【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 勘查、地殼運(yùn)動(dòng)、地籍測(cè)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(duì)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(qǐng)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(tái)，實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)的交通狀況，自動(dòng)匹配最優(yōu)路徑，并實(shí)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(shí)能準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)跑道，同時(shí)還能使飛機(jī)緊湊排列 ，提高機(jī)場(chǎng)利用率，引導(dǎo)飛機(jī)安全進(jìn)離場(chǎng)。 GPS 應(yīng)用于救援 利用 GPS 定位技術(shù)，可對(duì)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(duì)火災(zāi)、犯罪現(xiàn)場(chǎng)、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(duì)突發(fā)事件進(jìn)行報(bào)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(duì)失蹤人員 實(shí)施有效的搜索、拯救。裝有 GPS 裝置的漁船，在發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，可及時(shí)定位、報(bào)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(guó)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(cè)、土樣采集等，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過對(duì)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(shí)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(duì)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(jià)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(xiǎn)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(yíng)者攜帶 GPS 接收機(jī)，可快捷地找到合適的野營(yíng)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)。 二、 我國(guó)的 GPS 定位技術(shù)應(yīng)用情況 2020 年 2 月，國(guó)家計(jì)委提出“衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)”，其目標(biāo)是在“十五”末期，形成一個(gè)市場(chǎng)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(chǎng)份額的 4%）。其中導(dǎo)航運(yùn)營(yíng)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(guó)產(chǎn)總量的 10%，具有自主知識(shí)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(chǎng)。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(dòng)衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用設(shè)備及其擴(kuò)展系統(tǒng)在國(guó)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(huì)效益。 汽車導(dǎo) 航產(chǎn)品將進(jìn)入市場(chǎng) /成為 GOS 最大的消費(fèi)市場(chǎng)，同時(shí)帶動(dòng)導(dǎo)航電子地圖的生產(chǎn)和經(jīng)銷。近年來，日本、歐盟、美國(guó)采取謹(jǐn)慎而積極的進(jìn)軍姿態(tài)，爭(zhēng)先恐后進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。它們對(duì)我國(guó)的汽車導(dǎo)航市場(chǎng)抱有厚望，無疑源于對(duì)我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航市場(chǎng)的看好。 三、 前景 據(jù)專家預(yù)測(cè)，今后幾年內(nèi) GPS 在通信、大氣探測(cè)、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(cè)，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(jià)格將降至普通人都能接受的水平。到那時(shí)侯人們不僅能方便地獲得時(shí)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(cè)。 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(gè)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(yáng)能帆板，能自動(dòng)對(duì)日定向。太陽(yáng)能電池為衛(wèi)星提供工作用電。每顆衛(wèi)星配備有 4臺(tái)原子鐘，可為衛(wèi)星提供高精度的時(shí)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(chǔ)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(dòng)生成測(cè)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(cè)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(gè)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(gè)傾角為 63176。幾乎為圓形的軌道上。相鄰軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)之差為 120176。， 每個(gè)軌道上將均勻地分布 5顆衛(wèi)星。軌道的長(zhǎng)半徑為 26560km，衛(wèi)星的運(yùn)行周期為 12h（恒星時(shí)）。后因美國(guó)財(cái)政赤子過大而做了較大的變動(dòng)。 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(gè)，每個(gè)軌道上均勻分布 3 顆衛(wèi)星，相鄰軌道的升交點(diǎn)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(gè)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(gè)軌道面上，每個(gè)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(shí)，上述衛(wèi)星星座能保證位于任一地點(diǎn)的用戶在任一時(shí)刻同時(shí)觀測(cè)到 48顆衛(wèi)星；當(dāng)截止高度角取 10176。時(shí)，最多能同時(shí)觀測(cè)到 10 顆 GPS 衛(wèi)星；當(dāng)截止高度角取 5176。時(shí)，最多能同時(shí)觀測(cè)到 12棵 GPS 衛(wèi)星； 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(shí)觀測(cè)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(gè)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(gè)主控站，三個(gè)注入站和五個(gè)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(jì)算機(jī)為主體的數(shù)據(jù)收集、計(jì)算、傳輸、診斷等設(shè)備。它的主要功能是：收集各監(jiān)測(cè)站測(cè)得的距離和距離差、氣象要素、衛(wèi)星時(shí)鐘和工作狀況的數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)站自身的狀態(tài)數(shù)據(jù)等；根據(jù)收集的數(shù)據(jù)及時(shí)計(jì)算每顆 GPS 衛(wèi)星的星歷，時(shí)鐘改正，狀態(tài)數(shù)據(jù)以及信號(hào)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(gè)地面監(jiān)控系統(tǒng)是否工作正常，檢驗(yàn)注入衛(wèi)星的導(dǎo)航電文是否正確，監(jiān)測(cè)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。 圖 22 GPS 系統(tǒng)監(jiān)控站和主控站分布圖 監(jiān)控站是為主控站編算導(dǎo)航電文提供觀測(cè)數(shù)據(jù)，每個(gè)監(jiān)測(cè)站均用 GPS 信號(hào)接收機(jī)測(cè)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。 注入站是向 GPS 衛(wèi)星輸入導(dǎo)航電文和其他命令的地面設(shè)施。 3 個(gè)注入站分別位于迭哥伽西亞、阿松森群島和卡瓦加蘭。注入站能將接收到的導(dǎo)航電文存儲(chǔ)在微機(jī)中，當(dāng)衛(wèi)星通過其上空時(shí)再用大口徑發(fā)射天線將這些導(dǎo)航電文和其他命令分別“注入”衛(wèi)星。 通信和輔助系統(tǒng)是指地面 監(jiān)控 系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸以及提供其他輔助 服務(wù)的機(jī)構(gòu)和設(shè)施。全球定位系統(tǒng)的通信系統(tǒng)由通信線、海底電纜及衛(wèi)星通信等聯(lián)合組成。 三、 用戶部分 GPS 的用戶部分由 GPS 接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件及相應(yīng)的用戶設(shè)備如計(jì)算機(jī)、氣象儀器等組成， GPS 信號(hào)接收機(jī)，是 GPS 導(dǎo)航衛(wèi)星的用戶設(shè)備，是實(shí)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(cè)量 GPS 衛(wèi)星導(dǎo)航定位信號(hào)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(hào)的特性。 在測(cè)量領(lǐng)域，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，體積小、重量輕便于攜帶的 GPS 定位裝置和高精度的技術(shù)指標(biāo)為工程測(cè)量帶 來了極大的方便。例如：我們?cè)诳刂茰y(cè)量中使用了４臺(tái)南方測(cè)繪儀器公司的 NGS9600 型靜態(tài) GPS 接收機(jī)，其技術(shù)指標(biāo)為：測(cè)量精度： 5mm＋ 2 10－ 6 mm 靜態(tài)測(cè)量， 20ｍｍ +1 10－ 6mm（高 程）。這些技術(shù)指標(biāo)充分地滿足了控制測(cè)量的精度要求。 以下是 GPS 信號(hào)接收機(jī)的類型 按工作原理分類 基于被動(dòng)式定位原理的 GPS 衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)，關(guān)鍵在于怎樣測(cè)得 GPS 信號(hào)接收天線和 GPS 衛(wèi)星之間的距離（簡(jiǎn)稱站星距離）。 按測(cè)量站星距離所用測(cè)距信號(hào)之異， GPS 信號(hào)接收機(jī)可以分為下列幾種類 （ 1） 碼接收機(jī)：用偽噪聲碼和 載波作測(cè)距信號(hào)； （ 2） 無碼接收機(jī)：僅用載波作測(cè)距信號(hào)； （ 3） 集成接收機(jī)：既用 GPS 信號(hào)，又用 GLONASS 信號(hào)測(cè)量站星距離。 按用途分類 （ 1）測(cè)地型接收機(jī)：厘米級(jí)精度，測(cè)后數(shù)據(jù)處理； （ 2）導(dǎo)航型接收機(jī)：米級(jí)精度，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理； （ 3）定時(shí)型接收機(jī)：專用于時(shí)間測(cè)定和頻率控制。 按所用載波頻率多少分類 用于衛(wèi)星導(dǎo)航定位的載波是 L1 和 L2，它們的頻率分別為： f1=154=。f2=120 =. 按所用載波頻率多少， GPS 信號(hào)接收機(jī)可以分成下列類型： （ 1）單頻接收機(jī)：僅使用第一載波（ L1）及其調(diào)制波進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量； （ 2）雙頻接收機(jī)：同時(shí)使用多個(gè)載波及其調(diào)制波進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量。 下圖 24 是 GPS 系統(tǒng)三個(gè)組成部分關(guān)系。 圖 23 GPS 組成部分示意圖 第二節(jié) GPS 衛(wèi)星的導(dǎo)航定位信號(hào) 一、概述 GPS 衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)由載波、測(cè)距碼和導(dǎo)航電文組成。 載波 可運(yùn)載調(diào)制信號(hào)的高頻振蕩波稱為載波。 GPS 衛(wèi)星所用的載波有兩個(gè)，由于它們均位于載波 L波段，故分別稱為 L1載波和 L2 載波。其中 L1 載波是由衛(wèi)星上的原子鐘所產(chǎn)生的基準(zhǔn)頻率 f0 倍頻 154 倍后形成的， L2 載波是由基準(zhǔn)頻率 f0 倍頻120 倍后形成的。采用兩個(gè)不同頻率載波的主要目的是為了較完善地消除電離層延遲。在全球定位系統(tǒng)中，載波除了能更好地傳送測(cè)距碼和導(dǎo)航電文這些有用意信 息外，在載波相位測(cè)量中它又被當(dāng)做一種測(cè)距信號(hào)來使用。其測(cè)距精度比偽距測(cè)量的精度高 23個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，載波相位測(cè)量在高精度定位中得到廣泛的應(yīng)用。 測(cè)距碼是用于測(cè)定從衛(wèi)星到接收機(jī)間的距離的二進(jìn)制碼，是由若干個(gè)多級(jí)反饋移位寄存器所產(chǎn)生的 M 序列 經(jīng)平移、截短、求模二和等一系列復(fù)雜處理后形成的。根據(jù)性質(zhì)和用途的不同，測(cè)距碼可分為粗碼（ C/A 碼）和精碼（ P 碼或 Y 碼）兩類，各衛(wèi)星所用的測(cè)距碼互不相同且相互正交。 C/A 碼是一種結(jié)構(gòu)公開的明碼，供全世界所有的用戶免費(fèi)使用。目前， /A 碼只調(diào)制在 L1 載波上，故無法精確地消除電離層延遲。 Y 碼的結(jié)構(gòu)是完全保密的，只有美國(guó)及其盟國(guó)的軍方用戶以及少數(shù)經(jīng)美國(guó)政府授權(quán)的用戶才能使用 P碼。由于 P碼的碼元寬度僅為 C/A 碼的 1/10，而且該測(cè)距碼又同時(shí)調(diào)制在 L1和 L2 兩個(gè)載波上，可較完善地消除電離層延遲，故用它來測(cè)距可獲得較精確的 結(jié)果。 導(dǎo)航電文 導(dǎo)航電文是由 GPS 衛(wèi)星向用戶播發(fā)的一組反映衛(wèi)星在空間位置、衛(wèi)星的工作狀態(tài)、衛(wèi)星鐘的修正參數(shù)、電離層延遲修正參數(shù)等重要數(shù)據(jù)的二進(jìn)制代碼，也稱數(shù)據(jù)碼（ D碼）。它是用戶利用 GPS 進(jìn)行導(dǎo)航定位時(shí)一組不可少的數(shù)據(jù)。 二、 GPS信號(hào)接收機(jī)的組成及原理 天線單元 它由接收天線和前置放大器兩個(gè)部件組成。它的作用是，將到達(dá) GPS 信號(hào)接收天線的功率約為 160dBW 的 GPS 電磁波變換成微波電信號(hào)，并將如此微弱的 GPS電信號(hào)予以放大。為便于接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤、處理、和量測(cè)，對(duì)天線部分有以下要 求： 天線與前置放大器應(yīng)密封一體，以保障其正常工作，減少信號(hào)損失； 能夠接收來自任何方向的衛(wèi)星信號(hào)，不產(chǎn)生死角； 有防護(hù)與屏蔽多路徑效應(yīng)的措施； 天線的相位中心保持高度的穩(wěn)定，并與其幾何中心盡量一致。 下圖 25 是 GPS 接收機(jī)原理圖： 圖 25 GPS 接收機(jī)原理圖 GPS 接收機(jī)的天線類型如下圖 26： 圖 26 GPS 接收機(jī)的天線類型 接收機(jī)主機(jī) （ 1） 變頻器及中頻放大器 經(jīng)過 GPS 前置放大器的信號(hào)仍然很微弱，為了使接收機(jī)通道得到穩(wěn)定的高增益，并且使 L 頻段的射頻信號(hào)變成低頻信號(hào)，必須采用變頻器。 （ 2） 信號(hào)通道 信號(hào)通道是接收機(jī)的核心部分， GPS 信