精細農業

第二章全球定位系統及其應用

2.1基礎知識（1）GPS定位系統的發展歷史GPS的實施計劃，它可以分為三個階級：第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年，共發射了4顆試驗衛星，研制了地面接收機及建立地面跟蹤網，從硬件和軟件上進行了試驗，試驗結果令人滿意。

第二階段為全面研制和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續發射了7顆試驗衛星。與此同時，研制了各種用途的接收機，主要是導航型接收機，同時測地型接收機也相繼問世。試驗表明，GPS的定位精度遠遠超過設計標準，利用粗碼的定位精度幾乎提高了一個數量級，達到14m。

第三階段為實用組網階段。1989年2月4日第一顆GPS工作衛星發射成功，宣告了GPS系統進入工程建設階段。這種工作衛星稱為

BlockⅡ和BlockⅡA衛星。這兩組衛星的差別是：BlockⅡA衛星增強了軍事應用功能，擴大了數據存儲容量；BlockⅡ衛星只能存儲供14天用的導航電文(每天更新三次)；而BlockⅡA衛星能存儲供180天用的導航電文，確保在特殊情況下使用GPS衛星。實用型的GPS網即（21+3）GPS星座已經建成，今后將根據計劃更換失效的衛星。

（2）其它獨立的衛星導航與定位系統

GLONASS衛星星座歐洲EGNOS系統伽利略系統日本MSAS系統

衛星定位系統種類星座衛星數目（顆）衛星平均高度（km）衛星運行周期（min）載波頻率（MHz）L1L2GPS(美國)21+3202007181565～15861217～1238GLONASS(前蘇聯)21+3191006751603～16161246～1256NAVSAT(歐洲空間局)12+6201787201561～15691224～1232伽利略系統3024000／／／

（3）GPS定位系統的特點

GPS相對于其它導航與定位系統的特點

（1）全球地面連續覆蓋。GPS有24顆衛星，且分布合理，所以在地球上和近地空間上任何一點，均可以連續同步地觀測4顆以上衛星、實現全球、全天候連續導航定位。（2）功能多，精度高。GPS可為各類用戶連續地提供動態目標的三維位置，三維速度和時間信息。一般來說，目前其單點實時定位精度可達5m～10m，靜態相對定位精度可達1~0.01ppm，測速精度為0.1m/s，而測時精度約為數十納秒。隨著GPS測量技術和數據處理技術的發展，其定位、測速和測時的精度將進一步提高。

（3）實時定位速度快。利用全球定位系統一次定位和測速工作在一秒至數秒鐘內便可完成，這對高動態用戶來說尤為重要。（4）被動式全天候導航定位。這種導航定位不僅隱蔽性好，而且可以容納無數多用戶。（5）抗干擾性能好，保密性強。由于GPS采用了數字通訊的特殊編碼技術，即偽隨機噪聲碼技術，因而GPS衛星所發送的信號，具有良好的抗干擾性和保密性。

GPS應用于測量的特點

相對于經典的測量學來說，這一新技術的主要特點如下：（1）觀測站之間無需通視。

（2）定位精度高。在小于50km的基線上，其相對定位精度可達1～2×10-6，而在100km～500km的基線上可達10-6～10-7。隨著觀測技術與數據處理方法的改善，可望在大于1000km的距離上，相對定位精度達到或優于10-8。（3）觀測時間短。

（4）提供三維坐標。（5）操作簡便。

（6）全天候作業。

2全球定位系統GPS的組成概況

全球定位系統（GPS）主要由三部分組成，即由GPS衛星組成的空間部分、由若干地面站組成的控制部分和以接收機為主體的廣大用戶部分.

1空間部分

（1）

GPS空間衛星星座的構成

全球定位系統的空間衛星星座，由24顆衛星組成，其中包括3顆備用衛星。衛星分布在6個軌道面內，每個軌道面上分布有4顆衛星。衛星軌道面相對地球赤道面的傾角約為55o，各軌道平面升交點（與赤道交點）之間的角距為60o。相鄰軌道之間的衛星還要彼此叉開40o。軌道平均高度約為20200km，衛星運行周期為11小時58分。因此，同一觀測站上，每天出現的衛星分布圖形相同，只是每天提前約4分鐘。每顆衛星每天約有5個小時在地平線以上，同時位于地平線以上的衛星數目，隨時間和地點而異，最少為4顆，最多可達11顆。GPS衛星及其功能

GPS衛星的主體呈圓柱形，直徑約為1.5m，重約774kg(包括310kg燃料)，兩側設有兩塊雙葉太陽能板，能自動對日定向，以保證衛星正常工作用電。每顆衛星裝有4臺高精度原子鐘(2臺銣鐘和2臺銫鐘)，這是衛星的核心設備。它將發射標準頻率信號，為GPS定位提供高精度的時間標準。地面監控部分

GPS的地面監控部分，目前主要由分布在全球的5個地面站所組成，其中包括衛星監測站、主控站和信息注入站。

GPS地面監控部的分布地面監控系統圖(1)監測站

監測站，是在主控站直接控制下的數據自動采集中心。站內設有雙頻GPS接收機、高精度原子鐘、計算機和若干臺環境數據傳感器。接收機對GPS衛星進行連續觀測，以采集數據和監測衛星的工作狀況。原子鐘提供時間標準，而環境傳感器收集有關當地的氣象數據。所有觀測資料由計算機進行初步處理，并存儲和傳送到主控站，用以確定衛星的軌道。(2)主控站

主控站一個，設在科羅拉多·斯平土(ColoradoSprings)的聯合空間執行中心。主控站除協調和管理地面監控系統的工作外，其主要任務是:●根據本站和其它監測站的所有觀測資料，推算編制各衛星的星歷、衛星鐘差和大氣層的修正參數等，并把這些數據傳送到注入站?！裉峁┤蚨ㄎ幌到y的時間基準。各監測站和GPS衛星的原于鐘，均應與主控站的原子鐘同步，或測出其間的鐘差，并把這些鐘差信息編入導航電文，送到注入站?！裾{整偏離軌道的衛星，使之沿預定的軌道運行?！駟⒂脗溆眯l星以代替失效的工作衛星。

注入站現有3個，分別設在印度洋的迭哥加西亞(DiegoGarcia)；南大西洋的阿松森島(Ascencion)和南太平洋的卡瓦加蘭(Kwajalein)。注入站的主要設備包括二臺直徑為3.6m的天線、一臺C波段發射機和一臺計算機。其主要任務是在主控站的控制下，將主控站推算和編制的衛星星歷、鐘差、導航電文和其它控制指令等，注入到相應衛星的存儲系統，并監測注入信息的正確性。

(3)注入站

用戶設備部分

全球定位系統的空間部分和地面監控部分，是用戶應用該系統進行定位的基礎，而用戶只有通過用戶設備，才能實現應用GPS定位的目的。用戶設備的主要任務是，接收GPS衛星發射的無線電信號，以獲得必要的定位信息及觀測量，并經數據處理而完成定位工作。

用戶設備，主要由GPS接收機硬件和數據處理軟件，以及微處理機及其終端設備組成，而GPS接收機的硬件，一般包括主機、天線和電源。

GPS發展趨勢

①繼續向小型化、輕型化發展；②結構模塊化，減少易損的接口；③控制器小型化，以便用戶操作，提高自動化程度；④降低功率消耗；⑤改善存儲器管理，增大存儲容量；⑥增加接收機的通道數，以便同時跟