簡(jiǎn)單介紹GPS全球定位系統(tǒng)組成及優(yōu)點(diǎn)

利用GPS定位衛(wèi)星，在全球范圍內(nèi)實(shí)時(shí)進(jìn)行定位、導(dǎo)航的系統(tǒng)，稱(chēng)為全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)GPS(英語(yǔ)全稱(chēng)為：Global Positioning System)，它可以為地球表面絕大部分地區(qū)(98%)提供準(zhǔn)確的定位、測(cè)速和高精度的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)(GPS定位系統(tǒng))。

GPS全球定位系統(tǒng)由美國(guó)國(guó)防部研制和維護(hù)，可滿(mǎn)足位于全球任何地方或近地空間的軍事用戶(hù)連續(xù)精確的確定三維位置、三維運(yùn)動(dòng)和時(shí)間的需要(GPS是什么)。該系統(tǒng)包括太空中的24顆GPS衛(wèi)星;地面上的1個(gè)主控站、3個(gè)數(shù)據(jù)注入站和5個(gè)監(jiān)測(cè)站及作為用戶(hù)端的GPS接收機(jī)。最少只需其中3顆衛(wèi)星，就能迅速確定用戶(hù)端在地球上所處的位置及海拔高度;所能收聯(lián)接到的衛(wèi)星數(shù)越多，解碼出來(lái)的位置就越精確。

GPS全球定位系統(tǒng)的組成

GPS全球定位系統(tǒng)是美國(guó)第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。是在子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，它采納了子午儀系統(tǒng)的成功經(jīng)驗(yàn)。和子午儀系統(tǒng)一樣，全球定位系統(tǒng)由空間部分、地面監(jiān)控部分和用戶(hù)接收機(jī)三大部分組成。

按目前的方案，全球定位系統(tǒng)的空間部分使用24顆高度約2.02萬(wàn)千米的衛(wèi)星組成衛(wèi)星星座。21+3顆衛(wèi)星均為近圓形軌道，運(yùn)行周期約為11小時(shí)58分，分布在六個(gè)軌道面上(每軌道面四顆)，軌道傾角為55度。衛(wèi)星的分布使得在全球的任何地方，任何時(shí)間都可觀測(cè)到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形(DOP)。這就提供了在時(shí)間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰Α?/p>

地面監(jiān)控部分包括四個(gè)監(jiān)控站、一個(gè)上行注入站和一個(gè)主控站。監(jiān)控站設(shè)有GPS用戶(hù)接收機(jī)、原子鐘、收集當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)的傳感器和進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理的計(jì)算機(jī)。監(jiān)控站的主要任務(wù)是取得衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)傳送至主控站。主控站設(shè)在范登堡空軍基地。它對(duì)地面監(jiān)控部實(shí)行全面控制。

主控站主要任務(wù)是收集各監(jiān)控站對(duì)GPS衛(wèi)星的全部觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算每顆GPS衛(wèi)星的軌道和衛(wèi)星鐘改正值。上行注入站也設(shè)在范登堡空軍基地。它的任務(wù)主要是在每顆衛(wèi)星運(yùn)行至上空時(shí)把這類(lèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)及主控站的指令注入到衛(wèi)星。這種注入對(duì)每顆GPS衛(wèi)星每天進(jìn)行一次，并在衛(wèi)星離開(kāi)注入站作用范圍之前進(jìn)行最后的注入。

GPS全球定位系統(tǒng)分類(lèi)

按定位方式，GPS全球定位系統(tǒng)定位分為單點(diǎn)定位和相對(duì)定位(差分定位)。

單點(diǎn)定位就是根據(jù)一臺(tái)接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定接收機(jī)位置的方式，它只能采用偽距觀測(cè)量，可用于車(chē)船等的概略導(dǎo)航定位。

相對(duì)定位(差分定位)是根據(jù)兩臺(tái)以上接收機(jī)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定觀測(cè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置的方法，它既可采用偽距觀測(cè)量也可采用相位觀測(cè)量，大地測(cè)量或工程測(cè)量均應(yīng)采用相位觀測(cè)值進(jìn)行相對(duì)定位。

GPS全球定位系統(tǒng)發(fā)展

GPS全球定位系統(tǒng)由美國(guó)政府于1970年代開(kāi)始進(jìn)行研制并于1994年全面建成。使用者只需擁有GPS接收機(jī)即可使用該服務(wù)，無(wú)需另外付費(fèi)。GPS信號(hào)分為民用的標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS，Standard Positioning Service)和軍規(guī)的精確定位服務(wù)(PPS，Precise Positioning Service)兩類(lèi)。

由于SPS無(wú)須任何授權(quán)即可任意使用，原本美國(guó)因?yàn)閾?dān)心敵對(duì)國(guó)家或組織會(huì)利用SPS對(duì)美國(guó)發(fā)動(dòng)攻擊，故在民用訊號(hào)中人為地加入選擇性誤差(即SA政策，Selective Availability)以降低其精確度，使其最終定位精確度大概在100米左右;軍規(guī)的精度在十米以下。2000年以后，克林頓政府決定取消對(duì)民用訊號(hào)的干擾。因此，現(xiàn)在民用GPS也可以達(dá)到十米左右的定位精度。

GPS全球定位系統(tǒng)計(jì)劃實(shí)施階段：

第一階段為方案論證和初步設(shè)計(jì)階段。

從1978年到1979年，由位于加利福尼亞的范登堡空軍基地采用雙子座火箭發(fā)射4顆試驗(yàn)衛(wèi)星，衛(wèi)星運(yùn)行軌道長(zhǎng)半軸為26560km，傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研制了地面接收機(jī)及建立地面跟蹤網(wǎng)，結(jié)果令人滿(mǎn)意。

第二階段為全面研制和試驗(yàn)階段。

從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆稱(chēng)為BLOCK I的試驗(yàn)衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機(jī)。實(shí)驗(yàn)表明，GPS定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，利用粗碼定位，其精度就可達(dá)14米。

第三階段為實(shí)用組網(wǎng)階段。

1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，這一階段的衛(wèi)星稱(chēng)為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統(tǒng)進(jìn)入工程建設(shè)狀態(tài)。1993年底使用的GPS網(wǎng)即(21+3)GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計(jì)劃更換失效的衛(wèi)星。

GPS全球定位系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

(1)三維定速定時(shí)高精度;

(2)快速、省時(shí)、高效率、應(yīng)用廣泛、多功能;

(3)可移動(dòng)定位;

(4)不同于雙星定位系統(tǒng)，使用過(guò)程中接收機(jī)不需要發(fā)出任何信號(hào)增加了隱蔽性，提高了其軍事應(yīng)用效能。

(5)使用低頻訊號(hào)，縱使天候不佳仍能保持相當(dāng)?shù)挠嵦?hào)穿透性;全球覆蓋(高達(dá)98%);

(6)具有性能好、精度高、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，是迄今最好的導(dǎo)航定位系統(tǒng)。隨著全球定位系統(tǒng)的不斷改進(jìn)，硬、軟件的不斷完善，應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷地開(kāi)拓，目前已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各種部門(mén)，并開(kāi)始逐步深入人們的日常生活。

總結(jié)

經(jīng)近 10 年我國(guó)測(cè)繪等部門(mén)的使用表明， GPS全球定位系統(tǒng)以全天候、高精度、 自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得廣大測(cè)繪工作者的信賴(lài)，并成功地應(yīng)用于大地測(cè)量、工程測(cè)量、航空攝影測(cè)量、運(yùn)載工具導(dǎo)航和管制、地殼運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、工程變形監(jiān)測(cè)、資源勘察、地球動(dòng)力學(xué)等多種學(xué)科，從而給測(cè)繪領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。本文簡(jiǎn)單介紹了GPS全球定位系統(tǒng)的組成、分類(lèi)、發(fā)展、實(shí)施計(jì)劃、優(yōu)點(diǎn)等基礎(chǔ)知識(shí)。