全球定位系统知识入门手册

1、全球定位系统知识入门手册全球定位系统（GPS）是美国以空间为基地的无线电导航系统，在全世界范围内为民间用户提供不间断的定位、导航和定时服务，而且对所有人免费。任何人只要有一个接收机，这个系统就可以为他提供位置和时间。GPS可在任何气候条件下，在白天或夜间，在世界任何一个地方为无限数量的人提供准确的位置和时间信息。GPS由三部分组成：围绕地球的卫星；地面上的监控站；以及用户拥有的接收机。GPS卫星从空间发射可由接收机收到和识别的信号。每个接收机可以给出三维位置（经度，纬度和海拔）外加时间。人们可以从商店里随时买到GPS手持机。配备有这种GPS接收机，用户就可以精确地知道他们的位置并且很容易找到他

2、们要去的地方，不论是步行、驾车、飞行或开船。GPS已经成为全世界交通系统的支柱，为航空、地面交通及航海提供导航。救灾和紧急救援的救生任务也依赖GPS的定位和定时能力。日常的活动比如银行业务、行动电话甚至电力网控制都受益于GPS提供的精确时间。农民、测绘人员、地质学家和不计其数的其他人利用免费和开放的GPS信号来更有效地、安全地、经济地和准确地完成他们的工作。什么是全球定位系统？全球定位系统（GPS）是美国拥有的一套设施，它为使用者提供定位、导航和定时（PNT）服务。这套系统由三个部分组成：空间部分，控制部分和用户部分。美国空军承担空间和控制部分的开发、维护和运行。空间部分包括一个由24个运转卫

3、星组成的象征性星群，它可发射单向信号提供当前的GPS卫星的位置和时间。控制部分包括世界范围的监控站，通过不时发出的指令使卫星维持在适当的轨道上运行，同时校正卫星的时钟。它还跟踪GPS卫星，上载更新的导航数据，并且保持卫星群的健康运行和排列状态。用户部分由GPS接收机组成，它们从GPS卫星收到信号并利用传来的信息计算用户的三维位置及时间。GPS服务面向的对象和性质GPS卫星为民间和军方的用户提供服务。民用服务对全世界所有用户都一样是免费的、不间断的。军用服务只对美军和盟军以及得到批准的一些政府部门开放。有许多不同的GPS增强系统和技术可以用来提高GPS系统的能力以满足特殊用户的需要。这些增强系统

4、可以增加信号的可用性、精确性和完整性，使其性能比基本的GPS民用服务还要好。GPS在过去多年来的卓越表现赢得了全世界成千上万民间用户的信任。它的可靠性在过去已经有目共睹，在未来的长时间内也将使全世界的用户受益。定位、导航及定时政策美国有关GPS的法律和政策强调服务的连续性，民用信号的公开共享，以及技术上的领先。1996年，美国发表了有关管理和使用基于空间的定位、导航和定时服务的国家政策声明，其中包括GPS及其增强系统。声明特别提到了GPS的两用性（军用民用），并且建立了一个军民联合的国家管理结构来监督它的运作。由于国际环境不断变化以及GPS应用的种类和复杂性的飞速发展，美国于2004年将政策扩

5、充。这个政策重申美国的承诺，通过GPS提供可靠的、基于空间的民用定位、导航和定时服务，这些服务将不间断地在全世界范围内向所有人免费开放。这个政策还要求提高GPS的性能和加强与其他国家的合作。GPS的增强系统有许多对GPS的增强可以使GPS满足用户在定位、导航和定时（PNT）方面的特殊要求。增强是一个提高定位、导航和定时的精确性、完整性、可靠性和可用性的系统，这个增强部分是GPS本身原来并不具有的。它包括、但不仅限于如下的各项:全国范围差分GPS系统（NDGPS）: NDGPS是由联邦铁路管理局、美国海岸警卫队和联邦公路管理局经营和维护的地面增强系统，它为地面和水面的用户提供更精确和完全的GPS

6、。现代化的工作包括正在开发的高精度NDGPS系统（HANDGPS），用来加强性能使整个覆盖范围内的精确度达到10至15厘米。NDGPS是按照国际标准建造，世界上五十多个国家已经采用了类似的标准。广域增强系统（WAAS）: WAAS是由美国联邦航空管理局（FAA）经营的一个以卫星为基地的增强系统，它为飞行器航行的各阶段提供导航。今天，这种功能已经被广泛地运用到其他领域，因为这种类似GPS的信号可以由简单的接收机处理，并不需要额外的设备。使用国际民航组织（ICAO）的标准，FAA继续与其他国家合作来为任何区域的所有用户提供完善的服务。其他ICAO标准的空间增强系统包括：欧洲的欧洲对地静止卫星导航重

7、迭系统（EGNOS），印度的GPS和地球导航增强系统（GAGAN），以及日本的多功能传送卫星（MTSAT）卫星增强系统（MSAS）。所有这些国际的应用都是以GPS为基础的。FAA将改善WAAS以利用未来的GPS生命安全信号和提供更好的服务，并且还要在全球推广实行这些新的功能。持续运行参照站（CORS）: 美国CORS网络是由国家海洋大气管理局管理，它负责保存和分发GPS数据，主要通过后期处理为精确定位和大气模型的应用服务。CORS正在被现代化更新以支持实时的用户。全球差分GPS（GDGPS）： GDGPS是由喷气推进实验室（JPL）开发的高精度GPS增强系统，用来支持美国宇航局（NASA）科学

8、任务所要求的实时定位、定时和轨道确定需要。NASA今后的计划包括利用跟踪和数据转播系统（TDRSS）通过卫星发布一个实时差分改正信息。这个系统被称作TDRSS增强服务卫星（TASS）。国际GNSS服务（IGS）: IGS是由来自80个国家的200个组织提供的350个GPS监控站所组成的一个网络。它的使命是按照全球导航卫星系统（GNSS）的标准提供最高质量的数据和产品来支持地球科学研究、跨学科应用和教育事业，并且促进其他有益于社会的用途。大约有100个IGS监控站可以在收集后一小时之内播出他们的跟踪数据。在世界范围内还有其他的增强系统，包括政府的和商业的。这些系统使用差分的、静态的或实时的技术。

9、美国在GPS方面关于国际合作的政策美国基于空间的定位、导航和定时政策强调所有全球导航卫星系统及其增强系统都要与GPS兼容。美国和欧洲联盟于2004年就GPS和伽利略卫星达成的协议认识到可互相操作系统的益处。双方同意，除了现在正在进行的基于GPS的EGNOS增强系统的合作之外，还要就伽利略和将来的GPS卫星开发一个共同的、开放的民用信号。美国和日本在GPS方面有长期的合作关系。除了多功能传送卫星（MTSAT）的卫星增强系统之外，双方正在开发一个称作准天顶卫星系统Quasi Zenith Satellite System (QZSS)的与GPS兼容的区域性“迷你”卫星群。美国还与印度密切咨询，协助

10、开发基于空间的GAGAN增强系统，同时也与俄国密切咨询，协助GPS与俄国的卫星导航系统GLONASS的兼容及交互操作性能问题。美国国防部也与许多国家合作，确保GPS能提供基于空间的军用PNT服务，并且为全世界的盟军伙伴提供能交互操作的用户设备。基于空间的PNT服务必须为全球的用户提供透明的使用界面和标准。美国的政策是在全世界范围内提供不间断的基于空间的PNT服务，对民用、商用和科学用途全部免费，有关开发制造使用这种服务的设备的必要信息也是公开的和免费共享的。GPS的未来美国致力于一个广泛的现代化项目，包括对GPS卫星采用第二和第三民用信号。第二民用信号将增加民用服务的准确性并改进某些有关生命安

11、全的应用。第三信号将进一步提高民用服务的能力，主要目的是用于生命安全，比如航空。图表示新加的额外信号对服务质量的改进（图标题“新加信号后单独GPS平面性能概念图”；下箭头图标“增加新信号后的民用服务”；上箭头图标“只有一个信号的民用服务”）。GPS的抗干扰技术GPS卫星导航能力最重大的改进将从2003年发射洛克希德·马丁首批R-M(修改的R)卫星开始。R-M卫星将发射增强的L1民用信号，同时发射新的L2民用信号和军用码（M码）。进一步的改进将从发射波音F批次卫星的2005年开始，F批次卫星除发射增强的L1、L2民用信号和M码外，将在1176.45兆赫增加第3个民用信号（L5）。在F发

12、射以前，M码将从发展型过渡到工作型。因为导航卫星星座的发射需要有一段时间，故在轨道上获得全工作能力则在2007年发射18颗L2民用信号和M码卫星后才能实现。18颗卫星组成的第三个民用信号（L5）的星座预计要到2011年才能发射完。此后，美军将得到抗干扰能力有所增强的新信号-M码。它能发送更大的功率，而不干涉民用接收机。M码还给军方一种新的能力，以干扰敌方对信号的利用，但其细节是保密的。由于GPS卫星发射的导航信号比较微弱，而且以固定的频率发射，因此军用GPS接收机很容易受到敌方的干扰。美国国防预研计划局（DARPA）正在发展一种新的抗干扰方法，采用战场上空的无人机来创造伪GPS星座，使其信号功

13、率超过敌方干扰信号的功率。所谓伪卫星，就是将GPS导航信号发射机装在飞机或地面上，顶替GPS卫星来进行导航。DARPA用无人机做伪卫星的研究，称为GPX伪卫星概念，旨在使己方的部队在受干扰的战场环境中具有精确的导航能力。其方法是由飞行中无人机上的4颗伪卫星广播大功率信号，这样在战场区域上空产生一个人工GPS星座。4架猎人无人机就可覆盖300千米见方的战区。只要对现有GPS接收机的软件作些改变就可使用伪卫星发射的信号。当用实际GPS星座导航时，接收机开始需要知道卫星位置，即星历的情况，故伪卫星概念面临的挑战是采用可用的低数据率信息把4颗运动的伪卫星的位置告诉接收机。因此，DARPA和柯林斯公司设

14、计人员的关键任务是在可用的50比特/秒信息中发送伪卫星星历。无人机的稳定性相当好，不会像战斗机那样机动；但任何运动都会使位置有点不确定。因而与采用卫星星座的导航比较，其定位总误差将增长约20%。DAPRA已用在7500米高度上的公务机上以及约3000米高度上的猎人无人机上试验了单颗伪卫星，导航精度从采用真卫星时的2.7米下降到4.3米。当然，伪卫星不一定要全部机载，也可采用地面和机载发射机混合的方案。将某些伪卫星设在地面上的缺点是减少了覆盖范围，但提高了导航精度。为了克服干扰，伪卫星可发射100瓦信号，使地面接收机处的信号强度比来自卫星的信号强度增加45分贝。诺斯罗普·格鲁门公司正在

15、研制可提供3040分贝抗干扰改进的GPS接收机。这种称为反干扰自主完整性监控外推的抗干扰方法将由惯性导航和GPS接收机在载波相位级进行全耦合来实现。全耦合滤波器将减小GPS跟踪回路的带宽，从而减少干扰信号进入GPS接收机的机会。柯林斯公司和洛克希德·马丁公司联合为JASSM空面导弹研制的G-STAR高反干扰GPS接收机采用了调零和波束操纵的方法。该接收机重11.3千克，采用了一个空间时间适配器，适配器探测出一个威胁，便将其信号调到零，并在发射导航信号的卫星方向增加增益。这种反干扰技术以数字方式实现，故称为数字波束成形器，它比常规的模拟调零法更为精确，同时可将接收机的波束调整到朝向可用

16、的导航卫星。数字信号处理可通过动态移动零位来抵消噪声，增加增益，并通过一个6元天线阵来操纵波束。民用GPS接收机也有抗干扰的问题，但民用GPS接收机用户更关心非故意干扰。非故意干扰基本上为宽波段类型，与干扰机将其功率集中于GPS频率不同。与软件有密切关系的数字信号处理方法，在对付宽波段干扰方面是很理想的。美国Electro-Radiation（ERI）公司指出，常规抗干扰方法的是采用相控阵天线组成的零位操纵天线，这不仅要增加重量，且成本较高，而在接收机上实现的抗干扰技术通常只有有限的干扰剔除能力或者是专为对付某种干扰而特地设计的抗干扰能力。这家公司已研制出能有效地对付所有已知类型干扰的一种干扰

17、抑制装置（ISU），它不需要昂贵和笨重的天线，可以低成本、高效的方式加装到新的和现有的GPS接收机中，既适合军用，也适合民用。这种干扰抑制装置包括补钉天线以及可插入任何GPS接收机天线接口的电子装置，用来抑制宽带噪声和窄带干扰。它使GPS接收机增加20分贝的抗宽带噪声能力和35分贝的抗窄带干扰能力。GPS定位原理和简单公式全球定位系统（Global Positioning System）是美国第二代卫星导航系统。是在子午仪卫星导航系统的基础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验。和子午仪系统一样，全球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成。按目前的方案，全球定位系统的空间

18、部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座。21+3颗卫星均为近圆形轨道，运行周期约为11小时58分，分布在六个轨道面上（每轨道面四颗），轨道倾角为55度。卫星的分布使得在全球的任何地方，任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形（DOP）。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有GPS用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军基地。它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控

19、站对GPS卫星的全部观测数据，利用这些数据计算每颗GPS卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS卫星每天进行一次，并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的注入。全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航定位系统。随着全球定位系统的不断改进，硬、软件的不断完善，应用领域正在不断地开拓，目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。上述四个方程式中待测点坐标x、 y、 z 和Vto为未知参数，其中di=cti (i=1、2、3、4)。di (i=1、2、

20、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4到接收机之间的距离。ti (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的信号到达接收机所经历的时间。 c为GPS信号的传播速度（即光速）。四个方程式中各个参数意义如下：x、y、z 为待测点坐标的空间直角坐标。xi 、yi 、zi (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4在t时刻的空间直角坐标，可由卫星导航电文求得。Vt i (i=1、2、3、4) 分别为卫星1、卫星2、卫星3、卫星4的卫星钟的钟差，由卫星星历提供。Vto为接收机的钟差。由以上四个方程即可解算出待测点的坐标x、y、z 和接收机的钟差Vto 。GPS

21、的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。地理信息系统 GIS系统即地理信息系统 (GIS, Geographic Information System) 是一种基于计算机的工具，它可以对在地球上存在的东西和发生的事件进行成图和分析。 GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。这种能力使 GIS与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。地理信息系统是随着地理科学、计算

22、机技术、遥感技术和信息科学的发展而发展起来的一个学科。在计算机发展史上，在计算机发展史上，计算机辅助设计技术（CAD）的出现使人们可以用计算机处理象图形这样的数据，图形数据的标志之一就是图形元素有明确的位置坐标，不同图形之间有各种各样的拓扑关系。简单地说，拓扑关系指图形元素之间的空间位置和连接关系。简单的图形元素如点、线、多边形等；点有坐标（x, y）；线可以看成由无数点组成，线的位置就可以表示为一系列坐标对（x1, y1），（x2, y2），（xn, yn）；平面上的多边形可以认为是由闭合曲线形成范围。图形元素之间有多种多样的相互关系，如一个点在一条线上或在一个多边形内，一条线穿过一个多边形

23、等等。在实际应用中，一个地理信息系统要管理非常多、非常复杂的数据，可能有几万个多边形，几万条线，上万个点，还要计算和管理它们之间的各种复杂的空间关系。地理信息系统是将计算机硬件、软件、地理数据以及系统管理人员组织而成的对任一形式的地理信息进行高效获取、存储、更新、操作、分析及显示的集成。地理信息系统技术广泛应用于农业、林业、国土资源、地矿、军事、交通、测绘、水利、广播电视、通讯、电力、公安、社区管理、教育、能源等几乎所有的行业，并正在走进人们日常的工作、学习和生活中。地理信息系统的主要计算机硬件是工作站和微机。 地理信息系统的主要计算机操作系统软件是UNIX、Windows9X、Windows

24、 NT、Windows2000、Macintosh等。地理信息系统的主要计算机应用软件是ARC/INFO、MGE、GeoMedia、GenaMap、MapInfo、AutoDesk Map、ArcView、MapObjects、MapX、Maptitude、MapGIS、GeoStar、MapEngine等。地理信息系统的主要基础地理数据比例尺为1:400万、1:100万、1:25万、1:5万、1:1万、1:2000、1:1000和1:500等；基础地理数据种类为数字线划图（DLG）、数字栅格图（DRG）、数字正射影象图（DOQ）和数字高程模型（DEM）等。GIS 地理信息系统相关技术GIS与

25、其他几种信息系统密切相关，但由于其处理和分析地理数据的能力使其与它们相区别。尽管没有什么硬性的和快速的规则来给这些信息系统分类，但下面的讨论可以帮助区分GIS和桌面制图、计算机辅助设计CAD、遥感、DBMS、以及GPS技术。桌面制图桌面制图系统用地图来组织数据和用户交互。这种系统的主要目的是产生地图：地图就是数据库。大多数桌面制图系统只有及其有限的数据管理、空间分析以及个性化能力。桌面制图系统在桌面计算机上进行操作，例如PC机，Macintosh以及小型UNIX工作站。计算机辅助设计CAD计算机辅助设计(CAD)系统促进了产生建筑物和基本建设的设计和规划。这种设计需要装配固有特征的组件来产生整

26、个结构。这些系统需要一些规则来指明如何装配这些部件，并具有非常有限的分析能力。CAD系统已经扩展可以支持地图设计，但管理和分析大型的地理数据库的工具很有限。遥感和GPS 遥感是一门使用传感器对地球进行测量的科学和技术，例如，飞机上的照相机，全球定位系统（GPS）接收器，或其他设备。这些传感器以图象的格式收集数据，并为利用、分析和可视化这些图象提供专门的功能。由于它缺乏强大的地理数据管理和分析作用，所以不能叫作真正的GIS。DBMS数据库管理系统数据库管理系统专门研究如何存储和管理所有类型的数据，其中包括地理数据。DBMS使存储和查找数据最优化，许多GIS为此而依靠它。相对于GIS而言，它们没有

27、分析和可视化的工具。其他定位系统GLONASS全球导航卫星系统GLONASS是GLObal NAvigation Satellite System(全球导航卫星系统)的字头缩写，是前苏联从80年代初开始建设的与美国GPS系统相类似的卫星定位系统，也由卫星星座、地面监测控制站和用户设备三部分组成。现在由俄罗斯空间局管理。GLONASS系统的卫星星座由24颗卫星组成，均匀分布在3个近圆形的轨道平面上，每个轨道面8颗卫星，轨道高度19100公里，运行周期11小时15分，轨道倾角64.8°。与美国的GPS系统不同的是GLONASS系统采用频分多址(FDMA)方式，根据载波频率来区分不同卫星（

28、GPS是码分多址（CDMA），根据调制码来区分卫星）。每颗GLONASS卫星发播的两种载波的频率分别为L1=1,602+0.5625k(MHz)和L2=1,246+0.4375k(MHz)，其中k=124为每颗卫星的频率编号。所有GPS卫星的载波的频率是相同，均为L1=1575.42MHz和L2=1227.6MHz。GLONASS卫星的载波上也调制了两种伪随机噪声码：S码和P码。俄罗斯对GLONASS系统采用了军民合用、不加密的开放政策。GLONASS系统单点定位精度水平方向为16m，垂直方向为25m。GLONASS卫星由质子号运载火箭一箭三星发射入轨，卫星采用三轴稳定体制，整量质量1400k

29、g，设计轨道寿命5年。所有GLONASS卫星均使用精密铯钟作为其频率基准。第一颗GLONASS卫星于1982年10月12日发射升空。到目前为止，共发射了80余颗GLONASS卫星，最近一次是2000年10月13日发射了三颗卫星。截止2001年1月10日为止尚有10颗GLONASS卫星正在运行。为进一步提高Glonass系统的定位能力，开拓广大的民用市场，俄政府计划用4年时间将其更新为Glonass-M系统。内容有：改进一些地面测控站设施；延长卫星的在轨寿命到8年；实现系统高的定位精度：位置精度提高到1015m，定时精度提高到2030ns，速度精度达到0.01ms。另外，俄计划将系统发播频率改为

30、GPS的频率，并得到美罗克威尔公司的技术支援。GLONASS系统的主要用途是导航定位，当然与GPS系统一样，也可以广泛应用于各种等级和种类的测量应用、GIS应用和时频应用等。GLONASS系统和GPS系统的比较GPS+GLONASS系统对纯GPS系统的改进1) 可见卫星数增加一倍：GLONASS卫星星座组网完成后，可用于导航定位的卫星总数将增加一倍。在地平线以上的可见卫星数纯GPS系统时，一般为7-11颗；GPS+GLONASS系统则可达到14-20颗。在山区或城市中，有时因障碍物遮挡，纯GPS可能无法工作， GPS+GLONASS则可以工作。2) 提高生产效率：在测量应用中，GPS测量所需要

31、的观测时间取决于求解载波相位整周模糊度所需要的时间。观测时间越长或可观测到的卫星数越多，则用于求解载波相位整周模糊度的数据也就越多，求解结果的可靠性越好。为了提高生产效率，常使用快速定位、实时动态测量（RTK）或后处理动态测量。但要满足一定的精度要求，必须正确求解载波相位整周模糊度，可观测到的卫星数增加得越多，则求解载波相位整周模糊度所需要的观测时间就可缩短得越多，因此GPS+GLONASS可以提高生产效率。3) 提高观测结果的可靠性：用卫星系统进行测量定位的观测结果的可靠性主要决定于用于定位计算的卫星颗数。因此GPS+GLONASS将大大提高观测结果的可靠性。4) 提高观测结果的精度：观测卫

32、星相对于测站的几何分布(DOP值)直接影响观测结果的精度。可观测到的卫星越多，则可以 大大改善观测卫星相对于测站的几何分布，从而提高观测结果的精度。伽利略卫星定位系统(GNSS系统)说起卫星定位导航系统，人们就会想到GPS，但是现在，伴随着众多卫星定位导航系统的兴起，全球卫星定位导航系统有了一个全新的称呼：GNSS。当前，在这一领域最吸引人眼球的除了GPS外，就是欧盟和我国合作的“伽利略”导航卫星系统。“伽利略”计划是一种中高度圆轨道卫星定位方案。“伽利略”卫星导航定位系统的建立将于2007年底之前完成，2008年投入使用，总共发射30颗卫星，其中27颗卫星为工作卫星，3颗为候补卫星。卫星高度

33、为24126公里，位于3个倾角为56度的轨道平面内。该系统除了30颗中高度圆轨道卫星外，还有2个地面控制中心。“伽利略”系统将为欧盟成员国和中国的公路、铁路、空中和海洋运输甚至徒步旅行者有保障地提供精度为1米的定位导航服务，从而也将打破美国独霸全球卫星导航系统的格局。按计划，首批两枚实验卫星将于2005年末和2006年发射升空。“伽利略”定位系统的优势“伽利略”系统是世界上第一个基于民用的全球卫星导航定位系统，在2008年投入运行后，全球的用户将使用多制式的接收机，获得更多的导航定位卫星的信号，将无形中极大地提高导航定位的精度，这是“伽利略”计划给用户带来的直接好处。另外，由于全球将出现多套全

34、球导航定位系统，从市场的发展来看，将会出现GPS系统与“伽利略”系统竞争的局面，竞争会使用户得到更稳定的信号、更优质的服务。世界上多套全球导航定位系统并存，相互之间的制约和互补将是各国大力发展全球导航定位产业的根本保证。 “伽利略”计划是欧洲自主、独立的全球多模式卫星定位导航系统，提供高精度，高可靠性的定位服务，实现完全非军方控制、管理，可以进行覆盖全球的导航和定位功能。“伽利略”系统还能够和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS系统实现多系统内的相互合作，任何用户将来都可以用一个多系统接收机采集各个系统的数据或者各系统数据的组合来实现定位导航的要求。 “伽利略”系统可以发送实时的高精度定位信息

35、，这是现有的卫星导航系统所没有的，同时“伽利略”系统能够保证在许多特殊情况下提供服务，如果失败也能在几秒钟内通知客户。与美国的GPS相比，“伽利略”系统更先进，也更可靠。美国GPS向別国提供的卫星信号，只能发现地面大约10米长的物体，而“伽利略”的卫星则能发现1米长的目标。一位军事专家形象地比喻说，GPS系统，只能找到街道，而“伽利略”则可找到家门。我国参与“伽利略”计划目前全世界使用的导航定位系统主要是美国的GPS系统，欧洲人认为这并不安全。为了建立欧洲自己控制的民用全球导航定位系统，欧洲人决定实施“伽利略”计划。2003年9月18日，欧盟和中国草签了中国参与“伽利略”计划的协议。2004年

36、10月9日，双方又签署了此项目的技术合作协议；因而引发美国媒体发出美国可能击毁“伽利略”卫星的报道。可见，此项目不但具有极高经济价值，也深具政治和军事战略意义。参与“伽利略”计划是迄今为止我国与欧洲最大的合作计划。全球导航定位系统的应用十分广泛，从经济建设、国防建设等各方面来考虑，我国都应该建立自己的全球导航定位系统。比如，将来我们建立起全国的车辆定位系统后，如果我们没有其他导航定位系统而只依靠GPS系统，那么一旦出现意外情况，将使整个交通系统瘫痪。“伽利略”计划总值36亿欧元，2004年10月9日，中欧伽利略计划技术合作协议在北京正式签署，中国将投入2亿欧元参与“伽利略计划”，约5。据悉，中

37、国是正式加入“伽利略计划”的第一个非欧盟国家，这标志着我国航天事业在国际合作领域迈出走向欧洲化的第一大步。北斗卫星导航定位系统北斗卫星导航定位系统，是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统（CNSS），是除美国的GPS、俄罗斯的GLONASS之后第三个成熟的卫星导航系统。系统构成与工作原理北斗卫星定位系统由两颗地球静止卫星(800E和1400E)、一颗在轨备份卫星(110.50E)、中心控制系统、标校系统和各类用户机等部分组成。系统的工作过程是：首先由中心控制系统向卫星和卫星 同时发送询问信号，径卫星转发器项服务区内的用户广播。用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响

38、应信号，径卫星转发回中心控制系统。中心控制系统接收并解调用户发来的信号，然后根据用的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，中心控制系统测出两个时间延迟：即从中心控制系统发出询问信号，经某一颗卫星转发到达用户，用户发出定位响应信号，经同一颗卫星转发回中心控制系统的延迟；和从中心控制发出询问信号，经上述同一卫星到达用户，用户发出响应信号，经另一颗卫星转发回中心控制系统的延迟。由于中心控制系统和两颗卫星的位置均是已知的，因此由上面两个延迟量可以算出用户到第一颗卫星的距离，以及用户到两颗卫星距离之和，从而知道用户处于一个以第一颗卫星为球心的一个球面，和以两颗卫星为焦点的椭球面之间的交线上。另外中

39、心控制系统从存储在计算机内的数字化地形图查寻到用户高程值，又可知道用户出于某一与地球基准椭球面平行的椭球面上。从而中心控制系统可最终计算出用户所在点的三维坐标，这个坐标经加密由出站信号发送给用户。北斗卫星定位系统覆盖范围是北纬5°55°，东经70°140°之间的心脏地区，上大下小，最宽处在北纬35°左右。其定位精度为水平精度100m(1 )，设立标校站之后为20 m(类似差分状态)。工作频率：2 491.75 MHz。系统能容纳的用户数为每小时540 000户。由于在定位时需要用户终端向定位卫星发送定位信号，由信号到达定位卫星时间的差值计算用户

40、位置，所以被称为“有源定位”。北斗系统三大功能快速定位：北斗系统可为服务区域内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务，定位精度20100m；短报文通信：北斗系统用户终端具有双向报文通信功能，用户可以一次传送40-60个汉字的短报文信息；精密授时：北斗系统具有精密授时功能，可向用户提供20ns-100ns时间同步精度。系统的优势与劣势优势：和美国的GPS、俄罗斯的GLONASS相比，增加了通讯功能。全天候快速定位，与GPS精度相当。安全可靠，保密性强。劣势：北斗系统属于有源定位系统，系统容量有限，定位终端比较复杂。北斗系统属于区域定位系统，目前只能为中国以及周边地区提供定位服务。北斗系统的应用

41、2000年，北斗导航定位系统两颗卫星成功发射，标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航定位系统，这对于满足我国国民经济、国防建设的需要，促进我国卫星导航定位事业的发展，具有重大的经济和社会意义。北斗导航定位系统由北斗导航定位卫星、地面控制中心为主的地面部分、北斗用户终端三部分组成。北斗导航定位系统服务区域为中国及周边国家和地区，它可以在服务区域内任何时间、任何地点，为用户确定其所在的地理经纬度信息，并提供双向短报文通信和精密授时服务。北斗系统可广泛应用于船舶运输、公路交通、铁路运输、海上作业、渔业生产、水文测报、森林防火、环境监测等众多行业，以及军队、公安、海关等其他有特殊指挥调度要求的单位。北斗

42、应用五大优势同时具备定位与通信功能，无需其他通信系统支持；覆盖中国及周边国家和地区，24小时全天候服务，无通信盲区；特别适合集团用户大范围监控与管理，以及无依托地区数据采集用户数据传输应用；独特的中心节点式定位处理和指挥型用户机设计，可同时解决“我在哪”和“你在哪”；自主系统，高强度加密设计，安全、可靠、稳定，适合关键部门应用。GPS应用-定时除了经度、纬度和海拔，全球定位系统（GPS）提供一个关键的第四维参数时间。每一个GPS卫星都装有多台原子钟为GPS信号提供非常精确的时间数据。GPS接收机可以将这些信号解码，有效地使每一个接收机与那些原子钟同步。这就使用户能够以万亿分之一秒的精确度确定时

43、间，却不需要自己拥有原子钟。精确的时间对于世界上许多不同的经济活动都是至关重要的。通讯系统、电力网和金融网络都依赖精确的定时来实现同步和运行的效率。免费的GPS定时功能使得依靠精确定时的公司节约成本而且显著地提高业务能力。例如，无线电话和数据网络利用GPS的时间来使他们所有的基地站完全同步。这就使得许多手机更有效地分享有限的无线电频谱。同样，数字式广播服务也利用GPS的时间来保证所有电台的信号单位同步传到收音机。这就使听众在换台时尽量减少延迟。世界各处的公司利用GPS来为商业交易做时间标记，提供一致的和准确的方法来保存记录并确保能够追踪。主要的投资银行用GPS来使他们遍布世界的电脑网络同步。大

44、企业和小企业都在使用能够追踪、更新和管理全球范围顾客网的多重交易的自动化系统，这些都需要通过GPS得到的精确定时信息。美国联邦航空管理局（FAA）利用GPS来协同遍布全美国的45个终端多普勒气象雷达预报灾害性天气。仪表是另外一个需要精确定时的应用。必须一起工作来精确测量一些事件的散布仪表网络必须能保证在许多点上有精确的定时来源。任何工作如果需要仪器分散在各处而又要求精确定时，以GPS为准的定时就非常适合。例如，把GPS纳入地震监视网络就使得研究人员能够迅速找到地震和其他地震活动的震中。电力公司和能源设施对时间和频率有最严格的要求，以便有效地传送和分配动力。不断出现的停电事件使得电力公司了解到必

45、须在整个电网提高时间同步性。对这些停电事件的分析结果使许多电力公司将基于GPS的时间同步设备引入发电厂和分电站。通过对电力事故在电网传播的精确时间的分析，工程师们可以追查到断电的确切地点。有些用户，比如国家的实验室，要求的时间精确度要高于GPS 提供的时间。这些使用者经常使用GPS卫星，但并不是直接获得时间，而是往远距离传送高精度的时间。在两个地方同时收到相同的时间信号并将其进行比较，一个地点的原子种时间可以被传送到另一个地点。世界各地的国家实验室用这种“共视”技术来比较他们的时间量度并且建立了协调世界时（UTC）。他们也用同样的技术将时间的量度在本国传播。GPS定时的新应用日新月异。好莱坞的

46、制片厂就在他们的电影场记中运用GPS对声像数据以及多相机排序实行无可比拟的控制。GPS的应用就像它测量的时间一样，是无限的。益处广泛地分享原子钟时间而不需要原子钟。通讯系统、电力网、金融网和其他重要基础设施的精确同步。无线网络更有效地利用有限的无线电频谱。改善网络的管理和最优化，使可追踪的金融交易和票据的时间标记成为可能。通过“共视”技术使国家实验室之间交流高精度的时间。GPS应用-道路和高速公路据估计全世界每年由于高速公路、街道和交通系统堵塞延误造成的生产力损失高达几千亿美元。其他交通堵塞的负面影响包括财产损失、人身伤害、空气污染的增加以及低效的燃料消费。全球定位系统（GPS）的使用和精确性

47、可以增加高速公路和街道上以及公共交通系统的车辆的安全和效率。由于GPS的帮助，许多商用车辆的分派和调度的问题明显地减少了。同样，公交系统、道路维修和急救车辆所面临的问题也大大地减轻。当今世界上广泛应用的自动车辆定位系统和车内导航装置都离不开GPS。将GPS的定位技术与能够显示地理信息的系统结合，或与自动将数据传送到显示器或计算机的系统结合，就出现了地面运输的崭新面貌。一个地理信息系统（GIS）储藏、分析并且显示主要由GPS提供的地理参考信息。今天，GPS被用来监视车辆的位置、提出可行的有效策略使车辆准点以及为乘客提供精确的到达时间。公共交通系统利用这种性能跟踪火车、公共汽车和其他服务系统以提高

48、准点率。GPS的帮助使得许多新用途成为可能。即时合伙开车可以实现，因为想搭车的人可以瞬时与附近的开车人配对。使用GPS技术来帮助跟踪和预测货运的动向造成了一个后勤革命，这包括一个称作准时投递的应用。在准时投递系统中，卡车运输公司利用GPS跟踪以保证在预先承诺的时间内投递和取件，无论是短途或是跨时区的长途。每当一个定单进来，调度员只要敲一下电脑的功能键，屏幕上就可以出现出一串卡车的名单，每一辆车的状态的完整详细信息都可以显示出来。如果一辆卡车晚点或没有按预定路线行驶，就会给调度员示警。 许多国家使用GPS帮助勘测他们的道路和高速公路网，确定路上或路边一些标志物的位置。这包括了休息站、维修和紧急服

49、务及补给、入口和出口、路面的损坏等等。这些信息成为GIS数据收集过程中的输入。这个信息库帮助运输部门减少维修和服务成本，而且增加路上司机的安全。目前正在进行研究向司机警告可能出现的危急情况，例如交通违规或撞车事件。还有人研究是否可以在明显需要采取行动时实行最小限度的车辆控制，例如预先启动安全气袋。GPS提供的定位信息是这类研究的必要组成部分。GPS是未来智能运输系统（ITS）的一个基本元素。ITS包含了在广大范围内的、以通讯为基础的信息和电子技术。有人正在司机协助先进系统的领域里进行研究，包括道路偏离和换线碰撞避免系统。这些系统需要在10厘米内精确地估计车辆相对于路面车道和路沿的位置。随着GP

50、S的不断现代化，我们可以预期会出现更为有效的系统来预防撞车、警告危难、通知位置、提供电子地图以及有语音指示的车内导航装置。益处所有地面运输系统的使用者更为安全和机动。更加精确的定位性能提供了更多的乘客信息。更有效的监控系统来保证遵照时刻表运行，建立一个能够更能配合运输用户的需要的交通系统。电子地图的更好的定位信息为商业和私人用户提供车内导航系统。提高对道路勘测的效率并减少成本GPS应用-空间全球定位系统（GPS）彻底改变和更新了许多国家在空间运作的方式，从载人飞船的导航系统到对通讯卫星群的管理、跟踪和控制，到从空间监视地球。使用GPS的益处包括：解决导航问题用现有的达到空间使用水平的GPS设备

51、和最少的地面工作人员提供高精度的轨道确定。解决高度问题由低成本的多重GPS天线和专门的算法程序取代高成本的机载高度感受器。解决定时问题由低成本的、具有精确时间的GPS接收机取代昂贵的航天器原子钟。卫星群控制为大量的空间器如通讯卫星群的轨道维护控制提供单一的联络点。编队飞行由地面人员最少干预达到精确的卫星编队。虚拟的平台为高级的科学追踪行动，如干涉测量，提供自动化的“空间站保持”和相对位置服务。发射航天器跟踪以高精度、低成本的GPS设备取代或增强跟踪雷达以保证射程安全和自动的飞行终止。月球、火星及更远处美国由国家宇航局（NASA）执行的空间探索远景规划包括开发创新的技术、知识和基础设施，为将来返

52、回月球和人类登上火星或更远的使命做准备。这个远景规划将激发新的研究，而这类研究会成为导航的最终前沿。根据使用GPS的经验，我们可以想象围绕月球和火星建立一个类似GPS的卫星系统。月球或火星网络可以提供一个整合的通讯和导航基础设施来支持在月球轨道上以及在月球与火星表面上进行的探索和科学研究。NASA也在研究在将被送往太阳地球拉格朗日点的卫星上装置类似GPS的信号台。测地参考点可以在这些位置建立，以支持未来对太阳系的探索。益处需要最少地面控制的高精度定位。取代高价的、大质量的机载感应器。GPS应用-航空世界各地的飞行员利用GPS来提高飞行安全和效率。由于它的精确性、连续性和全球的性能，GPS可以提

53、供完美的卫星导航服务，满足航空用户的许多要求。以空间为基地的定位和导航可以在飞行的所有阶段确定三维的位置，从起飞、飞行和降落，到机场的地面导航。运用区域导航概念的趋势说明GPS担当了更加重要的角色。区域导航允许飞机在用户选择的路线上从一定点飞到另一定点，而这些定点并不需要地面基础设施的参照。一些程序已经被扩展以在飞行的各个阶段利用GPS及其增强服务。在飞行区域内没有适当的地面导航帮助或监控设备时更是如此。由GPS创造出的新的和更有效率的空中路线正在不断地扩展。这节省了大量时间和金钱。许多时候，在数据匮乏的区域（例如海洋上空）的飞行可以安全地减少飞机之间的距离，而且使更多的飞机选择他们喜欢的和有

54、效率的航线，以节省时间和燃料并增加货运收入。能够明显增加运作利益和安全的机场降落改革正在实行，甚至在没有传统地面服务的偏远地区也在实施。在世界上有些地区，卫星信号被增强了，或为适应特殊航空需要而得到改善，比如在低能见度条件下的降落。在那些情况下，甚至还可以有更精确的操作。对航空界来说，一个好消息是GPS正在被不断地改善和现代化。正在进行的民用现代化过程中的一个主要组成部分是增加了两个新信号。这些信号是对现有民用服务的补充。其中第一个新信号是为一般的非安全或危急用途使用的。第二个新信号将由国际社会提供保护，用于航空导航。这个增加的生命安全民用信号将使GPS能够对许多航空应用提供更可靠的导航服务。

55、第二个生命安全信号带来的利益将远大于现有的GPS服务。这个信号通过使用双频率航空电子设备在全世界提供更多的仪表降落机会。双频率的意义是由同时使用双重信号来显著减少电离层干扰所产生的错误信号。这将增强整个系统，包括提高准确性、可用性和整合性，并且在对地面设施少量投资或没有投资的情况下得到准确降落的功能。依靠GPS作为今天和明天的空中交通管理系统的基础是许多国家计划的一个重要部分。那些正在利用GPS的航空当局已经看到了和记录了飞行空间用户和服务提供者所节省的航行时间、工作量和运行成本。GPS还是许多其他航空系统的一个关键组成部分, 例如增强的地面接近警告系统（EGPWS）就已经被证明可以成功地减少

56、受控制飞行撞击地面的危险性，而这是造成很多飞机失事的主要原因。益处在全球范围内为航行所有阶段提供连续的、可靠的和精确的定位信息，供所有人免费享用。为航行空间服务提供者和用户提供安全、灵活和节省燃料的航线。有可能终止和削减昂贵的地面导航设施、系统和服务。由于对情势的了解增加了地面移动操作中的安全性。由于最小间隔距离的缩减和更有效的航空交通管理，航空能力得到提高，因而航班延误、特别是在恶劣天气条件下的延误可以减少。增加生命安全的性能，比如EGPWS。GPS应用-农业全球定位系统（GPS）与地理信息系统（GIS）的结合使发展和应用精准农业以及从事因地制宜的耕种成为可能。这些技术使实时的数据收集与精确

57、的定位信息得以合二为一，从而使大量的地理空间数据得到有效的操作与分析。在精准种植中，GPS可应用于耕种规划、耕地绘图、土壤取样、拖拉机导航、庄稼监测、变率应用以及收成绘图等。GPS让农民能够在雨、尘、雾及黑暗等能见度低的条件下工作。过去，由于耕地的多变性，农民很难使生产技术与庄稼收成相互关联。这就限制了他们制定最有效的土壤/植株护理办法以提高产量。如今，精准农业使精确地施用杀虫剂、除草剂、肥料、并更好的控制这些化学剂的喷洒成为可能，从而降低了成本、提高了产量、并创造了更加环保的农场。现在，精准农业正在改变着农民与农业企业从土地获取利润的观点。精准农业就是及时地收集土壤植株动物需求的地理空间信息，因地制宜地加以处理，以提高农业产量并保护环境。也许过去农民们曾一度千篇一律地管理自己的耕地，而现在他们意识到了微观管理耕地的益处。精准农业普及的主要原因是在农业社区推广的高科技工具更准确、成本效益更高、也更容易使用。许多新的发明都有赖于机载电脑、数据收集传感器、以及GPS时间与定位参照系统的综合使用。很多人以为精准农业的好处只能由那些具有应用信息技术经验的高投资的大型农场获得，其实并非如此。有很多廉价的、易于使用的方法和