• 延伸阅读1:GPS

GPS简介:

GPS即全球定位系统(Global Positioning System),是美国国防部从本世纪70年代开始研制,历时20年,耗资200亿美元,于1994年全面建成,具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。按目前的方案,全球定位系统的空间部分使用28颗(24颗运营,4颗备星)高度约20200公里的卫星组成卫星星座。


GPS是目前世界上最完善的卫星导航系统与定位系统,它不仅具有全球性、全天候、实时高精度,三维导航与定位能力,而且具有良好的抗干扰和保密性。因此引起世界各国军事部门和广大民用部门的普遍关注;由于GPS 定位技术的高度自动化,其所达到的高精度和具有潜力,也引起测绘界的高度重视,特别是近几年来,GPS定位技术在应用基础的研究、新应用领域的开拓、软件和硬件的开发等方面都取得了迅速的发展!

GPS定位原理:

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,采用空间距离后方交会的方法,确定待测点的位置。如图所示,假设S1、S2和S3 S4表示已知位置的3颗卫星,P为接收机天线位置(图中黄色位置),即待求点位置。如果已测量出P点到两个已知卫星间的距离D,即D=∣SiP∣×∣SjP∣。i≠j则可以Si和Sj为焦点,以D为焦距绘出3组空间曲面,3个曲面的交点即为P点的位置。这种方式需要3个距离差值,至少需要观测4个以上的GPS工作卫星,才能完成定位工作。


GPS的组成

GPS系统由空间系统、地面监控系统和用户系统三部分组成。



一、空间系统

空间系统由21颗工作卫星和3颗备用卫星组成,均匀地分布在倾角为55度的6个轨道(如图1)上,各轨道面之间的交角为60度,卫星距地球约20200km,运行周期为11h58min,在全球任何地区任何时间都可以随时接收至少4颗卫星信号,GPS卫星的主体呈圆柱形,直径约为1.5m,重约774kg(包括310kg燃料),两侧各安装两块双叶太阳能电池板,能自动对日定向,以保证卫星正常工作的用电(图2)。每颗GPS卫星带有4台高精度原子钟,其中2台为铷钟,2台为铯钟。原子钟为GPS定位提供高精度的时间标准。每颗卫星上装有原子钟、微型计算机、电文接收存储和信号发射设备,并由太阳能电池提供电源。还备有少量燃料,用来调节卫星的轨道和姿态。

图1    GPS卫星星座
图2    GPS卫星

GPS卫星的主要作用在于:接收地面各注入站发送来的卫星星历(卫星在某时刻的位置)、钟差信息和信号的大气传播改正等信息,并连续不断的向用户发送含有上述信息的导航定位电文。每颗卫星用两个L波段频率发射载波无线电信号(L1=1575.42MHZ,波长L1=19cm,L2=1227.60MHZ,波长L2=24cm),向用户发送P码(精码,码长约30cm)和C/A码(粗码,码长约300m),P码只供美国军方和受权用户使用。C/A码的测距精度可达到20~40m。

二、地面监控系统

地面监控系统由1个主控站,5个监控站和3个注入站组成。地面监控系统工作原理如图3。


图3 地面监控系统


站点分布

 

  1. 主控站

主控站位于美国本土科罗拉多斯普林斯附近的佛肯空军基地,其任务是收集各监控站送来的所跟踪卫星的数据,并据此计算卫星轨道、钟差参数和外推出未来24H的卫星轨道和卫星钟参数,然后送至各注入站,此外还诊断卫星工作状态,调整卫星姿态和调度卫星。

    2.监控站

5个监控站分别建立在佛肯空军基地、夏威夷群岛、太平洋的长瓦加兰岛(Kawajalein)、印度洋的狄哥·伽西亚岛(Dingo Garcia)和大西洋的阿森松岛(Ascension)。每个监控站装配有双频GPS接收机、气象元素传感器、原子钟和微机。监控站是无人值守的GPS卫星跟踪站,在微机控制下,对视场中所有GPS卫星进行伪距测量,为了对观测值进行对流层延时改正,借助气象传感器自动采集当地的温度、气压和相对温度,并将每隔1.5s的观测结果,根据电离层和气象数据,采取平滑方法,获得每15min的结果数据,并将这些数据发送到主控站。

3.注入站

分布在长瓦加兰岛、狄哥·伽西亚岛和阿森松岛的3个注入站,接收主控站发送来的卫星星历和钟差信息。当某颗GPS卫星飞越注入站上空时,用10cm(s)波段的微波作载波,将该卫星的导航电文发给该卫星。每天注入三次,每次注入14天的星历。此外,注入站能定时自动向主控站报告自己的工作状态。


三、用户系统
用户系统包括GPS接收机和数据处理软件等。GPS接收机,一般由天线单元和信号接收单元两部分组成(如图)。

GPS现代化

随着现代科学技术的进步,为满足与日俱增的军民用户市场需求,GPS系统必须不断进行改进和完善。1999年1月25日,美国副总统戈尔宣布,将斥资40亿美元,进行GPS现代化。美国实施的GPS现代化,特别是GPSⅢ计划,其主要内容为:一是重新审视GPS的总体架构,达到GPS系统的长期的性能和功能要求,同时减少长期的总投资成本;二是确保GPS的综合效能,满足军用和民用的系统需求和应用需求,寻找可能的增强方式和手段;三是建成今后30年间最好的GNSS系统,居于国际领导地位和领先水平。

通过实施现代化计划,GPS的定位、导航和授时能力将得到进一步提高,将为美军提供抗干扰能力更高和信号安全性更好的服务,同时可在未来作战中剥夺其他国家使用GPS的权力。

其他卫星定位系统

GLONASS

    • 从1982年10月12日发射第一颗GLONASS卫星起,至1995年12月14日共发射了73颗卫星。
    • 由于卫星寿命过短,加之俄罗斯前一段时间经济状况欠佳,无法及时补充新卫星,故该系统不能维持正常工作。
    • 到目前为止(2006年3月20日),GLONASS系统共有17颗卫星在轨。其中有11颗卫星处于工作状态,2颗备用,4颗已过期而停止使用。俄罗斯计划到2007年使GLONASS系统的工作卫星数量至少达到18颗,开始发挥导航定位功能。

伽俐略(Galileo)卫星导航定位系统

    • 2002年3月24日欧盟决定研制组建自己的民用卫星导航定位系统—— Galileo系统。
    • Galileo卫星星座将由27颗工作卫星和3颗备用卫星组成,这30颗卫星将均匀分布在3个轨道平面上,卫星高度为23616km,轨道倾角为56°。
    • Galileo系统是一种多功能的卫星导航定位系统,具有公开服务、安全服务、商业服务和政府服务等功能,但只有前两种服务是自由公开的,后两种服务则需经过批准后才能使用。
    • 2005年12月28日第一颗Galileo试验卫星(Galileo In-Orbit Validation Elements--GlOVE-A)成功进入高度为2.3万Km的预定轨道。2006年1月12日,GlOVE-A已开始向地面发送信号。
    • 这标志着总投资为34亿欧元(约合41亿美元)的计划已进入实施阶段。到2010年欧洲将发射30颗服役期约为20年的正式卫星,完成伽利略卫星星座的部署工作。
    • 伽利略系统建成后,美欧两套相互兼容的导航定位系统将大大有助于提供导航定位的精度和可靠性。

北斗卫星导航定位系统

    • 我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道(东经80º和140º的赤道上空),此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道(东经110.5º的赤道上空),标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统——BD–1。
    • “北斗卫星导航系统”系统是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。
    • 空间部分包括两颗地球同步轨道卫星(GEO)组成。卫星上带有信号转发装置,完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。
    • 用户终端分为
      定位通信终端
      集团用户管理站终端
      差分终端
      校时终端等

       

BD–2

    • 为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高,中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统(BD–2)。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。卫星星座计划由GEO卫星,IGSO卫星和MEO卫星组成。此项工作将成为”十一五”期间的一项重要工作。