GPS基本原理及應(yīng)用

GPS基本原理及應(yīng)用

GPS(Globle Positioning System)全球定位系統(tǒng)，可以在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)全天候、實(shí)時(shí)的確定用戶的精確位置和精確時(shí)間。它是由美國(guó)提出并實(shí)施的一項(xiàng)龐大的宇宙及航天工程，1973年12月，美國(guó)國(guó)防部批準(zhǔn)其陸?？杖娐?lián)合研制新的軍用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)—NAVSTAR GPS系統(tǒng)，既GPS系統(tǒng)；

1978年2月22日第一顆GPS實(shí) 驗(yàn)衛(wèi)星的發(fā)射成功，標(biāo)志著工程研制階段的開始；1989年2月14日，第一顆GPS工作衛(wèi)星的發(fā)射成功，宣告GPS進(jìn)入生產(chǎn)作業(yè)階段。GPS系統(tǒng)于1993年6月26日部署完畢，全球定位系統(tǒng)中的21顆衛(wèi)星和3顆備用衛(wèi)星，猶如一個(gè)“星座”，高懸在2萬公里的空中，每顆衛(wèi)星每隔12小時(shí)圍繞地球旋轉(zhuǎn)一周，使得地球任何地方同時(shí)可看到7—9顆衛(wèi)星。1．1 衛(wèi)星發(fā)送什么信息？

衛(wèi)星信息包括三種信號(hào)分量：載波、測(cè)距碼和數(shù)據(jù)碼，其中載波采用兩個(gè)頻率發(fā)送：fL1=1575.42MHz，fL2=1227.6MHz；測(cè)距碼分為粗碼C/A碼和精碼P碼，分別提供給民間用戶和軍方用戶，都采用偽隨機(jī)碼；數(shù)據(jù)碼的內(nèi)容包括遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼和三個(gè)數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊中含標(biāo)志碼、衛(wèi)星時(shí)鐘改正系數(shù)、衛(wèi)星星歷以及其他衛(wèi)星的概略情況等。1．2 GPS接收機(jī)如何解算自身位置？偽隨機(jī)碼的接收利用相關(guān)技術(shù)得到，相關(guān)接收時(shí)本機(jī)產(chǎn)生的偽隨機(jī)碼信號(hào)和衛(wèi)星的偽隨機(jī)碼信號(hào)碼位對(duì)齊，即完成跟蹤和延時(shí)鎖定，此時(shí)刻相對(duì)于初始時(shí)刻的時(shí)延量表征了地面點(diǎn)到衛(wèi)星距離的函數(shù)；接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)跟蹤鎖定后，同時(shí)可以得到導(dǎo)航電文，根據(jù)衛(wèi)星星歷參數(shù)可以得到衛(wèi)星的坐標(biāo)，如下式：ρPi=[（XSi-XP）2+（YSi-YP）2+（ZSi-ZP）2]1/2+CτA+C（ΔtPR-ΔtSV）其中：P為當(dāng)前點(diǎn)，（XP，YP，ZP）為其坐標(biāo)；Si為衛(wèi)星，（XSI， YSI， ZSi）為其坐標(biāo)；C為光速；τA為傳輸中的附加時(shí)延；ΔtPR，ΔtSV為鐘差。ρPI為偽距，即含有誤差的P到衛(wèi)星SI的距離。觀測(cè)到四顆衛(wèi)星就可以得到P的準(zhǔn)確位置（需要解算ΔtPR-ΔtSV）。GPS最初的目的是為美國(guó)軍方提供服務(wù)，但隨著它的發(fā)展，人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到GPS的作用的重大及應(yīng)用領(lǐng)域的廣闊，除軍事應(yīng)用外，它已被應(yīng)用于航天、航空、航海、測(cè)量、勘探等諸多領(lǐng)域，其應(yīng)用形式亦多種多樣。

GPS發(fā)展到今天已成為一個(gè)產(chǎn)業(yè)。GPS的優(yōu)異性能引起各行各業(yè)的興趣，也正如專家所預(yù)言的那樣，GPS將改變?cè)S多行業(yè)的經(jīng)營(yíng)方式，它是繼計(jì)算機(jī)革命之后的又一場(chǎng)革命。GPS的精度和美國(guó)的SA政策 美國(guó)政府在GPS設(shè)計(jì)中。

計(jì)劃提供兩種服務(wù)：

一種為標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)棗SPS，利用粗碼（C/A碼）定位，精度約為100米，提供給民間用戶使用。

另一種為精密定位服務(wù)棗PPS，利用精碼（P碼）定位，精度達(dá)到10米，提供給軍方和得到特許的民間用戶使用。

在GPS試驗(yàn)衛(wèi)星應(yīng)用階段，多次試驗(yàn)表明，實(shí)際定位精度遠(yuǎn)高于此值。利用最簡(jiǎn)單的C/A碼定位精度可達(dá)到14米，利用P碼定位精度可達(dá)到3米。這一現(xiàn)實(shí)和設(shè)計(jì)相矛盾，于是美國(guó)政府采用了SA（SelectiveAvailability）政策，人為的將誤差引入衛(wèi)星時(shí)鐘和衛(wèi)星數(shù)據(jù)中，故意降低GPS的定位精度，以防止未經(jīng)許可的用戶把GPS用于軍事目的。采用SA政策，規(guī)定水平定位精度為100米（2Drms），垂直測(cè)量精度為157米（2Drms）。美國(guó)國(guó)防部常年對(duì)SA政策進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)形勢(shì)和需要對(duì)部分或全部衛(wèi)星取消SA政策。SA政策稱為有選擇可用性，它的目的是使非特許用戶不能獲得高精度實(shí)時(shí)定位的方法。它包括對(duì)GPS衛(wèi)星基準(zhǔn)頻率采用δ技術(shù)，對(duì)導(dǎo)航電文采用ε技術(shù)，對(duì)P碼采用譯密技術(shù)。

1989年11月，在軌的GPS衛(wèi)星有兩個(gè)星期停止工作，利用這兩個(gè)星期的時(shí)間進(jìn)行高頻抖動(dòng)（δ）技術(shù)試驗(yàn)。1990年3月25日到8月29日，不僅進(jìn)行了δ技術(shù)試驗(yàn)，還作了C/A碼廣播星歷精度降低的試驗(yàn)。1991年7月1日開始，全部在軌GPS工作衛(wèi)星均實(shí)施SA技術(shù)。SA技術(shù)是一種人為干擾。在實(shí)施SA技術(shù)條件下，工作衛(wèi)星的定位精度大大降低，GPS信號(hào)將發(fā)生下列變化：GPS衛(wèi)星的基準(zhǔn)信號(hào)（10.23MHz）經(jīng)過δ技術(shù)處理，人為引入一個(gè)高頻抖動(dòng)信號(hào)。因?yàn)榛鶞?zhǔn)信號(hào)是所有衛(wèi)星信號(hào)（載波、偽噪聲碼、數(shù)據(jù)碼）的震蕩源，故所有派生信號(hào)都引入一個(gè)“快變化”的高頻抖動(dòng)信號(hào)。P碼將經(jīng)過譯密技術(shù)處理變?yōu)閅碼。Y碼是P碼與高度機(jī)密的W碼模2和形成的。這一過程稱為反電子欺騙AS政策(AntiSpoofing)。

實(shí)施AS技術(shù)的目的在于防止敵方對(duì)P碼進(jìn)行精密導(dǎo)航定位的電子干擾。當(dāng)實(shí)施AS技術(shù)時(shí)，非特許用戶不僅不能使用P碼作實(shí)時(shí)定位，而且不能進(jìn)行P碼和C/A碼碼相位測(cè)量的聯(lián)合求解，甚至P碼數(shù)據(jù)平滑。SA和AS技術(shù)是各自獨(dú)立實(shí)施的。目前，已經(jīng)實(shí)施SA政策，但GPS聯(lián)合會(huì)辦公室人士透露，只有在國(guó)家緊急狀態(tài)下或者短期實(shí)驗(yàn)時(shí)，才啟用W碼，實(shí)施AS技術(shù)GPS信號(hào)的第二載波L2設(shè)置有三種不同的調(diào)制波，并由衛(wèi)星電文的提示區(qū)別。

SA政策實(shí)施后，由C/A碼廣播的星歷稱為C/A碼廣播星歷，經(jīng)過ε技術(shù)處理后，人為的降低精度為100米左右。這種誤差不是固定的偏差，而是無規(guī)則變化的隨機(jī)量。目前商用GPS接收機(jī)都是工作在C/A碼的，只能取得C/A碼廣播星歷。這就是說，實(shí)施SA政策后，P碼的星歷精度對(duì)定位精度的影響已從20米提高到5米，但用戶得不到，C/A碼的星歷精度對(duì)定位精度的影響從20米降低到100米，這就使得所有商用接收機(jī)的定位精度大幅度降低。這里有必要提醒用戶，有的廠家為了推銷產(chǎn)品，在定位精度欄內(nèi)標(biāo)明15米*，并在“*”號(hào)注腳內(nèi)寫明（SA off）。

它的含義是，在不實(shí)施SA政策下，定位精度達(dá)到15米?？墒?，事實(shí)上已經(jīng)實(shí)施SA政策，達(dá)到的實(shí)際定位精度則為100米左右。 在實(shí)際的應(yīng)用中，由于GPS OEM中廠家都采用了濾波平滑算法，所以GPS的動(dòng)態(tài)定位精度能達(dá)到40米，具體表現(xiàn)為連續(xù)的軌跡為平滑的曲線而不是鋸齒狀線。但靜態(tài)數(shù)據(jù)表現(xiàn)為車停而定位信息在變，位置的分布長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試為100米的圓型區(qū)域。另外，使用GPS信號(hào)不收費(fèi)。GPS最初投入應(yīng)用時(shí)，美國(guó)承諾10年免費(fèi)使用，即到2003年期滿，目前由于GPS的廣泛應(yīng)用，美國(guó)從事GPS產(chǎn)業(yè)的人員達(dá)數(shù)十萬，同時(shí)俄羅斯有GLONASS，歐洲也在設(shè)計(jì)EUTELTRACS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)使得美國(guó)政府不得不考慮數(shù)十萬人的就業(yè)問題，并且計(jì)劃在4?/FONT>10年的時(shí)間里逐步取消SA政策，以贏得更多的用戶，美國(guó)已表態(tài)在可以預(yù)見的將來延長(zhǎng)免費(fèi)服務(wù)期限。為了提高GPS的精度及信號(hào)的可靠性，GPS在L1民用頻率之外將加發(fā)第二民用頻率，L5，其頻率為1176.45MHz。

L5處于航空無線電導(dǎo)航服務(wù)頻段內(nèi)，受國(guó)際公約保護(hù)，即使在戰(zhàn)時(shí)也不會(huì)受到干擾，提高了GPS服務(wù)的可靠性。美國(guó)還承諾在2006年前撤除SA，使民用水平定位精度達(dá)到21米以內(nèi)。隨著GPS精度的提高、可靠性的加強(qiáng)，GPS的應(yīng)用必將越來越廣泛。