全球定位系统的应用、发展与未来

全球定位系统的应用、发展与未来

摘要:本文主要阐述了GPS系统的发展历史、组成原理及应用情况，对全球及我国卫星导航定位行业的市场现状进行了初步分析，比较了GPS和格洛纳斯、伽利略及北斗系统的特点与差异，最后对全球定位系统的未来进行了展望。

关键词: GPS 格洛纳斯伽利略北斗定位系统 GNSS市场调查 GPS应用

The Application, Development and Future of Global Positioning

System

Abstract: This paper outlines the historical status, compositing and application of the GPS system. Analyse the market of the satellite navigation and positioning on global and China. Compared among the GPS, GLONASS,GALLEO and Beidou,System.

At the end of this article, prospect the future of global positioning system.

Key Words: GPS GLONASS GALLEO Beidou GNSS market research Application of GPS

1GPS系统概述

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系统）的简称，其中文简称为“球位系”。GPS是一种定时和测距的空间交会定点的导航系统，可以向全球用户提供连续、实时、高精度的三维位置、三维速度和时间信息。在今天，GPS作为一种先进的测量手段和新的生产力，已融入到国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。

1.1GPS的发展历程

1957年10月前苏联成功发射了第一颗人造卫星后，美国海军就着手卫星定位方面的研究工作，产生了子午卫星导航系统(NNSS)。该系统又称多普勒卫星定位系统，它是58年底由美国海军武器实验室开始研制，于64年建成的“海军导航卫星系统”（Navy Navigation Satellite System）。这是人类历史上诞生的第一代卫星导航系统。

子午卫星导航系统由卫星网、地面跟踪站、计算中心、注入站、美国海军天文台和用户接收设备六部分组成。其定位原理是通过测定同一颗卫星不同间隔时段其信号的多普勒效应，从而确定卫星在各时段相对观察者的视向速度和视向位移；再利用卫星导航电文所给定的不同时刻的卫星空间坐标，结合对应的视向位移则可解算出测站空间坐标。

子午卫星导航系统将导航和定位技术推向了一个新的发展时代，在各领域都得到了广泛的应用，并显现出了巨大的优越性。但由于其自身存在的定位时间过长、无法测量高度、定位精度偏低等缺陷，使得该系统服役不久，就迫使美国国防部不得不着手研究第二代的卫星导航系统——全球定位系统（GPS）。

*指导老师：马磊学生姓名：郑鹤学号：20082110

GPS计划经历了方案论证（1974～1978年），系统论证（1979～1987年），试验生产（1988～1993年）三个阶段，总投资300亿美元。论证阶段发射了11颗BlockⅠ型GPS实验卫星（设计使用寿命为5年）；在试验生产阶段发射了28颗BlockⅡ型和BlockⅡA型GPS工作卫星（第二代卫星的设计使用寿命为7.5年）；第三代改善型GPS卫星BlockⅡR和BlockⅢ型GPS工作卫星从90年代末开始发射，计划发射20颗，以逐步取代第二代GPS工作卫星，改善全球定位系统。

1.2GPS系统的组成

GPS系统由空间部分、控制部分和用户部分组成。

空间部分是由24颗卫星组成(21颗工作卫星；3颗备用卫星），它们位于距地表20200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗),轨道倾角为55°。卫星运行周期为11小时58分。卫星通过天顶附近时可观测时间为5小时，在地球表面任何地方任何时刻高度角15度以上的可观测卫星至少有4颗，平均有6颗，最多达11颗。

图1 GPS系统空间部分模型

地面控制系统由五个监控站、三个地面天线所组成，主控制站位于美国科罗拉多州春田市(Colorado Spring)。地面控制站负责收集由卫星传回的讯息，并

计算卫星星历、相对距离，大气校正等数据。地面天

线则主要负责将主控站推算和编制的卫星星历、导航电文、控制指令注入相应的卫星的存储系统，并监测GPS卫星注入信息的正确性。

用户部分有静态接收机和低、中、高动态接收机，用来满足不同用户的工作需求。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从而分析计算出用户所在地理位置的经纬度、高度、速度、时间等信息。

1.3GPS系统的定位原理

理论上通常需要用从3颗不同卫星取得的测量值来计算用户的3维模型位置，既可以是直角坐标也可以是大地系统。但由于接收机内部时标精度低，接收机时钟与GPS时钟运行有偏差，因此要实现导航与定位，实际上要观测四顿卫星。

GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。如图所示，假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间△t，再加上接收机所接收到的卫星星历等其它数据可以确定以下四个方程式。

图2 GPS定位原理

1.4GPS系统的特点

全球定位系统的主要优点：

1.可以任意选定测点，不要求地面测点间相互

通视。

2.可以直接确定测点的三维矢量分量。

3.可以在任何气象条件下全天候观测。

4.可以提供连续测量值，有利于检测结构变形。

5.GPS的作业速率比常规测地方法快20倍。

6.操作简便，不需要熟练的技术人员就能操作。

随着GPS系统在社会生活中越来越广泛的应用，GPS技术也已日趋成熟。但GPS系统本身仍然存在着许多致命缺陷，如：信号抗干扰能力不足；军用的国家安全及保密要求与民用精度要求互相冲突；部分GPS星座即将失效；三位测量精度不一致等。

1.5差分GPS简介

差分GPS（DGPS，differential GPS-DGPS）就是首先利用已知精确三维坐标的差分GPS基准台，求得伪距修正量或位置修正量，再将这个修正量实时或事后发送给用户（GPS导航仪），对用户的测量数据进行修正，以提高GPS定位精度。

根据差分GPS基准站发送的信息方式可将差分GPS定位分为三类，即：位置差分、伪距差分和相位差分。这三类差分方式的工作原理是相同的，即都是由基准站发送改正数，由用户站接收并对其测量结果进行改正，以获得精确的定位结果。所不同的是，发送改正数的具体内容不一样，其差分定位精度也不同。

2GPS系统的应用

GPS系统的早期应用主要集中在军事设备的导航方面，如坦克、战斗机、潜水艇等。2000年美国克林顿政府取消禁令，开启了GPS从军用转入民用的大门。当商用接受机WM101、WM102面世以后，GPS 的应用扩展到各种民航设备、车辆导航、地震勘测以及大地测量定位等方面。

2.1GPS系统的应用领域

1.GPS连续运行站网和综合服务系统的发展

由全球GPS连续运行站（200个左右）所组成的ICG（International GPS Service），是GPS连续运行站网和综合服务系统的典范。它无偿向全球用户提供GPS的各种信息，如GPS精密星历、IGS站坐标及其运动速率、IGS站所接受的GPS信号数据等。这些信息在大地测量和地球动力学方面支持了无数的科学项目，包括气象、参考框架、精密时间传递、地壳运动等。

2.GPS应用于电离层、对流层监测

GPS在监测电离层方面的应用，也是GPS空间气象学的开端。太空中充满了等离子体、宇宙线粒子以及各种波段的电磁辐射，由于太阳常在1秒钟内抛出百万吨量级的带电物，电离层由此受到强烈干扰，这是气象研究学的一个研究对象。通过测量电离层对GPS讯号的延迟来确定单位体积内总自由电子含量（TEC），以建立全球的电离层数学模型。

在GPS应用于对流层的研究中，IGS通过德国GFZ的“IGS对流层比较和协调中心”提供的每两小时的对流层天顶延迟系列就象是控制点，对于区域性或局域性的对流层研究来说，可以起到对流层延迟绝对值的标定作用。

3.GPS作为卫星测高仪的应用

多路径效应是GPS定位中的一种噪音，至今仍是高精度GPS定位中一个很不容易解决的“干扰”。过去几年利用大气对GPS信号延迟的噪声发展了GPS大气学，目前也正在利用GPS定位中的多路径效应发展GPS测高技术，即利用空载GPS作为测高仪进行测高。它是通过利用海面或冰面所反射的GPS信号，求定海面或冰面地形，测定波浪形态，洋流速度和方向。通常卫星测高或空载测高测的是一个点，连续测量结果在反向面上是一个截面，而GPS测高则是测量有一定宽度的带，因此可以测定反射表面的起伏(地形)。据报告，试验时在空载平面安装2台GPS接收机，1

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