GPS技术在对讲机中的应用

GPS技术在对讲机的应用

1 GPS概述

GPS的英文全称是Navigation Satellite Timing And Ranging Global Position System，有时也被称作NAVSTAR GPS。

其意为―导航星测时与测距全球定位系统‖，或简称全球定位系统。

1.1 GPS的基本原理

GPS主系统是美国发射运行的卫星系统，包含了27颗能持续发送地理位置海拔高度和时间信号的卫星，24个正常使用，3个备用，这些卫星平均分布运行在六个轨道上。24颗GPS卫星在离地面2万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地球运行，使得地面上的任何一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，就可以得到接收机的距离，利用三维坐标中的距离公式，用三颗卫星就可以组成三个方程，解出观测点的位置（X，Y，Z），考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和时差，因而需要引入第4颗卫星，形成四个方程式进行求解，从而得到观测点的经度、纬度和高度。这就是GPS卫星系统实现定位的基本原理。

1.2 GPS的组成

全球定位系统由三部分构成：地面控制站、空间部分、用户装置部分。

主控站：负责管理、协调整个控制系统的工作，由地面天线（在主控站的控制下向卫星注入导航电文）、监测站（数据自动收集中心）和通信辅助系统（数据传输）组成。

空间部分：由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面上。

用户装置部分：主要由GPS接收机和卫星天线组成。

1.3 GPS的发展历程

GPS系统的前身为美军研制的一种子午仪卫星定位系统（Transit），1958年研制，1964年正式投入使用。该系统用5到6颗卫星组成的星网工作，每天最多绕过地球13次，无法给出高度信息，在定位精度方面也不尽如人意。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,美国海军研究实验室(NRL)提出了名为Tinmation的用12到18颗卫星组成10000km高度的全球定位网计划，并于67年、69年和74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GPS系统精确定位的基础。

1973年美国国防部将海空军定位系统合二为一。GPS导航卫星自1978年发射以来，其型别已由第Ⅰ，Ⅱ和ⅡA批次发展到ⅡR批次。目前正在制造33颗更先进的ⅡF批次卫星。美国还在考虑发展采用点波束的新一代GPS卫星（GPS-Ⅲ）。

美国的全球定位系统（GPS）导航卫星正在逐步现代化。GPS从美国空军的导航辅助设备开始，逐渐发展成军民两用的一种重要技术。GPS的精确位置与定时信息，已成为世界范围各种军民用、科研和商业活动的一种重要资源,民用用户要求GPS具有更好的抗干扰和干涉性能、较高的安全性和完整性；军方则要求卫星发射较大的功率和新的同民用信号分离的军用信号；而对采用GPS导航的―灵巧‖武器，加快信号捕获速度更为重要。GPS从1994年全面工作以来，改进工作一直在进行中。

民用GPS导航精度迄今的最大改进发生在2000年5月2日，美国停止了故意降低民用信号性能（称为选择可用性，即S/A）的做法。在S/A工作时，民用用户在99%的时间只有100米的精度。但当S/A切断后，导航精度上升，95%的位置数据可落在半径为6.3米的圆内。

1.4 其它卫星导航系统

1.4.1 北斗卫星导航系统

我国自行研制的两颗北斗导航试验卫星分别于2000年10月31日和12月20日从西昌卫星发射中心升空并准确进入预定的地球同步轨道（东经80º和140º的赤道上空），此外另一颗备用卫星也被送入预定轨道（东经110.5º的赤道上空），标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航系统——BD–1。

“北斗卫星导航系统‖是由空间卫星、地面控制中心站和北斗用户终端三部分构成。

空间部分包括两颗地球同步轨道卫星（GEO）组成。卫星上带有信号转发装置，完成地面控制中心站和用户终端之间的双向无线电信号的中继任务。

为了使我国的卫星导航定位系统的性能有实质性的提高，中央已决定研制组建第二代北斗卫星导航定位系统（BD–2）。从导航体制、测距方法、卫星星座、信号结构及接收机等方面进行全面改进。上海的复控华龙公司开发了第一款基于北斗的GPS芯片。

北斗系统主要有三大功能：快速定位，为服务区域内的用户提供全天候、实时定位服务，定位精度与GPS相当；短报文通信，一次可传送多达120个汉字的信息；精密授时，精度达20纳秒。

北斗应用有五大优势。一，它同时具备定位与通讯功能，不需要其他通讯系统支持。而GPS只能定位。二，覆盖范围大，没有通讯盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区，不仅可为中国、也可为周边国家服务。三，特别适合于集团用户大范围监控管理和数据采集用户数据传输应用。四，融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源，因此也可利用GPS使之应用更加丰富。五，自主系统，安全、可靠、稳定，保密性强，适合关键部门应用.

1.4.2 GLONASS卫星定位系统

俄罗斯GLONASS卫星定位系统拥有工作卫星21颗，分布在3个轨道平面上，同时有3颗备份星。每颗卫星都在1.91万公里高的轨道上运行，周期为11小时15分。GLONASS采用频分多址体制，卫星靠频率不同来区分，每组频率的伪随机码相同。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。因GLONASS卫星星座一直处于降效运行状态，现只有8颗卫星能够正常工作。GLONASS的精度要比GPS系统的精度低，由于卫星发射的载波频率不同，GLONASS 可以防止整个卫星导航系统同时被敌方干扰，因而，具有更强的抗干扰能力