【正文】 PS技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢 測量精度高 操作簡便儀器體積小便于攜帶 全天候操作觀測點(diǎn)之間無須通視測量結(jié)果統(tǒng)一在WGS84坐標(biāo)下信息自動接收存儲減少繁瑣的中間處理環(huán)節(jié) 當(dāng)前GPS技術(shù)已廣泛應(yīng)用于大地測量資源勘查地殼運(yùn)動地籍測量等領(lǐng)域 GPS應(yīng)用于交通出租車租車服務(wù)物流配送等行業(yè)利用GPS技術(shù)對車輛進(jìn)行跟蹤調(diào)度管理合理分布車輛以最快的速度響應(yīng)用戶的乘車或送請求降低能源消耗節(jié)省運(yùn)行成本 GPS在車輛導(dǎo)航方面發(fā)揮了重要的角色在城市中建立數(shù)字化交通電臺實時發(fā)播城市交通信息車載設(shè)備通過GPS進(jìn)行精確定位結(jié)合電子地圖以及實時的交通狀況自動匹配最優(yōu)路徑并實行車輛的自主導(dǎo)航 民航運(yùn)輸通過GPS接收設(shè)備使駕駛員著陸時能準(zhǔn)確對準(zhǔn)跑道同時還能使飛機(jī)緊湊排列提高機(jī)場利用率引導(dǎo)飛機(jī)安全進(jìn)離場GPS應(yīng)用于救援利用GPS定位技術(shù)可對火警救護(hù)警察進(jìn)行應(yīng)急調(diào)遣提高緊急事件處理部門對火災(zāi)犯罪現(xiàn)場交通事故交通堵塞等緊急事件的響應(yīng)效率特種車輛如運(yùn)鈔車等可對突發(fā)事件進(jìn)行報警定位將損失降到最低 有了GPS的幫助救援人員就可在人跡罕至條件惡劣的大海山野沙漠對失蹤人員實施有效的搜索拯救裝有GPS裝置的漁船在發(fā)生險情時可及時定位報警使之能更快更即使地獲得救援GPS應(yīng)用于農(nóng)業(yè)當(dāng)前發(fā)達(dá)國家已開始把GPS技術(shù)引入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)即所謂的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)耕作該方法利用GPS進(jìn)行農(nóng)田信息定位獲取包括產(chǎn)量監(jiān)測土樣采集等計算機(jī)系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)的分析處理決策出農(nóng)田地塊的管理措施把產(chǎn)量和土壤狀態(tài)信息裝入帶有GPS設(shè)備的噴施器中從而精確地給農(nóng)田地塊施肥噴藥通過實施精準(zhǔn)耕作可在盡量不減產(chǎn)的情況下降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本有效避免資源浪費(fèi)降低因施肥除蟲對環(huán)境造成的污染GPS應(yīng)用于娛樂消遣隨著GPS接收機(jī)的小型化以及價格的降低GPS逐漸走進(jìn)了人們的日常生活成為人們旅游探險的好幫手通過GPS人們可以在陌生的城市里迅速地找到目的地并且可以最優(yōu)的路徑行駛野營者攜帶GPS接收機(jī)可快捷地找到合適的野營地點(diǎn)不必?fù)?dān)心迷路甚至一些高檔的電子游戲也使用了GPS仿真技術(shù)70年代后期有關(guān)單位在從事多年理論研究的同時引進(jìn)并試制成功了各種人造衛(wèi)星觀測儀器 1980年國家大地坐標(biāo)系進(jìn)行了南海群島的聯(lián)測80年代初我國一些院校和科研單位已開始研究GPS技術(shù)十多年來我國的測繪工作者 GPS定位基礎(chǔ)理論研究和應(yīng)用開發(fā)方面作了大量工作80年代中期我國引進(jìn)GPS接收機(jī)并應(yīng)用于各個領(lǐng)域同時著手研究建立我國自己的 GPS接收機(jī)擁有量約在 4萬臺左右其中測量類約500700臺航空類約幾百臺航海類約3萬多臺車載類數(shù)千臺 GPS技術(shù)在我國各行業(yè)中應(yīng)用的廣泛性GPS技術(shù)開展國際聯(lián)測建立全球性大地控制網(wǎng)提供高精度的地心坐標(biāo)測定和精10多個單位30多臺GPS雙頻接收機(jī)參加革命992年全國GPS定位GPS網(wǎng)點(diǎn)地心坐標(biāo)精度優(yōu)于02M點(diǎn)間位置精度優(yōu)于108在我國建成了平均邊長約100KM的GPS A級網(wǎng)提供了亞米級精度地心坐標(biāo)基準(zhǔn)此后在A級網(wǎng)的基礎(chǔ)上我國又布設(shè)了邊長為此30100KM的B級網(wǎng)全國約2500個點(diǎn)AB級GPS網(wǎng)點(diǎn)GPS聯(lián)測使海島與全國GPS靜態(tài)相對定位技術(shù)布設(shè)精密工程控制網(wǎng)用于城市和礦區(qū)油田地面沉降監(jiān)測GPS實時動態(tài)定位RTK測繪各種比例尺地形圖和用于施工放樣GPS技術(shù)進(jìn)行航測外業(yè)控制測量航攝飛行導(dǎo)航機(jī)載 GPS航測等航測成圖的各個階段GPS技術(shù)用于全球板塊運(yùn)動監(jiān)測和區(qū)域板塊運(yùn)動監(jiān)測我國已開始用兵GPS技術(shù) GPS形變監(jiān)測網(wǎng)等GPS技術(shù)已經(jīng)用于海洋測量水下地形測繪GPS測量規(guī)范》已于己于人1992年10月1日起實施GPS技術(shù)的 GPS靜態(tài)定位和高動態(tài)高精度GPS跟蹤站進(jìn)行對GPS GPS定位測量提供觀測數(shù)據(jù)和精密星歷服務(wù)致力于我國自主的廣域差 GPSWADGPS方案的建立參與全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS和GPS增強(qiáng)系統(tǒng)WAAS GPS接收機(jī)GPS技術(shù)的應(yīng)用正向更深層次發(fā)展GPS技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展1995年成立了中國GPS協(xié)會協(xié)會下設(shè)四個專業(yè)委員會 GPS應(yīng)用技圖21 GPS衛(wèi)星軌道圖GPS衛(wèi)星系列參數(shù)情況見下表21表21 GPS衛(wèi)星系列的主要技術(shù)參數(shù)及發(fā)射情況指標(biāo)類型 Block Ⅰ Block Ⅱ Block ⅡA Block ⅡR 重量Kg 500 774 987 1075 功率 W 400 710 700 1036 銫鐘數(shù) 1 2 2 0 銣鐘數(shù) 2 2 2 3 設(shè)計壽命年 5 73 78 10 首次發(fā)射時間 已發(fā)射數(shù)量 11 9 19 9 GPS的地面控制系統(tǒng) 對于衛(wèi)星大地測量而言GPS衛(wèi)星是以一種動態(tài)已知點(diǎn)描述衛(wèi)星及其軌道參數(shù)稱為衛(wèi)星星歷每顆衛(wèi)星的星歷由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供另外衛(wèi)星入軌運(yùn)動后它的健康狀況如何也需地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和控制地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站三個注入站和五個監(jiān)控站主控站擁有以大型計算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集計算傳輸診斷等設(shè)備它的主要功能是收集各監(jiān)測站測得的距離和距離差氣象要素衛(wèi)星時鐘和工作狀況的數(shù)據(jù)監(jiān)測站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)等根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時計算每顆GPS衛(wèi)星的星歷時鐘改正狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號的大氣傳播改正并按一定格式編制成導(dǎo)航電文傳送到注入站監(jiān)控整個地面監(jiān)控系統(tǒng)是否工作正常檢驗注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確監(jiān)測衛(wèi)星是否將導(dǎo)航電文發(fā)出調(diào)度備用衛(wèi)星替代失效的工作衛(wèi)星將偏離軌道的衛(wèi)星拉回到正常軌道位置監(jiān)控站是為主控站編算導(dǎo)航電文提供觀測數(shù)據(jù)每個監(jiān)測站均用GPS信號接收機(jī)測量每顆可見衛(wèi)星的偽距和距離差采集氣象要素等數(shù)據(jù)并將它們發(fā)送給主控站圖22 GPS 組成部分示意圖二GPS衛(wèi)星定位原理一概述測量學(xué)中有測距交會確定點(diǎn)位的方法與其相似無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)衛(wèi)星激光測距定位系統(tǒng)其定位原理也是利用測距交會的原理確定點(diǎn)位就無線電導(dǎo)航定位來說設(shè)想在地面上有三個無線電信號發(fā)射臺其坐標(biāo)為已知用戶接收機(jī)在某一時刻采用無線電測距的方法分別測得了接收機(jī)至三個發(fā)射臺的距離d1d2d3只需以三個發(fā)射臺為球心以d1d2d3為半徑作三個定位球面即可交會出用戶接收機(jī)的空間位置如果只有兩個無線電發(fā)射臺則可根據(jù)用戶接收機(jī)的概略位置交會出接收機(jī)的平面位置這種無線電導(dǎo)航定位是迄今為止仍在使用的飛機(jī)輪船的一種導(dǎo)航定位方法近代衛(wèi)星大地測量中的衛(wèi)星激光測距定位也是應(yīng)用了測距交會定位的原理和方法雖然用于激光測距的衛(wèi)星表面上安裝有激光反射棱鏡是在不停的運(yùn)動中但總可以利用固定于地面上三個已知點(diǎn)上的衛(wèi)星激光測距儀同時測定某一時刻至衛(wèi)星的空間距離d1d2d3應(yīng)用測距交會的原理變可確定該時刻衛(wèi)星的空間位置如此可以確定三顆以上衛(wèi)星的空間位置如果在第四個地面點(diǎn)上坐標(biāo)未知也有一臺衛(wèi)星激光測距儀同時參與測定了該點(diǎn)至第三顆衛(wèi)星點(diǎn)的空間距離則利用所測定的三個空間距離可以交會出該地面點(diǎn)的位置將無線電信號發(fā)射臺從地面點(diǎn)搬到衛(wèi)星上組成一顆衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用無線點(diǎn)測距交會的原理便可由三個以上地面已知點(diǎn)控制點(diǎn)交會出衛(wèi)星的位置反之利用三顆以上衛(wèi)星的已知空間位置又可交會出地面未知點(diǎn)用戶接收機(jī)的位置這便是GPS衛(wèi)星定位的基本原理GPS衛(wèi)星發(fā)射測距信號和導(dǎo)航電文導(dǎo)航電文中含有衛(wèi)星的位置信息用戶用GPS接收機(jī)在某一時刻同時接收三顆以上的衛(wèi)星信號測量出測站點(diǎn)接收機(jī)天線中心P至三顆以上衛(wèi)星的距離并解算出該時刻GPS衛(wèi)星的空間坐標(biāo)據(jù)此利用距離交會法解算出測站P的位置如下圖所示設(shè)在時刻ti 在測站點(diǎn)P用GPS接收機(jī)同時測得P點(diǎn)至三顆GPS衛(wèi)星S1S2S3的距離ρ1ρ2ρ3通過GPS電文解譯出該時刻三顆GPS衛(wèi)星的三維坐標(biāo)分別為XjYjZjj 123用距離交會的方法求解P點(diǎn)的三維坐標(biāo)XYZ的觀測方程為下式21　　 　　 21圖23 GPS衛(wèi)星定位示意圖在GPS定位中GPS衛(wèi)星是高速運(yùn)動的衛(wèi)星其坐標(biāo)值隨時間在快速變化著需要實時地由GPS衛(wèi)星信號測量出測站至衛(wèi)星之間的距離實時地由衛(wèi)星的導(dǎo)航電文解算出衛(wèi)星的坐標(biāo)值并進(jìn)行測站點(diǎn)的定位依據(jù)測距的原理其定位原理與計算方法主要有偽距法定位載波相位測量定位以及差分GPS定位等對于待定點(diǎn)來說根據(jù)運(yùn)動狀態(tài)可以將GPS定位分為靜態(tài)定位和動態(tài)定位靜態(tài)定位指的是對于固定不動的待定點(diǎn)將GPS接收機(jī)置于其上觀測數(shù)分鐘乃至更長的時間以確定該點(diǎn)的三維坐標(biāo)又叫絕對定位若以兩臺GPS接收機(jī)分別置于兩個固定不變的待定點(diǎn)上則通過一定時間的觀測可以確定兩個待定點(diǎn)間的相對位置又叫相對定位而動態(tài)定位則至少有一臺接收機(jī)處于運(yùn)動狀態(tài)測定的是各觀測時刻觀測歷元運(yùn)動中的接收機(jī)的點(diǎn)位絕對點(diǎn)位或相對點(diǎn)位利用接收到的衛(wèi)星信號測距碼或載波相位均可進(jìn)行靜態(tài)定位實際應(yīng)用中為了減弱衛(wèi)星的軌道誤差衛(wèi)星鐘差接收機(jī)鐘差以及電離層和對流層的折射誤差的影響常采用載波相位觀測值的各種線形組合即差分值作為觀測值獲得兩點(diǎn)之間高精度的GPS基線向量即坐標(biāo)差二偽距測量定位偽距法定位是由GPS接收機(jī)在某一時刻測出得到四顆以上GPS衛(wèi)星的偽距以及已知的衛(wèi)星位置采用距離交會的方法求定接收機(jī)天線所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)所測偽距就是由衛(wèi)星發(fā)射的測距碼信號到達(dá)GPS接收機(jī)的傳播時間乘以光速得到的量測距離由于衛(wèi)星鐘接收機(jī)鐘的誤差以及無線電信號經(jīng)過電離層和對流層中的延遲實際測出的距離ρ與衛(wèi)星到接收機(jī)的幾何距離ρ有一定的差值因此一般稱量出的距離為偽距用CA碼進(jìn)行測量的偽距為CA碼偽距用P碼測出的偽距為P碼偽距偽距法定位雖然一次定位精度不高P碼定位誤差約為10mCA碼定位誤差為2030m但因其具有定位速度快且無多值性問題等優(yōu)點(diǎn)仍然是GPS定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航的最基本方法同時所測偽距又可作為載波相位測量中解決整周數(shù)不確定問題模糊度的輔助資料三載波相位測量定位利用測距碼進(jìn)行偽距測量是GPS定位系統(tǒng)的基本測距方法然而由于測距碼的碼元長度較大對于一些高精度應(yīng)用來講其測距精度還顯的過低無法滿足需要如果觀測精度均取至測距碼波長的百分之一則偽距測量對P碼而言量測精度為30cm對CA碼而言為3m左右而如果把載波作為量測信號由于載波的波長短19cm24cm所以就可達(dá)到很高的精度目前的大地型接收機(jī)的載波相位測量精度一般為1～2mm有的精度更高但載波信號是一種周期性的正弦信號而相位測量又只能測定其不足一個波長的部分因而存在著整周數(shù)不確定性的問題使解算過程變地十分復(fù)雜在GPS信號中由于已用相位調(diào)整的方法在調(diào)制了測距碼和導(dǎo)航電文因而接收到的載波的相位已不再連續(xù)所以在進(jìn)行載波相位測量以前首先要進(jìn)行解調(diào)工作設(shè)法將調(diào)制在載波上的測距碼和衛(wèi)星電文去掉重新獲取載波這一工作稱為重建載波重建載波一般可采用兩種方法一種是碼相關(guān)法另一種是平方法采用前者用戶可同時提取測距信號和衛(wèi)星電文但用戶必須知道測距碼的結(jié)構(gòu)采用后者用戶無須掌握測距碼的結(jié)構(gòu)但只能獲取載波信號而無法獲得測距碼和衛(wèi)星電文四差分GPS定位差分技術(shù)很早就被人們所應(yīng)用比如相對定位中在一個測站上對兩個觀測目標(biāo)進(jìn)行觀測將觀測值求差或在兩個測站上對一個目標(biāo)進(jìn)行觀測將觀測值求差或在一個測站上對一個目標(biāo)進(jìn)行兩次觀測求差其目的是消除公共誤差提高定位精度利用求差后的觀測值解算兩觀測站之間的基線向量這種差分技術(shù)已經(jīng)用于靜態(tài)相對定位該部分所講述的差分GPS定位技術(shù)是將一臺接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo)計算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù)并由基準(zhǔn)站實時地將這一改正數(shù)發(fā)送出去用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測的同時也接收到基準(zhǔn)站的改正數(shù)并對其定位結(jié)果進(jìn)行改正從而提高定位精度GPS定位中存在著三部分誤差一是多臺接收機(jī)公有的誤差如衛(wèi)星鐘誤差星歷誤差二是傳播延遲誤差如電離層誤差對流層誤差三是接收機(jī)固有的誤差如內(nèi)部噪聲通道延遲多路徑效應(yīng)采用差分定位可完全消除第一部分誤差可大部分消除第二部分誤差視基準(zhǔn)站至用戶的距離差分可分為單基準(zhǔn)站差分具有多個基準(zhǔn)站的局部區(qū)域差分和廣域差分三種三GPS衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號一概述GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導(dǎo)航定位信號均采用L22cm波段作載波而且采用擴(kuò)頻技術(shù)傳送衛(wèi)星導(dǎo)航電文所謂擴(kuò)頻是將原擬發(fā)送的幾十比特速率的電文變換成發(fā)送幾兆至上十兆比特速率的由電文和偽隨機(jī)噪聲碼組成的組合碼GPS衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導(dǎo)航電文是一種不歸零二進(jìn)制碼組成的編碼脈沖串稱之為數(shù)據(jù)碼記作D其速率為50bits換言之D碼的碼率f 50Hz對于距離地面20000km之遙而電能緊張的GPS衛(wèi)星擴(kuò)頻技術(shù)能夠有效地將很低碼率的導(dǎo)航電文發(fā)送給用戶其方法是用很低碼率的數(shù)據(jù)碼作為二級調(diào)制擴(kuò)頻第一級用50Hz的D碼調(diào)制一個偽噪聲碼在D碼調(diào)制偽噪聲碼以后再用它們的組合碼去調(diào)制L波段的載波實現(xiàn)D碼的第二級調(diào)制而形成向廣大用戶發(fā)送的已調(diào)波為了簡便起見將每顆GPS衛(wèi)星發(fā)送的兩種已調(diào)波分別叫做第一導(dǎo)航定位信號和第二導(dǎo)航定位信號總稱為GPS信號二GPS衛(wèi)星的偽噪聲碼導(dǎo)航衛(wèi)星向廣大用戶發(fā)送的導(dǎo)航定位信號也是一種已調(diào)波但有別于常用的無線電廣播電臺發(fā)送的調(diào)頻調(diào)幅信號而是利用偽隨機(jī)噪聲碼傳送導(dǎo)航電文的調(diào)相信號1偽噪聲碼的定義GPS信號的調(diào)制波是衛(wèi)星導(dǎo)航電文和偽隨機(jī)噪聲碼的組合碼稱為偽噪聲碼2偽噪聲碼的生成移位寄存器是產(chǎn)生偽噪聲碼的基礎(chǔ)電路移位寄存器不僅具有暫時存放數(shù)據(jù)和指令的功能而且具有移位功能所謂移位功能是寄存器中所存放的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖的作用下逐次向左移動或向右移動偽噪聲碼的產(chǎn)生不能用一般的移位寄存器而必須采用一種具有特殊反饋電路的移位寄存器稱為最長線性移位寄存器它所產(chǎn)生的偽噪聲碼也稱為m序列下圖表示一個四級最長線性移位寄存器它包括4個D型觸發(fā)器 D1D2D3D4 模二和反饋電路和時鐘脈沖產(chǎn)生器圖中的置1脈沖將使m序列發(fā)生器的各個觸發(fā)器之初始狀態(tài)均為1稱為全1狀態(tài)x1表示反饋到觸發(fā)器D4的序列該反饋序列是觸發(fā)器D1D2輸出脈沖串的模二和所需要的m序列x0是從觸發(fā)器D1輸出的圖24m序列發(fā)生器的方框圖四GPS信號接收機(jī)一概述GPS信號接收機(jī)是GPS導(dǎo)航衛(wèi)星的用戶設(shè)備是實現(xiàn)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位的終端儀器它是一種能夠接收跟蹤變換和測量GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號的無線電設(shè)備既具有常用無線電設(shè)備的共性又具有捕獲跟蹤和處理衛(wèi)星微弱信號的特性二GPS信號接收機(jī)的類型1按工作原理分類基于被動式定位原理的GPS衛(wèi)星測量技術(shù)關(guān)鍵在于怎樣測得GPS信號接收天線和GPS衛(wèi)星之間的距離簡稱站星距離按測量站星距離所用測距信號之異GPS信號接