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1、GPS技術(shù)及應用一、系統(tǒng)概述GPS是全球定位系統(tǒng)的簡稱,是美國從20世紀70年代開始研制的,歷時20年,耗資200億美元,于1994年全面建成,具有在海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛(wèi)星導航與定位系統(tǒng),可提供陸地、海洋、航空等實時性的導航、定位、定時甚至速度測量等功能。二、GPS系統(tǒng)的組成GPS系統(tǒng)包括三大部分:空間部分—GPS衛(wèi)星星座;地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng);用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機。GPS衛(wèi)星星座:由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座記作(21+3)GPS星座。24顆衛(wèi)星均勻分布在6個
2、軌道平面內(nèi)軌道傾角為55度各個軌道平面之間相距60度即軌道的升交點赤經(jīng)各相差60度。每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛(wèi)星超前30度。在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星當?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時它們繞地球運行二周即繞地球一周的時間為12恒星時。這樣對于地面觀測者來說每天將提前4分鐘見到同一顆GPS衛(wèi)星。位于地平線以上的衛(wèi)星顆數(shù)隨著時間和地點的不同而不同最少可見到4顆最多可見到11顆。在用GPS信號導航定位時為了結(jié)算測站的三維坐標必須觀測4顆GPS衛(wèi)星稱為定位星座。這4顆衛(wèi)星在觀測過程中
3、的幾何位置分布對定位精度有一定的影響。對于某地某時甚至不能測得精確的點位坐標這種時間段叫做“間隙段”。但這種時間間隙段是很短暫的并不影響全球絕大多數(shù)地方的全天候、高精度、連續(xù)實時的導航定位測量。GPS工作衛(wèi)星的編號和試驗衛(wèi)星基本相同。地面監(jiān)控系統(tǒng):對于導航定位來說GPS衛(wèi)星是一動態(tài)已知點。星的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷—描述衛(wèi)星運動及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)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)星是否一直沿著預定軌道運行都要由地面設(shè)備進行監(jiān)測和控制。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于
4、同一時間標準—GPS時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間求出鐘差。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)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。GPS信號接收機:GPS信號接收機的任務是:能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號并跟蹤這些衛(wèi)星的運行對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文實時地計算出測站的三維位置位置甚至三維速度和時間。GPS衛(wèi)星發(fā)送的導航定位信號是一種可供無數(shù)用戶共享的信息
5、資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備即GPS信號接收機??梢栽谌魏螘r候用GPS信號進行導航定位測量。根據(jù)使用目的的不同用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來分類。靜態(tài)定位中GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中固定不變接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置解算出接收機天線所在位置的三維坐標。而動態(tài)定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運行軌跡。GPS信
6、號接收機所位于的運動物體叫做載體(如航行中的船艦空中的飛機行走的車輛等)。載體上的GPS接收機天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運動接收機用GPS信號實時地測得運動載體的狀態(tài)參數(shù)(瞬間三維位置和三維速度)。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(shè)備。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元兩大部分。對于測地型接收機來說兩個單元一般分成兩個獨立的部件觀測時將天線單元安置在測站上接收單元置于測站附近的適當?shù)胤接秒娎|線將兩者連接成一個整機。也有的將天線單元和接收單元制作成一個整體觀測時將其安置在測站點上。
7、GPS接收機一般用蓄電池做電源。同時采用機內(nèi)機外兩種直流電源。設(shè)置機內(nèi)電池的目的在于更換外電池時不中斷連續(xù)觀測。在用機外電池的過程中機內(nèi)電池自動充電。關(guān)機后機內(nèi)電池為RAM存儲器供電以防止丟失數(shù)據(jù)。近幾年國內(nèi)引進了許多種類型的GPS測地型接收機。各種類型的GPS測地型接收機用于精密相對定位時其雙頻接收機精度可達5MM+1PPM.D單頻接收機在一定距離內(nèi)精度可達10MM+2PPM.D。用于差分定位其精度可達亞米級至厘米級。目前各種類型的GPS接收機體積越來越小重量越來越輕便于野外觀測。GPS和GLONASS兼容的全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)接收機
8、已經(jīng)問世。三、GPS的定位原理GPS的基本定位原理是:衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息用戶接收到這些信息后經(jīng)過計算求出接收機的三維位置三維方向以及運動速度和時間信息。四、GPS系統(tǒng)的特點GPS系統(tǒng)具有以下主要特點:高精度、全天