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1、全球定位系统理论与应用研究进展概要专题三 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 Global positioning 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的发展历程 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

2、级, 美国迫切希望拥有能够在世界范围内实施精确、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 Ranging Global 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; 19781988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

3、”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 Satellite System)，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

4、射了第一颗试验卫星，1989年又发射了第一颗GPS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

5、个完整的GPS主要由空间段、控制段和用户段三部分构成。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GPS卫星

6、、收集卫星测距信息,并把收集的信息送到主站。主控站根据各监测站对GPS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GPS接收机、数据处理软件及其终端设备(如计算机)等组成。GPS接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GPS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

7、空间, 它们发播的星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, 则观测站就一定位于这三个球面的相交处( 若有多值解, 可通

8、过接收方向的判断而剔除) , 从而准确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 外弹道测量（2） GPS 在地球物理和

9、大地测量领域的应用1 地球物理观测 2 大地测量3 水土保持 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1 车辆调度指挥管理系统2 车辆导航3 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

10、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-R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262.1亿元的青藏铁路吸引了北电的目光，2003年10月，北电向铁道部提出在青藏线进行GSM-R试验的方案，第二年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。2006年5月，铁道部与北电签署合作协议，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-R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主流已成趋势，当时铁路部提出“跨越式发展”的口号

11、，要求在2010年前GSM-R通信网络覆盖全路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-R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。定位不准确使得调度工作难度加大，为

12、事故埋下隐患。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GLONASS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

13、，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

14、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准确的数据。5 GPS 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

15、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

16、被实际应用。6 旅游及野外考察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、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

17、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。8 GPS 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G

18、PS 技术的手机，欧美与日本等国大力投入研发。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。9 授时GPS 卫星不但提供导航定位信号，还提供时间基准。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

19、。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

20、，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

21、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I0ns/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

22、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、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正常工作，当目标进人隧道或地下停车场时，会造成信号的消失，因此，在高楼林立的都市，用GPS进行定位的应用范围受到了一定的限制。但人们也研究了一些其他办法来解决这个问题，如采用CT一2技术等，同时，由于目前的GPS系统受到美国的控制，对民用难以保证其质量，因此许多

23、厂家在努力克服SA政策的同时，开始研制对NAVSTAR和GLONASS系统兼容的接收机，但由于两者所采用的频段不同，也给这种接收机的生产研制带来很大的困难。同时，由于能同时观测到的卫星数量的增加，对NAVSTAR和GLONASS兼容也会增强系统的实时定位能力，有人将其称为GNSS系统(Global Navigation Satellite System)，非常适合于导航系统。另外，还有人提出GPS和INS(惯性导航系统)的结合，因为INS具有自主导航的能力，不需要外界的信号进行导航，抗干扰能力很强。二者结合可以获得更好的效果。参考文献：1陈剑青.GPS的原理与应用J.电信技术.1996.(1)2彭丕洪，黄国华. GPS的原理与应用剖析J.科技咨询.2006.(21)3余丹，廖凯宁.GPS全球定位系统的改进与发展J.全球定位系统.2006.14边力军.GPS全球定位系统的原理及应用J.电信技术工程与标准化.1998.(1) 5刘美生.全球定位系统及其应用综述( 一) 导航定位技术发展的沿革J.中国测试技术, 2006, 32( 5) :1- 8.6刘美生.全球定位系统及其应用综述（ 二）GPSJ.中国测试技术，2006，3（2 6）:5- 11.7刘美生.全球定位系统及其应用综述（ 三）GPSJ.中国测试技术，2007，33（1）:5- 11.