【正文】 第五章 GPS技術(shù) 第一節(jié) GPS概述 GPS（ Global Positioning System 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）是利用衛(wèi)星的測(cè)時(shí)和測(cè)距進(jìn)行導(dǎo)航，以構(gòu)成全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。現(xiàn)在國際上已經(jīng)公認(rèn)，將這一全球定位系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為 GPS。 美國從 20世紀(jì) 70年代開始研制，歷時(shí) 20年，耗資 200億美元，于 1994年全面建成具有在海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。經(jīng)近 10年我國測(cè)繪等部門的使用表明， GPS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，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)域帶來一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。 第一節(jié) GPS概述 前蘇聯(lián)早在 1982年就開始建立自己的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。后來，俄羅斯繼續(xù)執(zhí)行這一系統(tǒng)工程計(jì)劃，到 1995年已完成建成。目前這套全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)只由俄羅斯控制使用，未向全世界提供服務(wù)。歐洲聯(lián)盟考慮到全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用前景，也打算建立他們自己的全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)。目前德俄已聯(lián)合生產(chǎn)了可以同時(shí)接收美國 GPS和俄國 Glonass信號(hào)的衛(wèi)星定位接收器。當(dāng)前世界各國對(duì)全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航這一高新技術(shù)都非常重視，認(rèn)為其對(duì)導(dǎo)航定位和大地勘測(cè)技術(shù)是一場(chǎng)革命，其民用潛力相當(dāng)巨大，經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)可觀。而我國也建立自己的北斗星系統(tǒng)。在衛(wèi)星定位系統(tǒng)出現(xiàn)之前，遠(yuǎn)程導(dǎo)航與定位主要用無線導(dǎo)航系統(tǒng)。 第一節(jié) GPS概述 ? 北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)（也稱“雙星定位導(dǎo)航系統(tǒng)”）為我國“九五”列項(xiàng)，其工程代號(hào)取名為“北斗一號(hào)”，其方案于1983年提出。我國結(jié)合國情，科學(xué)、合理地提出并制訂自主研制實(shí)施“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)的“三步走”規(guī)劃：第一步是試驗(yàn)階段，即用少量衛(wèi)星利用地球同步靜止軌道來完成試驗(yàn)任務(wù)，為“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建設(shè)積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)、培養(yǎng)人才，研制一些地面應(yīng)用基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等；第二步是到 2022年，計(jì)劃發(fā)射 10多顆衛(wèi)星，建成覆蓋亞太區(qū)域的“北斗”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（即“北斗二號(hào) ”區(qū)域系統(tǒng)）；第三步是到 2020年，建成由 5顆地球靜止軌道和 30顆地球非靜止軌道衛(wèi)星組網(wǎng)而成的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。 ? 012年 10月 25日 23時(shí) 33分，我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用“長(zhǎng)征三號(hào)丙”火箭，成功將第 16顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。這是我國二代北斗導(dǎo)航工程的最后一顆衛(wèi)星，這是長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的第 170次發(fā)射。至此，我國北斗導(dǎo)航工程區(qū)域組網(wǎng)順利完成。 第一節(jié) GPS概述 （ 1）無線電導(dǎo)航系統(tǒng)。 ? ①羅蘭 C 工作在 100 kHz，由三個(gè)地面導(dǎo)航臺(tái)組成，導(dǎo)航工作區(qū)域 2 000km，一般精度 200－ 300m。 ? ② Omega（奧米茄） 工作在十幾 kHz。由八個(gè)地面導(dǎo)航臺(tái)組成，可覆蓋全球。精度幾英里。 ? ③多普勒系統(tǒng) 利用多普勒頻移原理，通過測(cè)量其頻移得到運(yùn)動(dòng)物參數(shù)（地速和偏流角 X）推算出飛行器位置，屬自備式航位推算系統(tǒng)。誤差隨航程增加而累加。缺點(diǎn)是覆蓋的工作區(qū)域??；電波傳播受大氣影響；定位精度不高。 第一節(jié) GPS概述 （ 2）衛(wèi)星定位系統(tǒng)。最早的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國的子午儀系統(tǒng)。 1958年底，美國海軍武器實(shí)驗(yàn)室委托霍布金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室研究美國軍用艦艇導(dǎo)航服務(wù)的衛(wèi)星系統(tǒng)，海軍導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)（ Navy Navigation Satellite System， NNSS）。在這一系統(tǒng)中，衛(wèi)星的軌道通過地極，所以又稱為子午儀衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（ Transit Satellite Navigation System， TSNS） 1964年正式投人使用。由于該系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)目較小（ 56顆）運(yùn)行高度較低（平均 1000 km）從地面站觀測(cè)到衛(wèi)星的時(shí)間隔較長(zhǎng)（平均 h）因而它無法提供連續(xù)的實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航，而且精度較低。 第一節(jié) GPS概述 一、 GPS的特點(diǎn) （一）、定位精度高 應(yīng)用實(shí)踐已經(jīng)證明， GPS相對(duì)定位精度在 50KM以內(nèi)可達(dá) 106， 100500KM可達(dá) 107， 1000KM可達(dá) 109。在 3001500M工程精密定位中， 1小時(shí)以上觀測(cè)的其平面位置誤差小于 1mm，與 ME5000電磁波測(cè)距儀測(cè)定得邊長(zhǎng)比較，其邊長(zhǎng)較差最大為 ,校差中誤差為 。 （二）、觀測(cè)時(shí)間短 隨著 GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前， 20KM以內(nèi)相對(duì)靜態(tài)定位，僅需 1520分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量時(shí)，當(dāng)每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在 15KM以內(nèi)時(shí)，流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)間只需 12分鐘，然后可隨時(shí)定位，每站觀測(cè)只需幾秒鐘。 （三）、測(cè)站間無須通視 GPS測(cè)量不要求測(cè)站之間互相通視，只需測(cè)站上空開闊即可，因此可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用。由于無需點(diǎn)間通視，點(diǎn)位位置可根據(jù)需要，可稀可密，使選點(diǎn)工作甚為靈活，也可省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點(diǎn)、過渡點(diǎn)的測(cè)量工作。 第一節(jié) GPS概述 （四）、可提供三維坐標(biāo) 經(jīng)典大地測(cè)量將平面與高程采用不同方法分別施測(cè)。 GPS可同時(shí)精確測(cè)定測(cè)站點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前 GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測(cè)量的精度。 （五）、操作簡(jiǎn)便 隨著 GPS接收機(jī)不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度越來越高，有的已達(dá) “ 傻瓜化 ” 的程度；接收機(jī)的體積越來越小，重量越來越輕，極大地減輕測(cè)量工作者的工作緊張程度和勞動(dòng)強(qiáng)度。使野外工作變得輕松愉快。 （六）、全天候作業(yè) 目前 GPS觀測(cè)可在一天 24小時(shí)內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行 ,不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響。 第一節(jié) GPS概述 （七）、功能多、應(yīng)用廣 GPS系統(tǒng)不僅可用于測(cè)量、導(dǎo)航，還可用于測(cè)速、測(cè)時(shí)。測(cè)速的精度可達(dá) ，測(cè)時(shí)的精度可達(dá)幾十毫微秒。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。 GPS系統(tǒng)的應(yīng)用前景當(dāng)初，設(shè)計(jì) GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航，收集情報(bào)等軍事目的。但是，后來的應(yīng)用開發(fā)表明， GPS系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到上述目的，而且用 GPS衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航定位信號(hào)能夠進(jìn)行厘米級(jí)甚至毫米級(jí)精度的靜態(tài)相對(duì)定位，米級(jí)至亞米級(jí)精度的動(dòng)態(tài)定位，亞米級(jí)至厘米級(jí)精度的速度測(cè)量和毫微秒級(jí)精度的時(shí)間測(cè)量。因此， GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景。 第一節(jié) GPS概述 二、 GPS系統(tǒng)構(gòu)成 全球定位系統(tǒng)由三部分構(gòu)成：地面監(jiān)控部分、空間部分和用戶裝置部分。 （一）、地面控制部分： GPS的地面監(jiān)控部分目前主要由分布在全球的 5個(gè)地面站組成，其中包括主控站、衛(wèi)星檢測(cè)站和信息注入站。主控站位于美國科羅拉多州斯平士的聯(lián)合空間執(zhí)行中心， 3個(gè)注入站分別設(shè)在大西洋的阿松森島。印度洋的狄哥伽西亞和太平洋的卡瓦加