1、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 Globalpositioning System。即，利用導航衛星進行測時和測距，以構成全球 定位系統。現在，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勺發展歷程前蘇聯于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

2、、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 制能滿足陸海空三軍需要的“ 導航衛星定時和測距全球定位系統( NaviGation Satellite Timing and RangingGlobal 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;1978- 1988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

3、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 SatelliteSystem),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2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

4、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GP主要由空間段、控制段 和用戶

5、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3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GPSH星、 收集衛星測距信息,并把

6、收集的信息送到主站。主控站根據各監測站 對GP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GP接收機、數據處理軟件及其終端設備（如計算 機）等組成。GPSg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GP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

7、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GPS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4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

8、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1飛機導航2導彈制導、導彈攔截及目標精準打擊3作戰指揮4發射陣地快速定位5外彈道測量（2）GPS在 地 球 物 理 和 大 地 測 量 領 域 的 應 用5Art

9、 IMHrli.31地球物理觀測2大地測量3水土保持4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671車輛調度指揮管理系統2車輛導航f/jfMM VUkA “ /勺.7. .7J, _?，WIT,J屮 W 妞矍矢卞通S999TV-J圍罕，戲:帥n明詩陶悶83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

10、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-F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。投資總額達了北電的目光，2003年10月，北電向鐵道部提出在青藏線進行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。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-F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

11、主流已成趨勢，當時鐵路部提出“跨越式發展”的口號，要求在絡覆蓋全路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-F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。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

12、位不準確使得調度工作 難度加大，為事故埋下隱患。262.1億元的青藏鐵路吸引GSM-R式驗的方案，第二年2006年5月，鐵道部與北2010年前GSM-R信網9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

13、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GLONAS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。”北斗系統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。”可見北斗系統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

14、業領域中的應用4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。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10準確的數據。

15、5GPS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

16、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。6旅游及野外考察11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。可以隨時提供出行 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，而且已用于大象、老虎、熊貓等動物的野外生存跟蹤、牛羊牧群 的監控和相關信息采集。7海事應用GPS可應用于船只導航、海洋捕撈、海運跟蹤、

17、海上事故搜救、 海洋勘探及海屬范圍劃分等許多方面，應該說GPS技術在海事應用 方面是相當成功的一個應用領域。 比如我國的海洋魚業，經過長年的 捕撈，近海的魚類資源已趨于枯竭，漁民又不愿去深海，因為深海遠 離陸地，水深浪急，在茫茫深海里找不到方向與位置，有可能不知不 覺就進入禁漁區、甚至越過國界，遇險時搜救很困難等等。目前，我 國已建成了為漁業生產服務的衛星定位導航監控系統，能隨時獲知漁ii船方位，引導魚船進入深海作業，對遇險船只準確搜救，及時警告越 界或進入禁區的漁船等，為海洋捕魚作業帶來了革命性的轉變。8GPS手機美國鑒于急難救助的激增，于1996年就頒布法令要求移動電話營運者需分階段完成移

18、動定位的建設，以便能利用移動電話這個日漸普及的通訊工具協助警消與醫療機構強化對公眾人身與財產安全的 保障。同時，許多有遠見的企業家也察覺到移動定位可能成為頗具市 場潛力的應用領域。因此，人們開始研制基于GPS技術的手機，歐 美與日本等國大力投入13研發。到九十年代末便推出GPS手機產品并 開展手機定位服務；它們具有多個并行通道，屏幕地圖能精確到街道， 可實時跟蹤所在位置。這一新興技術吸引了移動通訊、GIS及GPS廠 商的極大熱忱。不過，GPS應用在移動定位中仍面臨三大難題： 必 須與天空直視接收、 內建GPS芯片的耗電與成本、與手機制式的匹 配。授時GPS衛星不但提供導航定位信號， 還提供時間

19、基準。它精確 的定位能力是由其高精度的時間測量來實現的。 因此，在天文臺、 通信系統、電視廣播系統、電力系統、無線電與時間頻率系統、野外作業等所有涉及時間、頻率的領域，都可以通過GPS進行時間的校準和獲取時間信息。GPS技術的存在和發展已使它從 軍用產品走向了更為廣闊的 民 用領域，它也被廣泛地應用到各行各業中。 現就其典型的應用舉幾個 例子。a）在導航中的應用GPS的最早的目的便是為飛機、輪船提供準確的導 航系統，如今，它已成為海、陸、空導航定位技術中最先進的一種。 它可以為飛機的起降、 航行，輪船的進出港等各方面提供必要的幫助。 同時，還能實現陸上汽車的定位跟蹤，還有人利用GPS系統生產汽

20、 車防盜裝置。美國一森林公園甚至用GPS來保護珍稀動物。目前在 國內也已經大量應用GPS技14術，主要用于城市交通的管理，車輛的 管理，以及公安、民航等部門。b）在精密測繪中的應用：由于GPS載波相位測量技術能夠精確的測定 兩點間的相對位置，精度可達10一7一10一8，因此可以為大地， 海洋測量、航空攝影測量以及地震監控等提供高精度， 現代化的測量 手段。C）在大氣研究中的應用:利用GPS所測定的電離層延遲和多普勒頻移 延遲，可用來研究電離層的電子積分濃度，折射系數，電子濃度隨高 度分布以及上述電離層參量在時間和空間上的相關性等。d）為武器精確制導:應用CPS/INS組合制導系統時，GPS不斷

21、修正導 彈飛行中的慣性導航誤差， 可以提高制導精度， 增強武器的精確打擊 能力，這項功能已經在海灣戰爭中發揮了巨大的作用， 大大提高了武 器的命中率。e）精密定時中的應用：由于GPS衛星有非常穩定的時鐘源，因而在遠 距離定時同步等方面起到了重要的作用。 在現在數字同步網不斷發展的情況下，時鐘的同步成為一個非常關鍵的問題，通過從GPS衛星 信號中提取時鐘，可以提高時鐘的同步精度，大約能達到10ns/天，這完全能滿足通信的需要。目前已有專門用于定時的GPS接收機。F）在移動衛星地球站 中的應用：目前郵電應急通信系統中移動衛星地 球站得到了廣泛的應用， 不少機動通信局都裝備了衛星通信車， 但在 實際

22、應用中，如何使天線準確地指向衛星是一件令許多工程技術人員 頭疼的事。現在，我們可以利用GPS定位和天線驅動技術相結合來 獲得理想的效果，整套系統由GPS飛接收機、羅盤、傾斜計和天線 跟蹤控制系統構成：當衛星通信車到達指定地點后，車上的GPS接收 機測出當地的經緯度和海拔， 用戶只需輸人衛星的經度， 系統就可以 根據羅盤指向、傾斜計讀數、當地經緯度、15真磁北夾角（由經緯度計算）和衛星經度計算天線的仰角和方位角。這樣，可以使操作人員方 便地找到衛星。2、GPS系統的局限和發展方向雖然GPS系統發揮了很大的作用，但由于其系統的特點，也 存在著難以克服的弱點，最大的 問題就是因為它是 衛星系統 ，所 以接收機必須在有一片相當大的凈空的條件下才能