最新全球定位系统GPS知识入门手册.docx
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最新全球定位系统GPS知识入门手册
全球定位系统GPS知识入门手册
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。
现代化的工作包括正在开发的高精度NDGPS系统（HA－NDGPS），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。
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QuasiZenithSatelliteSystem（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ⅡR-M（修改的ⅡR）卫星开始。
ⅡR-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ⅡF批次卫星的2005年开始，ⅡF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ⅡF发射以前，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·格鲁门公司正在研制可提供30～40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（GlobalPositioningSystem）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=c△ti（i=1、2、3、4）。
di（i=1、2、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。
Vti（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,GeographicInformationSystem）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、WindowsNT、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、AutoDeskMap、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GLObalNAvigationSatelliteSystem（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（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=1～24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1400kg，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10～15m，定时精度提高到20～30ns，速度精度达到0.01m／s。
另外，俄计划将系统发播频率改为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
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