GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的工作原理

1、美國(guó)GPS:由美國(guó)國(guó)防部于20世紀(jì)70年代初開(kāi)始設(shè)計(jì)、研制，于1993年全部建成。1994年，美國(guó)宣布在10年內(nèi)向全世界免費(fèi)提供GPS使用權(quán)，但美國(guó)只向外國(guó)提供低精度的衛(wèi)星信號(hào)。據(jù)信該系統(tǒng)有美國(guó)設(shè)置的后門(mén)”，一旦發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)可以關(guān)閉對(duì)某地區(qū)的信息服務(wù)。歐盟伽利略”：1999年，歐洲提出計(jì)劃，準(zhǔn)備發(fā)射30顆衛(wèi)星，組成伽利略”衛(wèi)星定位系統(tǒng)。今年該計(jì)劃正式啟動(dòng)。俄羅斯格洛納斯”：尚未部署完畢。始于上世紀(jì)70年代，需要至少18顆衛(wèi)星才能確保覆蓋俄羅斯全境；如要提供全球定位服務(wù)，則需要24顆衛(wèi)星。中國(guó)北斗”：2003年我國(guó)北斗一號(hào)建成并開(kāi)通運(yùn)行，不同于GPS,北斗”的指揮機(jī)和終端之間可以雙向交流。去年

2、5月12日四川大地震發(fā)生后，北京武警指揮中心和四川武警部隊(duì)運(yùn)用北斗”進(jìn)行了上百次交流。北斗二號(hào)系列衛(wèi)星今年起將進(jìn)入組網(wǎng)高峰期，預(yù)計(jì)在2015年形成由三十幾顆衛(wèi)星組成的覆蓋全球的系統(tǒng)。最成熟的是美國(guó)的GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，下面我來(lái)介紹一下這種導(dǎo)航系統(tǒng)。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GloblePositioningSystem)是一種結(jié)合衛(wèi)星及通訊發(fā)展的技術(shù)，利用導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行測(cè)時(shí)和測(cè)距。全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱(chēng)GPS)是美國(guó)從本世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，經(jīng)過(guò)20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。具有海陸空全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星

3、導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)近十年我國(guó)測(cè)繪等部門(mén)的使用表明，全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)以全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等特點(diǎn)，成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)測(cè)量、工程變形測(cè)量、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，取得了好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。GPS的組成GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成：空間部分一GPS星座(GPS星座是由24顆衛(wèi)星組成的星座，其中21顆是工作衛(wèi)星，3顆是備份衛(wèi)星);地面控制部分一地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分一GPS信號(hào)接收機(jī)。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20200km的上空，均勻分布在6個(gè)軌道面上(每個(gè)軌道面4顆)，軌道

4、傾角為55°。此外，還有4顆有源備份衛(wèi)星在軌運(yùn)行。衛(wèi)星的分布使得在全球任彳S地方、任何時(shí)間都可觀測(cè)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(shí)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(chēng)為C/A碼(Coarse/AcquisitionCode11023MHz);一組稱(chēng)為P碼(ProciseCode10123MHz),P碼因頻率較高，不易受干擾，定位精度高，因此受美國(guó)軍方管制，并設(shè)有密碼，一般民間無(wú)法解讀，主要為美國(guó)軍方服務(wù)。C/A碼人為采取措施而刻意降低精度后，主要開(kāi)放給民間使用。2 .地面控制部分地面控制部分由一個(gè)主控站,5個(gè)全球監(jiān)測(cè)站和3個(gè)地面控

5、制站組成。監(jiān)測(cè)站均配裝有精密的葩鐘和能夠連續(xù)測(cè)量到所有可見(jiàn)衛(wèi)星的接受機(jī)。監(jiān)測(cè)站將取得的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，包括電離層和氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)初步處理后，傳送到主控站。主控站從各監(jiān)測(cè)站收集跟蹤數(shù)據(jù)，計(jì)算出衛(wèi)星的軌道和時(shí)鐘參數(shù)，然后將結(jié)果送到3個(gè)地面控制站。地面控制站在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)，把這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS衛(wèi)星每天一次，并在衛(wèi)星離開(kāi)注入站作用范圍之前進(jìn)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(yù)存的導(dǎo)航信息還可用一段時(shí)間，但導(dǎo)航精度會(huì)逐漸降低。對(duì)于導(dǎo)航定位來(lái)說(shuō)，GPS衛(wèi)星是一動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷一描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)

6、星所播發(fā)的星歷，是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備是否正常工作，以及衛(wèi)星是否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)GPS時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測(cè)各顆衛(wèi)星的時(shí)間，求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星，衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。3 .用戶設(shè)備部分用戶設(shè)備部分即GPS信號(hào)接收機(jī)。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(cè)衛(wèi)星，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行。當(dāng)接收機(jī)捕獲到跟蹤的衛(wèi)星信號(hào)后，即可測(cè)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

7、數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，接收機(jī)中的微處理計(jì)算機(jī)就可按定位解算方法進(jìn)行定位計(jì)算，計(jì)算出用戶所在地理位置的經(jīng)緯度、高度、速度、時(shí)間等信息。接收機(jī)硬件和機(jī)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(shè)備。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩部分。接收機(jī)一般采用機(jī)內(nèi)和機(jī)外兩種直流電源。設(shè)置機(jī)內(nèi)電源的目的在于更換外電源時(shí)不中斷連續(xù)觀測(cè)。在用機(jī)外電源時(shí)機(jī)內(nèi)電池自動(dòng)充電。關(guān)機(jī)后，機(jī)內(nèi)電池為RAM存儲(chǔ)器供電，以防止數(shù)據(jù)丟失。目前各種類(lèi)型的接受機(jī)體積越來(lái)越小，重量越來(lái)越輕，便于野外觀測(cè)使用。GPS的原理GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知

8、道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過(guò)紀(jì)錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到（由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）:當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱(chēng)偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P（Y）碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1微秒，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz,重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而丫碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的

9、，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來(lái)，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s。前三幀各10個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知?？梢?jiàn)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷

10、地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)A即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來(lái)。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。GPS接收機(jī)可接收到可用于授時(shí)的準(zhǔn)確至納秒級(jí)的時(shí)間信息；用于預(yù)報(bào)未來(lái)幾個(gè)月內(nèi)衛(wèi)星所處概略位置的預(yù)報(bào)星歷；用于計(jì)算定位時(shí)所需衛(wèi)星坐標(biāo)的廣播星歷，精度為幾米至幾十米（各個(gè)衛(wèi)星不同，隨時(shí)變化）；以及GPS系統(tǒng)信息，如衛(wèi)星狀況等。GPS接收機(jī)對(duì)碼的量測(cè)就可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，由于含有接收機(jī)衛(wèi)星鐘的誤差及大氣傳播誤差，故稱(chēng)為偽距。對(duì)0A碼測(cè)得

11、的偽距稱(chēng)為UA碼偽距，精度約為20米左右,對(duì)P碼測(cè)得的偽距稱(chēng)為P碼偽距，精度約為2米左右。GPS接收機(jī)對(duì)收到的衛(wèi)星信號(hào)，進(jìn)行解碼或采用其它技術(shù)，將調(diào)制在載波上的信息去掉后，就可以恢復(fù)載波。嚴(yán)格而言，載波相位應(yīng)被稱(chēng)為載波拍頻相位，它是收到的受多普勒頻移影響的衛(wèi)星信號(hào)載波相位與接收機(jī)本機(jī)振蕩產(chǎn)生信號(hào)相位之差。一般在接收機(jī)鐘確定的歷元時(shí)刻量測(cè)，保持對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤，就可記錄下相位的變化值，但開(kāi)始觀測(cè)時(shí)的接收機(jī)和衛(wèi)星振蕩器的相位初值是不知道的，起始?xì)v元的相位整數(shù)也是不知道的，即整周模糊度，只能在數(shù)據(jù)處理中作為參數(shù)解算。相位觀測(cè)值的精度高至毫米，但前提是解出整周模糊度，因此只有在相對(duì)定位、并有一段連續(xù)觀

12、測(cè)值時(shí)才能使用相位觀測(cè)值，而要達(dá)到優(yōu)于米級(jí)的定位精度也只能采用相位觀測(cè)值。按定位方式，GPS定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位（差分定位）。單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測(cè)量，可用于車(chē)船等的概略導(dǎo)航定位。相對(duì)定位（差分定位）是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。在GPS觀測(cè)量中包含了衛(wèi)星和接收機(jī)的鐘差、大氣傳播延遲、多路徑效應(yīng)等誤差，在定位計(jì)算時(shí)還要受到衛(wèi)星廣播星歷誤差的影響，在進(jìn)行相對(duì)定位時(shí)大部分公共誤差被抵消或削弱，因此定位精度將大大提高

13、，雙頻接收機(jī)可以根據(jù)兩個(gè)頻率的觀測(cè)量抵消大氣中電離層誤差的主要部分，在精度要求高，接收機(jī)間距離較遠(yuǎn)時(shí)（大氣有明顯差別），應(yīng)選用雙頻接收機(jī)。GPS的特點(diǎn)全球定位系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：（1）全球、全天候工作。定位精度高。單擊定位精度優(yōu)于10m,采用差分定位，精度可達(dá)厘米級(jí)和毫米級(jí)。功能多，應(yīng)用廣。GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡(jiǎn)便、應(yīng)用廣泛等。1、定位精度高應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明，GPS相對(duì)定位精度在50KM以?xún)?nèi)可達(dá)10-6,100-500KM可達(dá)10-7,1000KM可達(dá)10-9。在300-1500M工程精密定位中，1小時(shí)以上觀測(cè)的解其平面其平面位置誤差小于1mm,與ME-5000電

14、磁波測(cè)距儀測(cè)定得邊長(zhǎng)比較，其邊長(zhǎng)較差最大為0.5mm,校差中誤差為0.3mm。2、觀測(cè)時(shí)間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前，20KM以?xún)?nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需15-20分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15KM以?xún)?nèi)時(shí)，流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)間只需1-2分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)只需幾秒鐘。GPS的功能全球定位系統(tǒng)的主要用途：(1)陸地應(yīng)用，主要包括車(chē)輛導(dǎo)航、應(yīng)急反應(yīng)、大氣物理觀測(cè)、地球物理資源勘探、工程測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、市政規(guī)劃控制等；(2)海洋應(yīng)用，包括遠(yuǎn)洋船最佳航程航線測(cè)定、船只實(shí)時(shí)調(diào)度與導(dǎo)航、海洋救援、海洋探寶、水文地質(zhì)測(cè)量以及海洋平臺(tái)定位、海平面

15、升降監(jiān)測(cè)等；航空航天應(yīng)用，包括飛機(jī)導(dǎo)航、航空遙感姿態(tài)控制、低軌衛(wèi)星定軌、導(dǎo)彈制導(dǎo)、航空救援和載人航天器防護(hù)探測(cè)等。你選擇用上面或下面的(？精確定時(shí)：廣泛應(yīng)用在天文臺(tái)、通信系統(tǒng)基站、電視臺(tái)中?工程施工：道路、橋梁、隧道的施工中大量采用GPS設(shè)備進(jìn)行工程測(cè)量?勘探測(cè)繪：野外勘探及城區(qū)規(guī)劃中都有用到?導(dǎo)航：武器導(dǎo)航：精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈車(chē)輛導(dǎo)航：車(chē)輛調(diào)度、監(jiān)控系統(tǒng)船舶導(dǎo)航：遠(yuǎn)洋導(dǎo)航、港口/內(nèi)河引水飛機(jī)導(dǎo)航：航線導(dǎo)航、進(jìn)場(chǎng)著陸控制星際導(dǎo)航：衛(wèi)星軌道定位個(gè)人導(dǎo)航：個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn)?定位：車(chē)輛防盜系統(tǒng)手機(jī)，PDA,PPC等通信移動(dòng)設(shè)備防盜，電子地圖，定位系統(tǒng)兒童及特殊人群的防走失系統(tǒng)農(nóng)業(yè)勘測(cè))GPS的

16、應(yīng)用主要是為船舶，汽車(chē)，飛機(jī)等運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行定位導(dǎo)航。例如:1 .船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航和進(jìn)港引水2飛機(jī)航路引導(dǎo)和進(jìn)場(chǎng)降落3 .汽車(chē)自主導(dǎo)航4 .地面車(chē)輛跟蹤和城市智能交通管理5 .緊急救生6 .個(gè)人旅游及野外探險(xiǎn)7 .個(gè)人通訊終端(與手機(jī)，PDA,電子地圖等集成一體)8 .電力，郵電，通訊等網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間同步9 .準(zhǔn)確時(shí)間的授入10 .準(zhǔn)確頻率的授入11 .各種等級(jí)的大地測(cè)量，控制測(cè)量12 .道路和各種線路放樣13 .水下地形測(cè)量14 .地殼形變測(cè)量，大壩和大型建筑物變形監(jiān)測(cè)15 .GIS應(yīng)用16 .工程機(jī)械（輪胎吊，推土機(jī)等）控制17.精細(xì)農(nóng)業(yè)GPS的前景由于GPS技術(shù)所具有的全天候、高精度和自動(dòng)測(cè)量的特點(diǎn)，作為先進(jìn)的測(cè)量手段和新的生產(chǎn)力，已經(jīng)融入了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的各