1專題三 全球定位系統理論與應用研究進展一、 GPS 理論研究進展GPS 的全稱是:Navigation Satellite Timing and Ranging Global positioning System。即，利用導航衛星進行測時和測距，以構成全球定位系統?，F在，GPS 已經在全世界范圍內得到了廣泛的應用，在軍事，農業，航海，勘探等許多領域.發揮著積極的作用。1、 GPS的發展歷程 前蘇聯于1957 年發射的第一顆人造地球衛星開啟了人類星基導航的大門, 美國人提出的“反向觀測“ 設想奠定了現代全球衛星定位的理論基礎。20世紀70 年代, 隨著美蘇軍事競爭的逐步升級, 美國迫切希望擁有能夠在世界范圍內實施精確、快速定位和導航的高端技術, 從而掌握制空權。于是美國國防部于1973 年開始組織研制能滿足陸?？杖娦枰摹?導航衛星定時和測距全球定位系統( NaviGation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System) , 簡稱GPS 全球定位系統。GPS計劃的實施分為三個階段: 19731977年為方案論證和設計; 19781988年為全面研制和試驗; 1989-1994 年為組網階段, 到1994 年3 月建成了GPS 系統。歷時20 多年, 耗資200 多億美元, 是美國繼“ 阿波羅”登月飛船和航天飛機后的第三大航天技術工程。該系統是能在海、陸、空進行全方位高準確度實時定位、測速、授時的新一代衛星導航定位系統。最早的全球定位系統是“NNSS”(Navy Navigation Satellite 2System)，即海軍導航衛星系統，它于 1958 年底由美國海軍開始實施，于 1964 年建成，但開始時只供美國軍方使用，直到 1967 年才開始提供民用，并為各國所采用，我國也于 70 年代中期引人了NNSS 定位技術。該系統的問題在于其“單星、低軌、低頻測速”體制，不能滿足高動態用戶時導航定位的要求，也不能滿足高精度的要求。因此，美國與七十年代初又開始了新的導航定位系統的研制，并于 1973 年發射了第一顆試驗衛星，1989 年又發射了第一顆 GPS工作衛星，逐漸形成了現在的 GPS 定位系統。目前，世界上主要有兩種衛星導航系統，即:NAVSTAR 系統和CLONASS 系統，前者屬于美國國防部，而后者則是由前蘇聯開發的系統。通常我們所說的 GPS 系統主要是指 NAVSTAR 系統。美軍的 GPS 系統是世界上目前唯一最完善的衛星導航定位系統 ,GPS 系統經過海灣戰爭、科索沃戰爭、阿富汗戰爭、伊拉克戰爭 以及各種沖突的歷練,已成為美軍及其盟軍重要的電子信息系統,GPS 系統是美軍戰斗力的倍增器,它在美軍各項軍事行動中發揮了巨大的作用,也是美軍保持其全球信息優勢的重要基礎。2、 GPS 的原理2.1 GPS 系統組成一個完整的GPS主要由空間段、控制段和用戶段三部分構成。2.1.1 空間段由分布在6個軌道面上的24顆衛星組成。衛星軌道高度20200km,傾角55度,周期12小時。衛星用L波段的兩個無線電載3波向廣大用戶連續不斷地發送導航定位信號,導航定位信號中含有衛星的位置信息,使衛星成為一個動態的已知點。在地球的任何地點、任何時刻,在高度角15以上,平均可同時觀測到6顆衛星,最多可達到9顆。衛星的軌道分布保證在世界各地任何時間可見到至少6顆衛星,衛星連續向用戶提供位置和時間信息。2.1.2 控制段由分布在全球的一個主控站、五個監測站和三個注入站組成。主控站位于Colorado。監測站跟蹤視野內所有GPS衛星、收集衛星測距信息,并把收集的信息送到主站。主控站根據各監測站對GPS衛星的觀測數據,計算各衛星的軌道參數、鐘差參數等,并將這些數據編制成導航電文,傳送到注入站,再由注入站將主控站發來的導航電文注入到相應衛星的存儲器中。2.1.3 用戶段由GPS接收機、數據處理軟件及其終端設備(如計算機)等組成。GPS接收機可捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號,跟蹤衛星的運行,并對信號進行交換、放大和處理,再通過計算機和相應軟件,經基線解算、網平差,求出GPS接收機中心(測站點)的三維坐標。2.2 GPS 定位原理所有在軌運行的GPS 衛星既是作為一系列的動態已知點、又是作為無線電信號發射臺存在于空間, 它們發播的星歷信號為用戶提供衛星的空間坐標、軌道參數、時間、各種改正等一系列信息。接收機接收這些星歷信號, 測量觀測者距所選衛星的距離, 然后根據所測得距離求出觀測者的坐標參數,這就是GPS 定位。GPS 定位是在4GPS 衛星的實時位置已知的前提下采用距離交會原理來實現位置的準確確定的。基本原理是: 知道未知點到已知點的距離, 未知點就必然位于以已知點為球心、兩點間距離為半徑的球面上; 如果已知A、B、C 三個衛星的在軌坐標, 又測出了觀測站距三顆衛星的距離, 然后分別以這3 個衛星為球心, 以所測得的距離為半徑畫3 個球面, 則觀測站就一定位于這三個球面的相交處( 若有多值解, 可通過接收方向的判斷而剔除) , 從而準確地解算出觀測站的位置。二、 GPS 應用情況1、 目前狀況GPS 技術已發展成多領域(陸地、海洋、航空航天)、多模式(GPS,DGPS,LADGPS,WADGPS 等) 、多用途(在途導航、精密定位、精確定時、衛星定軌、災害監測、資源調查、工程建設、市政規劃、海洋開發、交通管制等)、多機型(測地型、定時型、手持型、集成型、車載式、船載式、機載式、星載式、彈載式等)的高新技術國際性產業。GPS 的應用領域非常廣泛：（1） GPS 在軍事上的應用 飛機導航 導彈制導、導彈攔截及目標精準打擊 作戰指揮 發射陣地快速定位 外彈道測量5（2） GPS 在地球物理和大地測量領域的應用 地球物理觀測 大地測量 水土保持 地形、地籍及房地產測量 （3） 在航空航天及空間技術領域的應用（4） 在工程測試中的應用（5） GPS 在交通運輸中的應用6 車輛調度指揮管理系統 車輛導航7 車輛運行狀態測試棄北電 擁北斗 樹鐵路無線通信新旗幟作 者：葛遜據調查目前國內鐵路系統所用無線通信系統為 GSM-R，技術擁有者為加拿大知名電訊設備制造商北電集團。實際上國內也有自主研發的北斗導航系統，但目前在鐵路僅小規模應用，暫未被大規模推廣。鐵路專用通信是直接為鐵路運輸而設計使用的系統設施，分為鐵路有線專用通信系統和鐵路無線專用通信系統。對運行中的列車而言，無線通信尤其重要。GSM-R 是 2002 年鐵道部引進的技術，在歐洲廣泛使用。技術擁有者北電集團，當時擁有全球 GSM-R 市場 60%以上的份額。中國第一條全線應用 GSM-R 的鐵路是青藏線。投資總額達 262.1 億元的青藏鐵路吸引了北電的目光，2003 年 10 月，北電向鐵道部提出在青藏線進行 GSM-R 試驗的方案，第二年 3 月，鐵道部批準，北電出色地完成了試驗，獲得鐵道部的好感。2006 年 5 月，鐵道部與北電簽署合作協議，將全國 7 個主要城市節點的 GSM-R 核心網絡建設權交給北電集團，當時全國部署的 GSM-R 節點共有 19 個。雙方并未透露合同金額。GSM-R 鐵路無線通信系統成為國內主流已成趨勢，當時鐵路部提出“跨越式發展”的口號，要求在 2010 年前 GSM-R通信網絡覆蓋全路 70 余條干線。事實上，就在北電集團提出試驗申請之前的 2003 年 6 月，國內自主研發的無線通信系統北斗導航系統就已經開始使用。但通信世界網了解到，這一系統至今都未能推廣開。參與甬臺溫線 GSM-R 系統搭建者的主要是佳訊飛鴻和德國安弗施公司。佳訊飛鴻部署了基于 GSM-R 的 FH98-G 數字專用調度系統，該系統的主要優點之一就是“多層防雷防強電保護設計”。安弗施公司則主要負責沿途的隧道信號覆蓋。8據了解有研究人員曾指出，鐵路調度系統由有線和無線信號計算其速度后復合定位，精準度相對較低，在列車速度高達 200 公里以上時定位效果更差。定位不準確使得調度工作難度加大，為事故埋下隱患。北斗星通的最初想法是把北斗作為鐵路的輔助通信系統。當時北斗系統剛開始使用，成本較高，因此除鄭州小規模試用外并未推廣。事實上，2006 年青藏鐵路開通之前，青藏鐵路公司已經對北斗系統進行測試，驗證了衛星定位信息的適用性和可靠性。而據知情人士稱，現在一套北斗終端的價格最高不超過 2 萬元，低價和競爭充分反而成為其被棄用的原因之一。早在 2003 年，北斗導航系統的“鐵路北斗衛星移動通訊平臺”開始在鄭州鐵路局所屬的 60 臺機車上投入使用。北斗衛星導航系統是中國自行研制開發衛星定位與通信系統，與美國的 GPS、俄羅斯的 GLONASS 并列。北斗導航系統具備雙向通訊功能，最高定位精度可達厘米級。國內企業中，神州天鴻和北斗星通都擁有基于北斗的鐵路調度系統。2005 年7 月 31 日，長春發生列車追尾事故，造成 5 人死亡。時任北斗星通副總經理的秦加法就表示：“在地面通信系統發生事故、無法有效運行的情況下，可以用衛星導航進行通信，有效避免追尾事故的發生?！北倍废到y總設計師孫家棟曾表示：“到 2015 年，北斗系統相關產值將達到 2000 億元，2020 年將突破 4000 億?！笨梢姳倍废到y的應用范圍及其潛能將十分巨大（6）GPS 在人們生產、生活中的應用在農業領域中的應用 在林業方面的應用 在森林中進行常規測量相當困難，而GPS 定位技術可以在確定林區位置、計算可采伐木材面積、確定原始森林區域、森林火災周邊勘測、尋找水源、繪制精確的森林分布圖等方面發揮獨特的作用。9美國林業局用經緯儀和GPS 對同一塊林區進行面積測量，結果兩者僅差0.03%，這一實驗證明了裝備有GPS 接收系統的直升飛機沿林區周邊飛行就可以對林區的面積進行符合精度要求的快速測量。GPS 技術用于森林防火已取得較好成效，美國研制的飛機+GPS 接收機+熱紅外觀測系統，沿火災周邊飛行并記錄定位信息，可快速確定火災的準確位置和繪制周邊地形圖，為采取滅火措施提供準確的數據。 GPS 技術與 GIS 資源的合成應用 GIS 地理信息系統（ Geography Information System）是研究地理空間信息分布的科學技術，比如一個城市，它的地理空間中充滿著龐大的各式各樣的信息：名勝古跡、旅游路線、文化娛樂設施、交通信息、賓館、醫院、學校、研究機構、政府辦事機構等等。利用現代技術把這些信息建成數據庫，就構成了數碼城市的要素，它既為二維數碼城市中的地圖和三維數碼城市模型提供大量信息，又可與實現數碼城市3D 重視的虛擬實現技術（ VR）結合而構成了數碼城市。但是，GIS 的發展與應用受到地理空間點位的定位在機動性、隨時隨地性、實用性等因素的制約。而GPS 雖然可快速給出某一目標的準確位置，但無法提供該點周圍環境的地理屬性和與其相關的空間信息。如果把GPS 與GIS 結合，就可形成具有重要實用價值的數碼城市系統。目前，國內外都在研發并已被實際應用。 旅游及野外考察10到風景秀麗的地區去旅游，到原始大森林、雪山峽谷或者大沙漠地區去野外考察，GPS 接收機是最忠實的向導?？梢噪S時提供出行者所在位置及行走速度和方向，使你不會迷路。目前小巧輕便的攜帶式GPS接收機已經問世，最輕的才60 多克，它不僅便于出行者的攜帶，而且