全球定位系統(tǒng)(GPS)簡介

全球定位系統(tǒng)(GPS)是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導航服務，并用于情報收集、核爆炸監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰(zhàn)略的重要組成。經(jīng)過20余年的研究實驗，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設完成。

前身

GPS全球定位系統(tǒng)GPS系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種“子午儀”導航衛(wèi)星系統(tǒng)(Transit），1958年研制，64年正式投入使用。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過地球13次，并且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗，并驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位的可行性，為GPS系統(tǒng)的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。為此,美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)計劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆試驗衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上初步試驗了原子鐘計時系統(tǒng)，這是GPS系統(tǒng)精確定位的基礎。而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛(wèi)星組成3至4個星群的計劃，這些衛(wèi)星中除1顆采用同步軌道外其余的都使用周期為24h的傾斜軌道 該計劃以偽隨機碼(PRN)為基礎傳播衛(wèi)星測距信號，其強大的功能，當信號密度低于環(huán)境噪聲的１％時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統(tǒng)得以取得成功的一個重要基礎。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態(tài)的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態(tài)服務，然而系統(tǒng)過于復雜。由于同時研制兩個系統(tǒng)會造成巨大的費用而且這里兩個計劃都是為了提供全球定位而設計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，并由國防部牽頭的衛(wèi)星導航定位聯(lián)合計劃局（JPO)領(lǐng)導，還將辦事機構(gòu)設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構(gòu)成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。

階段計劃
GPS 實施計劃共分三個階段：

第一階段為方案論證和初步設計階段。從1973年到1979年，共發(fā)射了4顆試驗衛(wèi)星。研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)。 GPS全球定位系統(tǒng)

第二階段為全面研制和試驗階段。從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆試驗衛(wèi)星，研制了各種用途接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準。

第三階段為實用組網(wǎng)階段。1989年2月4日第一顆 GPS 工作衛(wèi)星發(fā)射成功，表明GPS系統(tǒng)進入工程建設階段。1993年底實用的 GPS 網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。

全球定位系統(tǒng)具有性能好、精度高、應用廣的特點，是迄今最好的導航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進，硬、軟件的不斷完善，應用領(lǐng)域正在不斷地開拓，已遍及國民經(jīng)濟各種部門，并開始逐步深入人們的日常生活。經(jīng)近 10年中國測繪等部門的使用表明，GPS以全天候高精度、自動化高效益等顯著特點，贏得廣大測繪工作者的信賴，并成功地應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、運載工具導航和管制、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學等多種學科，從而給測繪領(lǐng)域帶來一場深刻的技術(shù)革命。

?主要組成

GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成：
空間部分———GPS星座；
地面控制部分———地面監(jiān)控系統(tǒng)；
用戶設備部分———GPS信號接收機。
　　
1.空間部分
　　
GPS的空間部分是由24顆工作衛(wèi)星組成,它位于距地表20 200km的上空,均勻分布在6 個軌道面上(每個軌道面4 顆) ,軌道傾角為55°。此外,還有4顆有源備份衛(wèi)星在軌運行。衛(wèi)星的分布使得在全球任何地方、任何時間都可觀測到4 顆以上的衛(wèi)星,并能保持良好定位解算精度的幾何圖象。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。GPS衛(wèi)星產(chǎn)生兩組電碼, 一組稱為C/A碼( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ；一組稱為P碼(Procise Code 10123MHz) ,P碼因頻率較高,不易受干擾,定位精度高,因此受美國軍方管制,并設有密碼,一般民間無法解讀,主要為美國軍方服務。C/A碼人為采取措施而刻意降低精度后,主要開放給民間使用。

　　
2.地面控制部分
　　
地面控制部分由一個主控站，5個全球監(jiān)測站和3個地面控制站組成。監(jiān)測站均配裝有精密的銫鐘和能夠連續(xù)測量到所有可見衛(wèi)星的接受機。監(jiān)測站將取得的衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),包括電離層和氣象數(shù)據(jù),經(jīng)過初步處理后,傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測站收集跟蹤數(shù)據(jù)，計算出衛(wèi)星的軌道和時鐘參數(shù),然后將結(jié)果送到3個地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運行至上空時，把這些導航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對每顆GPS衛(wèi)星每天一次,并在衛(wèi)星離開注入站作用范圍之前進行最后的注入。如果某地面站發(fā)生故障,那么在衛(wèi)星中預存的導航信息還可用一段時間,但導航精度會逐漸降低。
　　
3.用戶設備部分

GPS全球定位系統(tǒng)用戶設備部分即GPS信號接收機。其主要功能是能夠捕獲到按一定衛(wèi)星截止角所選擇的待測衛(wèi)星,并跟蹤這些衛(wèi)星的運行。當接收機捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號后,即可測量出接收天線至衛(wèi)星的偽距離和距離的變化率,解調(diào)出衛(wèi)星軌道參數(shù)等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù),接收機中的微處理計算機就可按定位解算方法進行定位計算,計算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時間等信息。
　　
接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS 數(shù)據(jù)的后處理軟件包構(gòu)成完整的GPS用戶設備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機一般采用機內(nèi)和機外兩種直流電源。設置機內(nèi)電源的目的在于更換外電源時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電源時機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后,機內(nèi)電池為RAM存儲器供電,以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類型的接受機體積越來越小,重量越來越輕,便于野外觀測使用。

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