全球定位系统的发展

1、全球定位系统GPS全球卫星定位系统全球卫星定位系统(Globle Positioning System) (Globle Positioning System) 是一种结合是一种结合卫星卫星及及通讯通讯发展的技术发展的技术, ,利用利用导航卫星导航卫星进行测时和测距。全球卫星定位系统进行测时和测距。全球卫星定位系统( (简称简称GPS) GPS) 是美国从本世纪是美国从本世纪70 70 年代开始研制年代开始研制, ,历时历时20 20 余年余年, ,耗资耗资200 200 亿美元亿美元, ,于于1994 1994 年全面建成。具有海陆年全面建成。具有海陆空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫

2、星空全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过近十年我国测绘等部门的导航与定位系统。经过近十年我国测绘等部门的使用表明使用表明, ,全球卫星定位系统以全天候、高精度、全球卫星定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点自动化、高效益等特点, ,成功地应用于成功地应用于大地测量大地测量、工程测量工程测量、航空摄影航空摄影、运载工具导航和管制、地、运载工具导航和管制、地壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、壳运动测量、工程变形测量、资源勘察、地球动地球动力学力学等多种学科等多种学科, ,取得了好的经济效益和社会效益取得了好的经济效益和社会效益。 全球定位系统发展发展历程历程组成组

3、成部分部分前身前身计划计划计划实施计划实施空间部分空间部分地面部分地面部分用户用户设备设备部分部分GPSGPS前身前身GPSGPS系统的前身为美军研制的一种系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统子午仪卫星定位系统(Transit(Transit）19581958年研制，年研制，6464年正式投入使用。该系统用年正式投入使用。该系统用5 5到到6 6颗卫星组成的星网工作，每颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球天最多绕过地球1313次，并且无法给出高度，在定位精度方面也不尽如人意。次，并且无法给出高度，在定位精度方面也不尽如人意。然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验

4、证了由然而，子午仪系统使得研发部门对卫星定位取得了初步的经验，并验证了由卫星系统进行定位的可行性，为卫星系统进行定位的可行性，为GPSGPS系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显系统的研制埋下了铺垫。由于卫星定位显示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨示出在导航方面的巨大优越性及子午仪系统存在对潜艇和舰船导航方面的巨大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。大缺陷。美国海陆空三军及民用部门都感到迫切需要一种新的卫星导航系统。为此为此, ,美国海军研究实验室美国海军研究实验室(NRL)(NRL)提出了名为提出了名为TinmationTinmat

5、ion的用的用1212到到1818颗卫星组成颗卫星组成10000km10000km高度的全球定位网计划，并于高度的全球定位网计划，并于6767年、年、6969年和年和7474年各发射了一颗试验卫年各发射了一颗试验卫星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是星，在这些卫星上初步试验了原子钟计时系统，这是GPSGPS系统精确定位的基础。系统精确定位的基础。而美国空军则提出了而美国空军则提出了621-B621-B的以每星群的以每星群4 4到到5 5颗卫星组成颗卫星组成3 3至至4 4个星群的计划，这个星群的计划，这些卫星中除些卫星中除1 1颗采用同步轨道外其余的都使用周期为颗采用同步轨道外其余的

6、都使用周期为24h24h的倾斜轨道的倾斜轨道 该计划以该计划以伪随机码伪随机码(PRN)(PRN)为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环为基础传播卫星测距信号，其强大的功能，当信号密度低于环境噪声的时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是境噪声的时也能将其检测出来。伪随机码的成功运用是GPSGPS系统得以取得系统得以取得成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的成功的一个重要基础。海军的计划主要用于为舰船提供低动态的2 2维定位，空维定位，空军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制两个系统军的计划能供提供高动态服务，然而系统过于复杂。由于同时研制

7、两个系统会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以会造成巨大的费用而且这里两个计划都是为了提供全球定位而设计的，所以19731973年美国国防部将年美国国防部将2 2者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划者合二为一，并由国防部牵头的卫星导航定位联合计划局（局（JPO)JPO)领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，领导，还将办事机构设立在洛杉矶的空军航天处。该机构成员众多，包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚包括美国陆军、海军、海军陆战队、交通部、国防制图局、北约和澳大利亚的代表。的代表。计划最初的最初的GPS

8、GPS计划在联合计划局的领导下诞生了，计划在联合计划局的领导下诞生了，该方案将该方案将2424颗卫星放置在互成颗卫星放置在互成120120度的三个轨道度的三个轨道上。每个轨道上有上。每个轨道上有8 8颗卫星，地球上任何一点均颗卫星，地球上任何一点均能观测到能观测到6 6至至9 9颗卫星。这样，粗码精度可达颗卫星。这样，粗码精度可达100m,100m,精码精度为精码精度为10m10m。 由于预算压缩，由于预算压缩，GPSGPS计划部得计划部得不减少卫星发射数量，改为将不减少卫星发射数量，改为将1818颗卫星分布在互颗卫星分布在互成成6060度的度的6 6个轨道上。然而这一方案使得卫星可个轨道上。

9、然而这一方案使得卫星可靠性得不到保障。靠性得不到保障。19881988年又进行了最后一次修改：年又进行了最后一次修改：2121颗工作星和颗工作星和3 3颗备份星工作在互成颗备份星工作在互成3030度的度的6 6条轨条轨道上。这也是现在道上。这也是现在GPSGPS卫星所使用的工作方式卫星所使用的工作方式。计划实施计划实施 第一阶段为方案论证和初步设计阶段第一阶段为方案论证和初步设计阶段。 从从19781978年到年到19791979年，由位于加利福尼亚的范登年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射堡空军基地采用双子座火箭发射4 4颗试验卫星，颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为卫星运行

10、轨道长半轴为26560km,26560km,倾角倾角6464度。轨度。轨道高度道高度20000km20000km。这一阶段主要研制了地面接。这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网，结果令人满意。收机及建立地面跟踪网，结果令人满意。 第二阶段为全面研制和试验阶段第二阶段为全面研制和试验阶段。 从从19791979年到年到19841984年，又陆续发射了年，又陆续发射了7 7颗称为颗称为BLOCK IBLOCK I的试验卫星，研制了各种用途的接收的试验卫星，研制了各种用途的接收机。实验表明，机。实验表明，GPSGPS定位精度远远超过设计标定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达准

11、，利用粗码定位，其精度就可达1414米。米。 第三阶段为实用组网阶段。第三阶段为实用组网阶段。 19891989年年2 2月月4 4日第一颗日第一颗GPSGPS工作卫星发射成功，工作卫星发射成功，这一阶段的卫星称为这一阶段的卫星称为BLOCK II BLOCK II 和和 BLOCK IIABLOCK IIA。此阶段宣告此阶段宣告GPSGPS系统进入工程建设状态。系统进入工程建设状态。19931993年底实用的年底实用的GPSGPS网即（网即（21+321+3）GPSGPS星座已经建成，星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。今后将根据计划更换失效的卫星。 GPS组成部分 GPS全球卫星定

12、位系统由三部分组成:空间部分GPS星座(GPS星座是由24颗卫星组成的星座，其中21颗是工作卫星，3颗是备份卫星);地面控制部分地面监控系统; 用户设备部分GPS 信号接收机 空间部分 GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成,它位于距地表20 200km的上空，以12小时的周期 ,均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗) ,轨道倾角为55。此外,还有4 颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星,并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。GPS 卫星产生两组电码, 一组称为C/ A 码( Coarse/ Acq

13、uisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz) ,P 码因频率较高,不易受干扰,定位精度高,因此受美国军方管制,并设有密码,一般民间无法解读,主要为美国军方服务。C/ A 码人为采取措施而刻意降低精度后,主要开放给民间使用。 地面控制部分 地面控制部分由一个主控站地面控制部分由一个主控站,5 ,5 个全球监测站和个全球监测站和3 3 个地个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测

14、数据测数据, ,包括电离层和气象数据包括电离层和气象数据, ,经过初步处理后经过初步处理后, ,传送传送到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据到主控站。主控站从各监测站收集跟踪数据, ,计算出卫计算出卫星的轨道和时钟参数星的轨道和时钟参数, ,然后将结果送到然后将结果送到3 3 个地面控制站。个地面控制站。地面控制站在每颗卫星运行至上空时地面控制站在每颗卫星运行至上空时, ,把这些导航数据把这些导航数据及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗及主控站指令注入到卫星。这种注入对每颗GPS GPS 卫星每卫星每天一次天一次, ,并在卫星离开注入站作用范围之前进行最后的并在卫星离开注入站作用范围之前进

15、行最后的注入。如果某地面站发生故障注入。如果某地面站发生故障, ,那么在卫星中预存的导那么在卫星中预存的导航信息还可用一段时间航信息还可用一段时间, ,但导航精度会逐渐降低。但导航精度会逐渐降低。对于导航定位来说，对于导航定位来说，GPSGPS卫星是一动态已知点。星卫星是一动态已知点。星的位置是依据卫星发射的星历的位置是依据卫星发射的星历描述卫星运动及描述卫星运动及其轨道的其轨道的 的参数算得的。每颗的参数算得的。每颗GPSGPS卫星所播发的卫星所播发的星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种星历，是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常设备是否正常 工作，以及卫星是否一直沿着预定工

16、作，以及卫星是否一直沿着预定轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地轨道运行，都要由地面设备进行监测和控制。地面监控系统面监控系统 另一重要作用是保持各颗卫星处于同另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准一时间标准GPSGPS时间系统。这就需要地面站监测时间系统。这就需要地面站监测 各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站各颗卫星的时间，求出钟差。然后由地面注入站发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。发给卫星，卫星再由导航电文发给用户设备。 GPSGPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。个注入站和五个监测站。用户设备部

17、分用户设备部分用户设备部分即用户设备部分即GPS GPS 信号接收机。信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星, ,并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后, ,即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率即可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率, ,解调出解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据卫星轨道参数等数据。根据这些数据, ,接收机中的微处理计算接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算机就可按定位解算方法进行定位计算, ,计算

18、出用户所在地理位计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内置的经纬度、高度、速度、时间等信息。接收机硬件和机内软件以及软件以及GPS GPS 数据的后处理软件包构成完整的数据的后处理软件包构成完整的GPS GPS 用户设备。用户设备。GPS GPS 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。接收机一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在一般采用机内和机外两种直流电源。设置机内电源的目的在于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池于更换外电源时不中断连续观测。在用机外电源时机内电池自动充电。关机后

19、自动充电。关机后, ,机内电池为机内电池为RAMRAM存储器供电存储器供电, ,以防止数据丢以防止数据丢失。目前各种类型的接受机体积越来越小失。目前各种类型的接受机体积越来越小, ,重量越来越轻重量越来越轻, ,便便于野外观测使用。于野外观测使用。 地面控地面控制部分制部分用户设用户设备部分备部分空间部分空间部分地面控地面控制部分制部分功能介绍功能介绍 一、精确定时：广泛应用在天文台、通信系统基站、电视台中 二、工程施工：道路、桥梁、隧道的施工中大量采用GPS设备进行工程测量 三、勘探测绘：野外勘探及城区规划中都有用到 四、导航四、导航 1.1.武器导航：精确制导导弹、巡航导弹武器导航：精确制

20、导导弹、巡航导弹 2.2.车辆导航：车辆调度、监控系统车辆导航：车辆调度、监控系统 3.3.船舶导航：远洋导航、港口船舶导航：远洋导航、港口/ /内河引水内河引水 4.4.飞机导航：航线导航、进场着陆控制飞机导航：航线导航、进场着陆控制 5.5.星际导航：卫星轨道定位星际导航：卫星轨道定位 6.6.个人导航：个人旅游及野外探险个人导航：个人旅游及野外探险 五、定位：五、定位： 车辆防盗系统车辆防盗系统 、手机、手机、PDAPDA、PPCPPC等通信移动设备防等通信移动设备防盗、电子地图、定位系统盗、电子地图、定位系统 、儿童及特殊人群的防走、儿童及特殊人群的防走失系统、农业勘测失系统、农业勘测

21、 车载定位系统 可移动定位可移动定位 应用广泛、应用广泛、多功能多功能 快速、省时、快速、省时、高效率高效率 七维定七维定点定速定时点定速定时高精度高精度 全球覆盖全球覆盖（高达（高达98%98%）全天候全天候不任何不任何气候影响气候影响GPS六大特点六大特点 其他卫星定位系统其他卫星定位系统 目前正在运行的全球卫星定位系统有美国的目前正在运行的全球卫星定位系统有美国的GPSGPS系统和俄罗斯的系统和俄罗斯的GLONASSGLONASS系统系统 欧盟欧盟19991999年初正式推出年初正式推出“伽利略伽利略”计划，部署新计划，部署新一代定位卫星。该方案由一代定位卫星。该方案由2727颗运行卫星和颗运行卫星和3 3颗预颗预备卫星组成，可以覆盖全球，位置精度达几米，备卫星组成，可以覆盖全球，位置精度达几米，亦可与美国的亦可与美国的GPSGPS系统兼容，总投资为系统兼容，总投资为3535亿欧元。亿欧元。该计划预计于该计划预计于20102010年投入运行。年投入运行。 另外，中国还独立研制了一个区域性的卫星定位另外，中国还独立研制了一个区域性的卫星定位系统系统北斗导航系统。该系统的覆盖范围限于北斗导航系统。该系统的覆盖范围限于中国及周边地区，不能在全球范围提供服务，主中国及周边地区，不能在全球范围提供服务，主要用于军事用途。要用于军事用途。 美国 由美国国防部于