全球定位系统理论与应用研究进展概要

1、1专题三 全球定位系统理论与应用研究进展一、GPS理论研究进展GPS的全称是:Navigation Satellite Timing and Ranging Globalpositioning System。即，利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球 定位系统。现在，GPS已经在全世界范围内得到了广泛的应用，在军事，农业，航海，勘探等许多领域.发挥着积极的作用。1、GPS勺发展历程前苏联于1957年发射的第一颗人造地球卫星开启了人类星基 导航的大门,美国人提出的反向观测设想奠定了现代全球卫星 定位的理论基础。20世纪70年代,随着美苏军事竞争的逐步升级,美国迫切希望拥有能够在世界范围内实施精确

2、、快速定位和导航的 高端技术,从而掌握制空权。于是美国国防部 于1973年开始组织研 制能满足陆海空三军需要的“ 导航卫星定时和测距全球定位系统( NaviGation Satellite Timing and RangingGlobal Positioning System),简称GPS全球定位系统。GPS计划的实施分为三个阶段：19731977年为方案论证和设计;1978- 1988年为全面研制和试验；1989-1994年为组网阶段,到1994年3月建成了GPS系统。历时20多年,耗资200多亿美元,是美国继“ 阿波罗”登月飞船和航天 飞机后的第三大航天技术工程。该系统是能在海、陆、空进行

3、全方 位高准确度实时定位、测速、授时的新一代卫星导航定位系统。最早 的全球定位系统是“NNSS”(Navy Navigation SatelliteSystem),即海军导航卫星系统， 它于1958年底由美国海军开始实施，于1964年建成，但开始时只供美国军方使用， 直到1967年才开始提 供民用，并为2各国所采用，我国也于70年代中期 引人了NNSS定位 技术。该系统的问题在于其“单星、低轨、低频测速”体制，不能满足 高动态用户时导航定位的要求，也不能满足高精度的要求。因此， 美国与七十年代初又开始了新的导航定位系统的研制，并 于1973年发射了第一颗试验卫星，1989年又发射了第一颗GPS

4、工作 卫星，逐渐形成了现在的GPS定位系统。目前，世界上主要有两种卫星导航系统，即:NAVSTAR系统和CLONASS系统，前者属于美国国防部，而后者则是由前苏联开发的 系统。通常我们所说的GPS系统主要是指NAVSTAR系统。美军的GPS系统是世界上目前唯一最完善的卫星导航定位系 统,GPS系统经过 海湾战争、科索沃战争、阿富汗战争、伊拉克战争 以及各种冲突的历练,已成为美军及其盟军重要的电子信息系统,GPS系统是美军战斗力的倍增器,它在美军各项军事行动中发挥了巨大的 作用,也是美军保持其全球信息优势的重要基础。2、GPS的原理2.1 GPS系统组成一个完整的GP主要由空间段、控制段 和用户

5、段三部分构成。2.1.1空间段 由分布在6个轨道面上的24颗卫星组成 。卫星轨道高度20200km倾角55度,周期12小时。卫星用L波段的两个无线电载波 向广大用户连续不断地发送导航定位信号,导航定位信号中含有卫星 的位置信息,使卫星成为一个动态的已知点。在地球的任何地点、任 何时刻,在高度角15以上,平均可同时观测到6颗卫星,最多可达到9颗。卫星的轨道3分布保证在世界各地任何时间可见到至少6颗卫星,卫星连续向用户提供位置和时间信息。2.1.2控制段 由分布在全球的一个 主控站、五个监测站 和三个注 入站组成。主控站位于Colorado。监测站跟踪视野内所有GPSH星、 收集卫星测距信息,并把

6、收集的信息送到主站。主控站根据各监测站 对GP卫星的观测数据，计算各卫星的轨道参数、钟差参数等，并将这 些数据编制成导航电文,传送到注入站,再由注入站将主控站发来的 导航电文注入到相应卫星的存储器中。2.1.3用户段由GP接收机、数据处理软件及其终端设备（如计算 机）等组成。GPSg收机可捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测 卫星的信号,跟踪卫星的运行,并对信号进行交换、放大和处理,再通 过计算机和相应软件，经基线解算、网平差,求出GP接收机中心（测站 点）的三维坐标。2.2 GPS定位原理所有在轨运行的GPS卫星既是作为一系列的动态已知点、又是 作为无线电信号发射台存在于空间,它们发播的星

7、历信号为用户提 供卫星的空间坐标、轨道参数、时间、各种改正等一系列信息。接收 机接收这些星历信号,测量观测者距所选卫星的距离,然后根据所测 得距离求出观测者的坐标参数,这就是GPS定位。GPS定位是在GPS卫星的实时位置已知的前提下采用距离交会原理来实现位置的准确 确定的。 基本原理是:知道未知点到已知点的距离,未知点就必然位 于以已知点为球心、两点间距离为半径的球面上;如果已知A、B、C三个卫星的在轨坐标,又测出了观测站距三颗卫星的距离,然后分别 以这3个卫星为球心,以所测得的距离为半径画3个球面,则观测站4就一定位于这三个球面的相交处（若有多值解,可通过接收方向的判 断而剔除） ,从而准确

8、地解算出观测站的位置。二、GPS应用情况1、 目前状况GPS技术已发展成多领域（陆地、海洋、航空航天）、多模式（GPS,DGPS,LADGPS,WADGPS等）、多用途（在途导航、精密定位、精确定时、卫星定轨、灾害监测、资源调查、工程建设、市政规划、 海洋开发、交通管制等）、多机型（测地型、定时型、手持型、集成型、 车载式、船载式、机载式、星载式、弹载式等）的高新技术国际性产 业。GPS的应用领域非常广泛：（1）GPS在军事 上的应用1飞机导航2导弹制导、导弹拦截及目标精准打击3作战指挥4发射阵地快速定位5外弹道测量（2）GPS在 地 球 物 理 和 大 地 测 量 领 域 的 应 用5Art

9、 IMHrli.31地球物理观测2大地测量3水土保持4地形、地籍及房地产测量（3） 在航空航天及空间技术领域的应用（4） 在工程测试中的应用（5）GPS在 交 通 运 输 中 的 应 用671车辆调度指挥管理系统2车辆导航f/jfMM VUkA “ /勺.7. .7J, _?，WIT,J屮 W 妞矍矢卞通S999TV-J圍罕，戏:帥n明诗陶悶83车辆运行状态 测试弃北电 拥北斗 树铁路无线通信新旗帜作 者：葛逊据调查目前国内铁路系统所用无线通信系统为GSM-R技术拥有者为加拿大知名电讯设备制造商北电集团。 实际上国内也有自主研发的北斗导航系统， 但目前在铁路仅小规模应用， 暂未被大规模推广。铁

10、路专用通信是直接为铁路运输而设计使用的系统设施，分为铁路有线专用通信系统和铁路无线专用通信系统。对运行中的列车而言，无线通信尤其重要。GSM-R是2002年铁道部引进的技术，在欧洲广泛使用。技术拥有者北电集团，当时拥有全球GSM-F市场60%以上的份额。中国第一条全线应用GSM-R的铁路是青藏线。投资总额达了北电的目光，2003年10月，北电向铁道部提出在青藏线进行3月，铁道部批准，北电出色地完成了试验，获得铁道部的好感。电签署合作协议，将全国7个主要城市节点的GSM-R核心网络建设权交给北电集团，当时全国部署的GSM-F节点共有19个。双方并未透露合同金额。GSM-R铁路无线通信系统成为国内

11、主流已成趋势，当时铁路部提出“跨越式发展”的口号，要求在络覆盖全路70余条干线。事实上， 就在北电集团提出试验申请之前的2003年6月， 国内自主研发的无线通信系 统北斗导航系统就已经开始使用。但通信世界网了解到，这一系统至今都未能推广开。参与甬台温线GSM-F系统搭建者的主要是佳讯飞鸿和德国安弗施公司。佳讯飞鸿部署了基于GSM-R的FH98-G数字专用调度系统，该系统的主要优点之一就是“多层防雷防强电 保护设计”。安弗施公司则主要负责沿途的隧道信号覆盖。据了解有研究人员曾指出，铁路调度系统由有线和无线信号计算其速度后复合定位，精准度相对较低， 在列车速度高达200公里以上时定位效果更差。 定

12、位不准确使得调度工作 难度加大，为事故埋下隐患。262.1亿元的青藏铁路吸引GSM-R式验的方案，第二年2006年5月，铁道部与北2010年前GSM-R信网9北斗星通的最初想法是把北斗作为铁路的辅助通信系统。当时北斗系统刚开始使用， 成本较高，因此除郑州小规模试用外并未推广。事实上，2006年青藏铁路开通之前，青藏 铁路公司已经对北斗系统进行测试，验证了卫星定位信息的适用性和可靠性。而据知情人士称，现在一套北斗终端的价格最高不超过2万元，低价和竞争充分反而 成为其被弃用的原因之一。早在2003年，北斗导航系统的“铁路北斗卫星移动通讯平台”开始在郑州铁路局所属 的60台机车上投入使用。北斗卫星导

13、航系统是中国自行研制开发卫星定位与通信系统，与 美国的GPS俄罗斯的GLONAS并列。北斗导航系统具备双向通讯功能，最高定位精度可达 厘米级。 国内企业中，神州天鸿和北斗星通都拥有基于北斗的铁路调度系统。2005年7月31日，长春发生列车追尾事故，造成5人死亡。时任北斗星通副总经理的秦加法就表示： “在地面通信系统发生事故、 无法有效运行的情况下， 可以用卫星导航进行通信， 有效避免 追尾事故的发生。”北斗系统总设计师孙家栋曾表示： “到2015年，北斗系统相关产值将达到2000亿元，2020年将突破4000亿。”可见北斗系统的应用范围及其潜能将十分巨大（6）GPS在人们生产、生活中的应用在农

14、业领域中的应用4在林业 方面的应用在森林中进行常规测量相当困难，而GPS定位技术可以在确定 林区位置、计算可采伐木材面积、确定原始森林区域、森林火灾周边 勘测、寻找水源、 绘制精确的森林分布图等方面发挥独特的作用。美 国林业局用经纬仪和GPS对同一块林区进行面积测量，结果两者仅 差0.03%，这一实验证明了装备有GPS接收系统的直升飞机沿林区周 边飞行就可以对林区的面积进行符合精度要求的快速测量。GPS技 术用于森林防火已取得较好成效，美国研制的飞机+GPS接收机+热 红外观测系统， 沿火灾周边飞行并记录定位信息， 可快速确定火灾的 准确位置和绘制周边地形图，为采取灭火措施提供10准确的数据。

15、5GPS技术与GIS资源的合成应用GIS地理信息系统(Geography Information System)是研究 地理空间信息分布的科学技术， 比如一个城市， 它的地理空间中充满 着庞大的各式各样的信息：名胜古迹、旅游路线、文化娱乐设施、交 通信息、宾馆、医院、学校、研究机构、政府办事机构等等。利用现 代技术把这些信息建成数据库，就构成了数码城市的要素， 它既为二 维数码城市中的地图和三维数码城市模型提供大量信息， 又可与实现 数码城市3D重视的虚拟实现技术(VR)结合而构成了数码城市。 但是，GIS的发展与应用受到地理空间点位的定位在机动性、随时随地性、实用性等因素的制约。而GPS虽然

16、可快速给出某一目标的准 确位置，但无法提供该点周围环境的地理属性和与其相关的空间信 息。如果把GPS与GIS结合，就可形成具有重要实用价值的数码城 市系统。目前，国内外都在研发并已被实际应用。6旅游及野外考察11到风景秀丽的地区去旅游，到原始大森林、雪山峡谷或者大沙漠 地区去野外考察，GPS接收机是最忠实的向导。可以随时提供出行 者所在位置及行走速度和方向， 使你不会迷路。 目前小巧轻便的携带 式GPS接收机已经问世，最轻的才60多克，它不仅便于出行者的携 带，而且已用于大象、老虎、熊猫等动物的野外生存跟踪、牛羊牧群 的监控和相关信息采集。7海事应用GPS可应用于船只导航、海洋捕捞、海运跟踪、

17、海上事故搜救、 海洋勘探及海属范围划分等许多方面，应该说GPS技术在海事应用 方面是相当成功的一个应用领域。 比如我国的海洋鱼业，经过长年的 捕捞，近海的鱼类资源已趋于枯竭，渔民又不愿去深海，因为深海远 离陆地，水深浪急，在茫茫深海里找不到方向与位置，有可能不知不 觉就进入禁渔区、甚至越过国界，遇险时搜救很困难等等。目前，我 国已建成了为渔业生产服务的卫星定位导航监控系统，能随时获知渔ii船方位，引导鱼船进入深海作业，对遇险船只准确搜救，及时警告越 界或进入禁区的渔船等，为海洋捕鱼作业带来了革命性的转变。8GPS手机美国鉴于急难救助的激增，于1996年就颁布法令要求移动电话营运者需分阶段完成移

18、动定位的建设，以便能利用移动电话这个日渐普及的通讯工具协助警消与医疗机构强化对公众人身与财产安全的 保障。同时，许多有远见的企业家也察觉到移动定位可能成为颇具市 场潜力的应用领域。因此，人们开始研制基于GPS技术的手机，欧 美与日本等国大力投入13研发。到九十年代末便推出GPS手机产品并 开展手机定位服务；它们具有多个并行通道，屏幕地图能精确到街道， 可实时跟踪所在位置。这一新兴技术吸引了移动通讯、GIS及GPS厂 商的极大热忱。不过，GPS应用在移动定位中仍面临三大难题： 必 须与天空直视接收、 内建GPS芯片的耗电与成本、与手机制式的匹 配。授时GPS卫星不但提供导航定位信号， 还提供时间

19、基准。它精确 的定位能力是由其高精度的时间测量来实现的。 因此，在天文台、 通信系统、电视广播系统、电力系统、无线电与时间频率系统、野外作业等所有涉及时间、频率的领域，都可以通过GPS进行时间的校准和获取时间信息。GPS技术的存在和发展已使它从 军用产品走向了更为广阔的 民 用领域，它也被广泛地应用到各行各业中。 现就其典型的应用举几个 例子。a）在导航中的应用GPS的最早的目的便是为飞机、轮船提供准确的导 航系统，如今，它已成为海、陆、空导航定位技术中最先进的一种。 它可以为飞机的起降、 航行，轮船的进出港等各方面提供必要的帮助。 同时，还能实现陆上汽车的定位跟踪，还有人利用GPS系统生产汽

20、 车防盗装置。美国一森林公园甚至用GPS来保护珍稀动物。目前在 国内也已经大量应用GPS技14术，主要用于城市交通的管理，车辆的 管理，以及公安、民航等部门。b）在精密测绘中的应用：由于GPS载波相位测量技术能够精确的测定 两点间的相对位置，精度可达10一7一10一8，因此可以为大地， 海洋测量、航空摄影测量以及地震监控等提供高精度， 现代化的测量 手段。C）在大气研究中的应用:利用GPS所测定的电离层延迟和多普勒频移 延迟，可用来研究电离层的电子积分浓度，折射系数，电子浓度随高 度分布以及上述电离层参量在时间和空间上的相关性等。d）为武器精确制导:应用CPS/INS组合制导系统时，GPS不断

21、修正导 弹飞行中的惯性导航误差， 可以提高制导精度， 增强武器的精确打击 能力，这项功能已经在海湾战争中发挥了巨大的作用， 大大提高了武 器的命中率。e）精密定时中的应用：由于GPS卫星有非常稳定的时钟源，因而在远 距离定时同步等方面起到了重要的作用。 在现在数字同步网不断发展的情况下，时钟的同步成为一个非常关键的问题，通过从GPS卫星 信号中提取时钟，可以提高时钟的同步精度，大约能达到10ns/天，这完全能满足通信的需要。目前已有专门用于定时的GPS接收机。F）在移动卫星地球站 中的应用：目前邮电应急通信系统中移动卫星地 球站得到了广泛的应用， 不少机动通信局都装备了卫星通信车， 但在 实际

22、应用中，如何使天线准确地指向卫星是一件令许多工程技术人员 头疼的事。现在，我们可以利用GPS定位和天线驱动技术相结合来 获得理想的效果，整套系统由GPS飞接收机、罗盘、倾斜计和天线 跟踪控制系统构成：当卫星通信车到达指定地点后，车上的GPS接收 机测出当地的经纬度和海拔， 用户只需输人卫星的经度， 系统就可以 根据罗盘指向、倾斜计读数、当地经纬度、15真磁北夹角（由经纬度计算）和卫星经度计算天线的仰角和方位角。这样，可以使操作人员方 便地找到卫星。2、GPS系统的局限和发展方向虽然GPS系统发挥了很大的作用，但由于其系统的特点，也 存在着难以克服的弱点，最大的 问题就是因为它是 卫星系统 ，所 以接收机必须在有一片相当大的净空的条件下才能