GPS是英文Global Positioning System.doc
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1、GPS是英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称。它是随着现代化科学技术发展而建立的一精密卫星无线电导航定位系统, GPS起始于1958年美国军方的一个项目,1964年投入使用。20世纪70年代,美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS 。主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务,并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年全面建成,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。可为航空,航天。陆地、海洋、等用户提供三维的导航,与其它定位技术相比,该系统具有全球连
2、续覆盖,定位精度高,快速、全天候观测、无需通视、操作简便、抗干扰能力强等优点。卫星定位技术概况卫星定位技术,是指人类利用人造地球卫星确定测站点位置的技术。人造地球卫星仅仅作为一种空间观测目标,有地面观测站对卫星的瞬间位置进行摄影测量,测定测站点至卫星的方向,建立三星三角网。 GPS整个系统由二个独立的部分组成:空间卫星星座、地面监控与控制站和用户设备。 1.卫星星座部分GPS的空间卫星星座由24颗卫星组成,其中将21颗卫星分配为工作卫星,3颗分配为备用卫星。目前,实际工作的卫星大约有30颗。将这24颗卫星平均分配在6个轨道面内,每四颗卫星不均匀的分配在一个轨道上。卫星轨道面对十地球赤道面的倾斜
3、角约55度。6个轨道平分后,每相邻之间的轨道的经度升交角相差60度。在相邻轨道上,临近卫星的交距相差约30度。GPS卫星属十地球中轨卫星,位十距离地球表面高度约20200km的上空,其运行周期为11小时58分。在同一观测站上,每天出现的卫星分布图相同,考虑到地球自转一次是24小时,其卫星的分布状况和运行每天要提前4分钟重复一次。每颗卫星每天大约5小时是处在地平线以上的,因此每天观测的位十地平线以上的卫星数目是不定的,一般来说最少为4颗,多则可达到11颗。一周的时间为12恒星时。这样,对十地面观测者来说,每天将提前4分钟见到同一颗GPS卫星。位十地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同,最少可见
4、到4颗,最多可见到11颗。在用GPS信号导航定位时,为了结算测站的二维坐标,必须观测4颗GPS卫星,称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对十某地某时,甚至不能测得精确的点位坐标,这种时间段叫做“间隙段”。但这种时间间隙段是很短暂的,并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的定位。这种框架分布保障了在地球上任何时间、地点都可以观测到足够多的卫星数量为定位所用,并保持良好的定位解算精度,另一目的是如果某一轨道的卫星失效,由十相邻轨道其他卫星的存在,地面所接收到的信号定位性和覆盖性不至十受到破坏Ifn大幅度下降。因此,GPS提供了在时间上连续、全球性的
5、导航能力。 2.地面监控与控制站地面监控部分主要由二个部分组成:1个主控站、4个注入站和6个监测站。地面监控系统。对十导航定位来说,GPS卫星是一动态已知点。卫星的位置是依据卫星发射的星历(用来描述卫星运动及其轨道的参数)算得的。每颗GPS卫星所播发的星历,是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备是否正常工作,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。地面监抓系统另一重要作用是保持各颗卫星处十同一时间标准一一GPS时间系统。这就需要地面站监测每颗卫星的时间,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。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、二个注
6、入站和五个监测站。坐落十美国科罗拉多州 Falcon空军基地的主控站为地面监控部分,几乎是整个GPS的核心,它监控和协调地面监控站的工作,通过接收、处理监控站传来的数据,地面监控站大多位十美国科罗拉多州Falcon空军基地,被称为GPS的核心,它的主要工作是监控和协调地面的工作,主要完成以下功能:观察计算卫星的各种参数;巡视所检测到的所有卫星的运行轨道情况;统计卫星时钟差,目_比较主控站的原子钟与各个卫星的原子钟同步,来纠正GPS的基准时钟;及时更新所监控卫星的导航电文,并将电文传送给注入站;为确保在预定的轨道,卫星正常运行,则发送控制命令用来调整卫星的轨道;时刻准备着备用卫星,在卫星失效、出
7、现故障的情况下开启。 注入站是主控站和各个对应卫星之间的桥梁,受主控站监控,其主要作用是确保主控站发发送来的控制命令和卫星导航电文等信息在转发给各个对应卫星时的准确性。 监控站是一个数据自动采集中心,受主控站支配,其装置主要包括GPS双频接收机、计算机各一台、高精度原子钟和若干数据环境传感器。采集数据包括GPS数据和环境传感器测量到的当时的气象数据。并将所得测量数据经整理后上传到主控站。 3.用户设备部分用户设备我们称之为GPS接收机,用户用来定位的工具,主要由接收机硬件设备、处理数据软件以及微处理机等设备组成上3一川。终端GPS接收机的硬件部分,主要包括主机、电源和天线,作为用户设备的核心部
8、分,主要功能是通过天线接收所有可见GPS卫星信号后,接收机将获得的定位信息经过简单的处理实现导航定位上5。GPS软件处理部分是指内置各种软件处理包,主要作用是对所获得信息进行分析精密加工,使得定位结果更加准确。 GPS的基本定位原理是:轨道卫星的坐标是已知的,fn用户和GPS卫星之间的距离观测值也是已知的,以这个已知的观测值为基准,应用所知道的卫星坐标来计算出用户和接收机所对应的位置坐标。 GPS卫星连续不断的发射导航电文和测距信号,导航电文包含卫星所在的位置信息,用户在同一时刻同时接收3颗以上GPS卫星信号,测量接收机接收至3颗以上GPS卫星的距离并求出该时刻GPS卫星的坐标,据此来解算出地
9、面接收机的位置上创。目前,测量距离主要使用两种方法:方法一是伪距测量法,通过测量GPS卫星发射的测距码发射到用户接收机的过程中的传播时间来计算当前的位置;方法二是载波相位测量法,通过测量具有载波多普勒频移的GPS卫星载波信号与地面GPS接收机产生的参考载波信号之间的相位差来计算。二者各有优缺点,前者定位速度较快,后者定位精度较高。都是通过对多余3颗的卫星进行同时伪距或者相位的测量,就可以计算车当前接收机的具体位置。GPS定位原理如图3-1所示。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和全球性的导航服务,并
10、用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的,是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验,耗资300亿美元,到1994年3月,全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点,作为先进的测量手段和新的生产力,已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。 随着冷战结束和全球经济的蓬勃发展,美国政府宣布2000年至2006年期间,在保证美国国家安全不受威胁的前提下,取消SA政策,GPS民用信号精度在全球范围内得到改善,利用C/A码进行单点定位的精度由100米提高到20米,这将进一步推动GPS技术的应用,提高生产力、
11、作业效率、科学水平以及人们的生活质量,刺激GPS市场的增长。据有关专家预测,在美国,单单是汽车GPS导航系统,2000年后的市场将达到30亿美元,而在我国,汽车导航的市场也将达到50亿元人民币。可见,GPS技术市场的应用前景非常可观。1.1 选题的背景1.2 国内外研究现状及发展趋势上世纪五十年代后期,美国出于自身的政治、军事和经济利益的考虑,开始研制卫星导航系统,经过三十多年的努力,耗资300多亿美元,终于建成了上世纪航天史上最成功、最有意义的工程之一全球卫星定位系统(Global Positioning System,GPS),成为继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后第三项庞大工程,GPS能
12、连续、实时、高精度地为用户提供三维位置、三维速度和时间信息,并能覆盖全球和全天候工作。 1994年4月3日,24颗Block-II型工作卫星发射完毕,系统投入全面运行。GPS最初主要用于军事和涉及国家重要利益的民用领域,可实现飞机舰船的导航、部队调动、军事目标定位、武器的精确制导等,特别是在沙漠风暴和对科索沃的轰炸这两场典型高技术战争中,GPS大量用于巡航导弹的制导,打击目标的选择,甚至地面士兵都随身携带便携式定位装置,可以说,GPS是现代高技术武器的眼睛。 鉴于GPS的军事上非凡的表现和巨大的实用价值,美国总统克林顿颁布法令,将GPS向民用领域免费开放,同时在2000年5月1日起停止S/A政
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