(tǒng)（GPS）。起初的GPS方案由24顆衛(wèi)星組成，這些衛(wèi)星分布在互成120°的三個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道平面分布8顆衛(wèi)星，這樣的衛(wèi)星布局可保證在地球上的任何位置都能同時(shí)觀測(cè)到6～9顆衛(wèi)星。為識(shí)別不同的衛(wèi)星信號(hào)并提高系統(tǒng)的抗干擾能力和保密能力，采用了直接序列擴(kuò)頻技術(shù)（DS-SS），整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)碼分多址系統(tǒng)（CDMA）。為了補(bǔ)償電離層效應(yīng)的影響，采用了雙頻調(diào)制；1978年由于美國(guó)政府壓縮國(guó)防預(yù)算，減少了對(duì)GPS的撥款，GPS聯(lián)合辦公室就將初始方案修改為第二方案。在第二方案中系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)由24顆減少到18顆，并調(diào)整了衛(wèi)星的布局，18顆衛(wèi)星分布在互成60°的6個(gè)軌道平面上，每個(gè)軌道平面分布3顆衛(wèi)星，這樣的配置基本能夠保證在地球上任何位置均能同時(shí)觀測(cè)到至少4顆衛(wèi)星。但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這樣的衛(wèi)星配置可靠性不高，另外由于在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中GPS發(fā)揮了巨大的作用，因此在1990年對(duì)第二方案進(jìn)行了修改，最終方案是由21顆工作衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星組成整個(gè)系統(tǒng)，6個(gè)軌道平面的每個(gè)平面上分布4顆衛(wèi)星，這樣的配置使同時(shí)出現(xiàn)在地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時(shí)間和地點(diǎn)而異，最少為4顆，最多可達(dá)11顆。

　　GPS計(jì)劃的實(shí)施分為三個(gè)階段：第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段（1973年～1978年），發(fā)射了4顆衛(wèi)星，建立了地面跟蹤網(wǎng)并研制了地面接收機(jī)；第二階段為全面研制和實(shí)驗(yàn)階段（1979年～1984年），發(fā)射了7顆Block I實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機(jī)，包括導(dǎo)航型和測(cè)地型接收機(jī)；第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段（1985年～1993年），發(fā)射了Block II和Block IIA工作衛(wèi)星（Block IIA衛(wèi)星增強(qiáng)了軍事應(yīng)用功能并擴(kuò)大了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量）。截止到1993年，由分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)的（21＋3）顆衛(wèi)星組成的GPS空間星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。從1973年到1993年，GPS系統(tǒng)的建立經(jīng)歷了近20年，耗資300億美元，它是繼阿波羅登月計(jì)劃和航天飛機(jī)計(jì)劃后的第三項(xiàng)龐大空間計(jì)劃 。

GPS系統(tǒng)組成

　　GPS系統(tǒng)主要有三大組成部分，即空間星座部分、地面監(jiān)控部分和用戶設(shè)備部分。GPS的空間星座部分中24顆衛(wèi)星基本均勻分布在6個(gè)軌道平面內(nèi)，軌道平面相對(duì)赤道平面的傾角為55°，各軌道平面之間的交角為60°，每個(gè)軌道平面內(nèi)的衛(wèi)星相差90°，任一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30°。衛(wèi)星軌道平均高度為20200km，衛(wèi)星運(yùn)行周期為11小時(shí)58分。每顆衛(wèi)星每天約有5個(gè)小時(shí)在地平線以上，同時(shí)位于地平線以上的衛(wèi)星數(shù)目隨時(shí)間和地點(diǎn)而不同，可為4~11顆；GPS的地面監(jiān)控部分目前主要由分布在全球的5個(gè)地面站組成，其中包括衛(wèi)星檢測(cè)站、主控站和信息注入站。GPS的空間部分和地面監(jiān)控部分是用戶廣泛應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航和定位的基礎(chǔ)，均為美國(guó)所控制；GPS的用戶設(shè)備主要由接收機(jī)硬件和處理軟件組成。用戶通過(guò)用戶設(shè)備接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理而獲得用戶位置、速度等信息，最終實(shí)現(xiàn)利用GPS進(jìn)行導(dǎo)航和定位的目的。

GPS系統(tǒng)定位原理

　　GPS系統(tǒng)采用高軌測(cè)距體制，以觀測(cè)站至GPS衛(wèi)星之間的距離作為基本觀測(cè)量。為了獲得距離觀測(cè)量，主要采用兩種方法：一是測(cè)量GPS衛(wèi)星發(fā)射的測(cè)距碼信號(hào)到達(dá)用戶接收機(jī)的傳播時(shí)間，即偽距測(cè)量；一是測(cè)量具有載波多普勒頻移的GPS衛(wèi)星載波信號(hào)與接收機(jī)產(chǎn)生的參考載波信號(hào)之間的相位差，即載波相位測(cè)量。采用偽距觀測(cè)量定位速度最快，而采用載波相位觀測(cè)量定位精度最高。通過(guò)對(duì)4顆或4顆以上的衛(wèi)星同時(shí)進(jìn)行偽距或相位的測(cè)量即可推算出接收機(jī)的三維位置。

GPS系統(tǒng)特點(diǎn)

　　GPS的問(wèn)世標(biāo)志著電子導(dǎo)航技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)更加輝煌的時(shí)代。GPS系統(tǒng)與其他導(dǎo)航系統(tǒng)相比，主要特點(diǎn)是：①全球地面連續(xù)覆蓋。由于GPS衛(wèi)星數(shù)目較多且分布合理，所以在地球上任何地點(diǎn)均可連續(xù)同步地觀測(cè)到至少4顆衛(wèi)星，從而保障了全球、全天候連續(xù)實(shí)時(shí)導(dǎo)航與定位的需要。②功能多、精度高。GPS可為各類(lèi)用戶連續(xù)地提供高精度的三維位置、三維速度和時(shí)間信息。③實(shí)時(shí)定位速度快。目前GPS接收機(jī)的一次定位和測(cè)速工作在一秒甚至更少的時(shí)間內(nèi)便可完成，這對(duì)高動(dòng)態(tài)用戶來(lái)講尤其重要。④抗干擾性能好、保密性強(qiáng)。由于GPS系統(tǒng)采用了偽碼擴(kuò)頻技術(shù)，因而GPS衛(wèi)星所發(fā)送的信號(hào)具有良好的抗干擾性和保密性。

GPS系統(tǒng)作用

　　GPS系統(tǒng)的建立給導(dǎo)航和定位技術(shù)帶來(lái)了巨大的變化，它從根本上解決了人類(lèi)在地球上的導(dǎo)航和定位問(wèn)題，可以滿足不同用戶的需要。

????1、對(duì)艦船而言，它能在海上協(xié)同作戰(zhàn)，海洋交通管制，海洋測(cè)量，石油勘探，海洋捕魚(yú)，浮標(biāo)建立，管道鋪設(shè)，淺灘測(cè)量，暗礁定位，海港領(lǐng)航等方面作出貢獻(xiàn)。

????2、對(duì)飛機(jī)而言，它可以在飛機(jī)進(jìn)場(chǎng)、著陸，中途導(dǎo)航，飛機(jī)會(huì)合和空中加油，武器準(zhǔn)確投擲及空中交通管制等方面進(jìn)行服務(wù)。

????3、在陸地上，可用于各種車(chē)輛、坦克、陸軍部隊(duì)、炮兵、空降兵和步兵等的定位，還可用于大地測(cè)量、攝影測(cè)量、野外調(diào)查和勘探的定位，甚至可以深入到每個(gè)人的生活中去，如用于汽車(chē)、旅行、探險(xiǎn)、狩獵等方面。

????4、在空間技術(shù)方面，可以用于彈道導(dǎo)彈的引航和定位，空間飛行器的導(dǎo)航和定位等。

　　總之，GPS技術(shù)已發(fā)展成多領(lǐng)域（陸地、海洋、航空航天）、多模式（GPS、DGPS、LADGPS、WADGPS、）、多用途（在途導(dǎo)航、精密定位、精確定時(shí)、衛(wèi)星定軌、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源調(diào)查、工程建設(shè)、市政規(guī)劃、海洋開(kāi)發(fā)、交通管制等）、多機(jī)型（測(cè)地型、定時(shí)型、手持型、集成型、車(chē)載式、船載式、機(jī)載式、星載式、彈載式等）的高新技術(shù)國(guó)際性產(chǎn)業(yè)。GPS的應(yīng)用領(lǐng)域，上至航空航天器，下至捕魚(yú)、導(dǎo)游和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，已經(jīng)無(wú)所不在了，正如人們所說(shuō)的"GPS的應(yīng)用，僅受人類(lèi)想象力的制約"。

GPS政策及系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

　　雖然GPS系統(tǒng)具有以往導(dǎo)航定位系統(tǒng)不可比擬的許多優(yōu)點(diǎn)，但其所有權(quán)、控制權(quán)和運(yùn)營(yíng)權(quán)均屬于美國(guó)國(guó)防部。為了限制不同用戶對(duì)GPS的應(yīng)用，GPS衛(wèi)星發(fā)射的無(wú)線電信號(hào)含有兩種不同的測(cè)距碼，即所謂的P碼和C/A碼，因此GPS提供兩種定位服務(wù)，即精密定位服務(wù)（PPS）和標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)（SPS）。PPS的主要對(duì)象是美國(guó)和盟軍的軍事部門(mén)及其他特許部門(mén)，利用P碼定位，估計(jì)其單點(diǎn)實(shí)時(shí)定位精度約為10m；SPS的主要對(duì)象是廣大的民間用戶，只能采用調(diào)制在一種載波頻率上的C/A碼定位，且無(wú)法利用雙頻技術(shù)來(lái)消除電離層折射的影響，估計(jì)其單點(diǎn)定位精度約為400m。但在GPS研制初始階段的多次試驗(yàn)表明，實(shí)際定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于預(yù)測(cè)值，利用C/A碼的定位精度可達(dá)14m，利用P碼的定位精度可達(dá)3m。這個(gè)出人意料的情況促使美國(guó)軍方認(rèn)真評(píng)估民間用戶及其他非特許軍事用戶使用C/A碼定位給美國(guó)帶來(lái)的可能影響。于是在1983年5月根據(jù)里根總統(tǒng)的命令將GPS從單純軍用轉(zhuǎn)為軍民共用后又在1984年確立了保護(hù)美國(guó)國(guó)家安全的兩大政策，即防止敵對(duì)勢(shì)力對(duì)P碼信號(hào)進(jìn)行干擾的AS（Anti-Spoofing）政策和降低C/A碼定位精度的SA（Selective Availability）政策。在考慮限制C/A碼定位精度的SA政策初期，曾經(jīng)確定采用C/A碼的定位精度為500m，后來(lái)考慮到民事用戶的實(shí)際需要，最后確定其定位精度為100m，并從1991年7月1日開(kāi)始對(duì)所有的在軌衛(wèi)星全部實(shí)施SA技術(shù)。

　　采用SA技術(shù)后使C/A碼的實(shí)時(shí)定位精度大大降低，嚴(yán)重地影響了GPS系統(tǒng)定位服務(wù)的國(guó)際可接受性，許多潛在的民間用戶迫切要求改善定位精度。在此背景下，差分GPS（DGPS）定位、載波相位等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并飛速發(fā)展。與此同時(shí)，GPS平行系統(tǒng)的出現(xiàn)，如前蘇聯(lián)的GLONASS系統(tǒng)，使美國(guó)政府感到了壓力，為了加強(qiáng)GPS的世界領(lǐng)導(dǎo)地位，美國(guó)政府醞釀了GPS現(xiàn)代化計(jì)劃，基本方針是在強(qiáng)化軍用PPS服務(wù)的同時(shí)改善民間SPS服務(wù)，努力擴(kuò)大民用市場(chǎng)。SPS服務(wù)的改善主要有三個(gè)途徑：①發(fā)展利用差分定位原理的廣域增強(qiáng)系統(tǒng)（WAAS）和本地增強(qiáng)系統(tǒng)（LAAS）；②4～10年內(nèi)取消SA政策，恢復(fù)精度；③增發(fā)第二民用頻率，解決電離層延遲誤差對(duì)系統(tǒng)定位精度的影響。綜上所述，美國(guó)的GPS政策具有雙重性，既要鼓勵(lì)國(guó)際應(yīng)用，又不能失去軍事優(yōu)勢(shì)。我們可充分利用這一特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際合理利用GPS這一國(guó)際共享的信息資源為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)。

典型GPS應(yīng)用系統(tǒng)介紹

　　由于GPS的應(yīng)用非常廣泛，下面僅以我們實(shí)驗(yàn)室正在研究的兩個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行介紹。

????1、基于GPS技術(shù)的車(chē)輛監(jiān)控管理系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)是將GPS技術(shù)、地理信息技術(shù)（GIS）和現(xiàn)代通訊技術(shù)綜合在一起的高科技系統(tǒng)。其主要功能是將任何裝有GPS接收機(jī)的移動(dòng)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)位置（精度、緯度、高度）、時(shí)間、狀態(tài)等信息，實(shí)時(shí)地通過(guò)無(wú)線通信網(wǎng)鏈傳至監(jiān)控中心，而后在具有強(qiáng)大地理信息處理、查詢功能的電子地圖上進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示，并能對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向、車(chē)輛狀態(tài)等用戶感興趣的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢，以確保車(chē)輛的安全，方便調(diào)度管理，提高運(yùn)營(yíng)效率。本系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，特別適合對(duì)公安、銀行、公交、保安、部隊(duì)、機(jī)場(chǎng)等單位對(duì)所屬車(chē)輛的監(jiān)控和調(diào)度管理，也可應(yīng)用于對(duì)船舶、火車(chē)等的監(jiān)控。

　　到目前為止，我們已為交通銀行北京分行、北京公交總公司、南寧工商銀行等多家單位建立了各自的監(jiān)控系統(tǒng)，取得了可觀的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

????2、基于GPS技術(shù)的智能車(chē)輛導(dǎo)航儀

　　該裝置是安裝在車(chē)輛上的一種導(dǎo)航設(shè)備。它以電子地圖為監(jiān)控平臺(tái)，通過(guò)GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)獲得車(chē)輛的位置信息，并在電子地圖上顯示出車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)接近路口、立交橋、隧道等特殊路段時(shí)可進(jìn)行語(yǔ)音提示。作為輔助導(dǎo)航儀，可按照規(guī)定的行進(jìn)路線使司機(jī)無(wú)論是在熟悉或不熟悉的地域都可迅速到達(dá)目的地；該裝置還設(shè)有最佳行進(jìn)路線選擇及路線偏離報(bào)警等多項(xiàng)輔助功能。

　　總之，GPS在我國(guó)的應(yīng)用方興未艾，相關(guān)領(lǐng)域的科技工作者應(yīng)及時(shí)行動(dòng)起來(lái)，將該技術(shù)應(yīng)用到各自領(lǐng)域，最大限度地為促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展服務(wù)。