【文章內(nèi)容簡介】 用 24顆高度約 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 58 分，分布在六個軌道面上（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，任何時間都可觀測到四顆以上的衛(wèi)星，并能保持良好定位解算精度的幾何圖形。這就提供了在時間上連續(xù)的全球?qū)Ш侥芰?。其?yīng)用技術(shù)已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。特別是在測量領(lǐng)域 .我以山西省重點工程， 2020 年開工 建設(shè)的陽泉市 307 國道復(fù)線坡頭至水峪項目為例，概略敘述 GPS 在 307 國道建設(shè)及在公路工程控制測量中的應(yīng)用。 二、 GPS系統(tǒng)的特點 GPS系統(tǒng)的特點：高精度、全天候、高效率、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等。 定位精度高 應(yīng)用實踐已經(jīng)證明， GPS 相對定位精度在 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小時以上觀測的解 1 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 其平面位置誤差小于 1mm，與 ME5000 電磁波測距儀測定得邊長比較，其邊長較差最大為 ,校差中誤差為 。 觀測時間短 隨著 GPS系統(tǒng)的不斷完善，軟件的不斷更新，目前， 20KM以內(nèi)相對靜態(tài)定位，僅需 1520 分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量時，當(dāng)每個流動站與基準(zhǔn)站相距在 15KM以內(nèi)時，流動站觀測時間只需 12分鐘，然后可隨時定位，每站觀測只需幾秒鐘 . 測站間無須通視 GPS測量不要求測站之間互相通視，只需測站上空開闊即可，因此可節(jié)省大量的造標(biāo)費(fèi)用。由于無需點間通視，點位位置可根據(jù)需要，可稀可密，使選點工作甚為靈活，也可 省去經(jīng)典大地網(wǎng)中的傳算點、過渡點的測量工作。 可提供三維坐標(biāo) 經(jīng)典大地測量將平面與高程采用不同方法分別施測。 GPS可同時精確測定測站點的三維坐標(biāo)。目前 GPS水準(zhǔn)可滿足四等水準(zhǔn)測量的精度。 操作簡便 隨著 GPS接收機(jī)不斷改進(jìn)，自動化程度越來越高，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，極大地減輕測量工作者的工作緊張程度和勞動強(qiáng)度。使野外工作變得輕松愉快。 全天候作業(yè) 目前 GPS觀測可在一天 24小時內(nèi)的任何時間進(jìn)行 ,不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響。 功能多、應(yīng)用廣 GPS系統(tǒng)不僅可用于測量、導(dǎo)航，還可用于測速、測時。測速的精度可達(dá) ，測時的精度可達(dá)幾十毫微秒。其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。當(dāng)初，設(shè)計 GPS 系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航，收集情報等軍事目的。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)航定位信號能夠進(jìn)行厘米級甚至毫米級精度的靜態(tài)相對定位，米級至亞米級精度的動態(tài)定位，亞米級至厘米級精度的速度測量和毫微秒級精度的時間測量。因此， GPS系統(tǒng)展現(xiàn)了極其廣闊的應(yīng)用前景 2 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 第二節(jié) GPS定位技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀 如人們所說： GPS 的應(yīng)用，僅受人們的想象力制約。 GPS 問世以來，已充分顯示了其在導(dǎo)航，定位領(lǐng)域的霸主地位。許多領(lǐng)域也由于 GPS 的出現(xiàn)而產(chǎn)生革命性變化。目前，幾乎全世界所有需要導(dǎo)航，定位的用戶，都被 GPS的高精度，全天候，全球覆蓋，方便靈活和優(yōu)質(zhì)價廉所吸引。 一、 GPS的應(yīng)用按其使用領(lǐng)域簡單介紹如下 GPS應(yīng)用于測量 GPS技術(shù)給測繪界帶來了一場革命。利用載波相位差分技術(shù)（ RTK） ,在實時處理兩個觀測 站的載波相位的基礎(chǔ)上，可以達(dá)到厘米級的精度。與傳統(tǒng)的手工測量手段相比， GPS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)用戶的乘車貨送請求，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 3 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 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，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)。 二、 我國的 GPS定位技術(shù)應(yīng)用情況 2020年 2月，國家計委提出 “衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化專項 ”，其目標(biāo)是在 “十五 ”末期，形成一個市場規(guī)模超過百億元的新產(chǎn)業(yè)。要在生產(chǎn)制造衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的規(guī)模和數(shù)量上進(jìn)入世界前列。接收機(jī)主板產(chǎn)量超過 100萬套，行業(yè)總產(chǎn)值超過 100億元（約占世界市場份額的 4%）。其中導(dǎo)航運(yùn)營服務(wù)產(chǎn)值將超過 20億元。在基礎(chǔ)產(chǎn)品上，芯片組與主機(jī)板等將從目前的全部依賴進(jìn)口變?yōu)樽灾鳟a(chǎn)品占 60%以上。產(chǎn)品出口將占國產(chǎn)總量的 10%，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片組、嵌入式軟件及專用數(shù)據(jù)將批量投放市場 。通過衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用示范工程和基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，推動衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用設(shè)備及其擴(kuò)展系統(tǒng)在國民經(jīng)濟(jì)諸多部門和人們的日常生活中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 汽車導(dǎo)航產(chǎn)品將進(jìn)入市場 /成為 GOS最大的消費(fèi)市場，同時帶動導(dǎo)航電子地圖的生產(chǎn)和經(jīng)銷。近年來，日本、歐盟、美國采取謹(jǐn)慎而積極的進(jìn)軍姿態(tài)，爭先恐后進(jìn)入中國市場。它們對我國的汽車導(dǎo)航市場抱有厚望，無疑源于對我國衛(wèi)星導(dǎo)航市場的看好。 4 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 三、 前景 據(jù)專家預(yù)測，今后幾年內(nèi) GPS 在通信、大氣探測、 精細(xì)農(nóng)業(yè)以及環(huán)保等領(lǐng)域中也將得到廣泛的應(yīng)用， GPS將進(jìn)入各行各業(yè)。還有專家預(yù)測，不久的將來人們將生產(chǎn)出電子手表式的 GPS 接收機(jī)而價格將降至普通人都能接受的水平。到那時侯人們不僅能方便地獲得時間信息而且能方便地獲得三維位置和三維速度信息，從而深刻地改變?nèi)藗兊纳罘绞?。全球定位系統(tǒng)將作為 20 世紀(jì)最偉大的科學(xué)成就之一而載入史冊。 5 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 第二章 GPS衛(wèi)星全球定位系統(tǒng) 第一節(jié) GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的組成 GPS 全球定位系統(tǒng)由以下 三個部分組成：空間部分（ GPS 衛(wèi)星）、地面監(jiān)控部分和用戶部分。 一、 空間部分 GPS衛(wèi)星 GPS衛(wèi)星的主體呈圓柱形，兩側(cè)有太陽能帆板，能自動對日定向。太陽能電池為衛(wèi)星提供工作用電。每顆衛(wèi)星配備有 4臺原子鐘，可為衛(wèi)星提供高精度的時間標(biāo)準(zhǔn)。衛(wèi)星上帶有燃料和噴管，可在地面控制下調(diào)整自己的運(yùn)行軌道。 GPS衛(wèi)星的基本功能是：接收并存儲來自地面控制系統(tǒng)的導(dǎo)航電文；在原子鐘的控制下自動生成測距碼（ C/A 碼和 Y 碼）和載波；采用二進(jìn)制相位調(diào)制法將測距碼和導(dǎo)航電文調(diào)制在載波上播發(fā)給用戶；按照地面控制系統(tǒng)的命令調(diào)整 軌道，調(diào)整衛(wèi)星鐘，修復(fù)故障或啟用備用件以維護(hù)整個系統(tǒng)的正常工作。 衛(wèi)星星座： 發(fā)射入軌能正常工作的 GPS 衛(wèi)星集合城 GPS 衛(wèi)星星座。 最初的 GPS 衛(wèi)星星座由 24顆 GPS衛(wèi)星組成。這些衛(wèi)星分布在三個傾角為 63176。幾乎為圓形的軌道上。相鄰軌道的升交點赤經(jīng)之差為 120176。，每個軌道上將均勻地分布 5 顆衛(wèi)星。軌道的長半徑為 26560km，衛(wèi)星的運(yùn)行周期為 12h（恒星時）。后因美國財政赤子過大而做了較大的變動。 GPS衛(wèi)星總數(shù)削減為 18顆軌道傾角改為 60176。，軌道增至 6個，每個軌道上均勻分布 3顆衛(wèi)星，相鄰軌道的升交點赤經(jīng) 之差為 60176。，其余參數(shù)保持不變。這種情況的出現(xiàn)將大大損害整個系統(tǒng)的性能和可靠性，影響全球定位系統(tǒng)在民航等領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的可靠性。為解決上述問題，經(jīng)反復(fù)研究和修改后，最終又將衛(wèi)星總數(shù)恢復(fù)為 24顆。這 24顆衛(wèi)星分布宰個軌道面上，每個軌道均勻地分布 4 顆衛(wèi)星（見圖 21）當(dāng)截止高度角取 15176。時，上述衛(wèi)星星座能保證位于任一地點的用戶在任一時刻同時觀測到 48 顆衛(wèi)星；當(dāng)截止高度角取 10176。時，最多能同時觀測到 10 顆 GPS 衛(wèi)星；當(dāng)截止高度角取 5176。時，最多能同時觀測到 12棵 GPS衛(wèi)星； 6 太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計說明書 2020年底 GPS衛(wèi)星星座由 23顆 Block II衛(wèi)星和 Block IIA衛(wèi)星，以及 5顆 Block IIR衛(wèi)星組成。在一般情況下，用戶能同時觀測到 68棵衛(wèi)星。 圖 21 GPS衛(wèi)星軌道圖 二、 GPS地面監(jiān)控部分 支持整個系統(tǒng)正常運(yùn)行的地面設(shè)施稱為地面監(jiān)控部分。它由一個主控站，三個注入站和五個監(jiān)控站以及通信和輔助系統(tǒng)組成。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。